CN1721939A - 一种控制光漫射和/或降低来自表面的眩光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制光漫射和/或降低来自表面，特别是来自反射底板的眩光的方法。本发明还涉及一种具有控制的光漫射的显示器，并涉及将纳米颗粒膜用于控制光漫射和/或来自表面的眩光。

Description

一种控制光漫射和/或降低来自表面的眩光的方法
本发明涉及一种控制光漫射(light diffusion)和/或来自表面，特别是来自反射底板(back plane)的眩光(glare)的方法。本发明还涉及一种具有控制光漫射的显示器，并涉及将纳米颗粒膜用于控制光漫射和/或来自表面的眩光的用途。
反射式显示器(reflective display)通常具有光漫射的底板或增益反射器(gain reflector)以使周围光的用途最大。它们依赖环境光来显示信息，因此对便携式电子设备来说是理想的，因为避免了对逆光照明的需要。然而，反射式显示器在产生具有足够分辨率的高对比度高色度像中具有固有的困难。有许多引入不同模式的反光式显示技术，例如透射模式(transmission mode)(如TN显示)、吸收模式(如宾主效应显示)、选择反射模式(如胆甾醇型LCD模式)和散射模式(如聚合物分散液晶)。在所有模式中，反射底板的光漫射性能都受到限制，这意味着显示器的视角狭窄。而且，由于反射光的干涉，有来自显示器底板的金属样眩光。解决此问题的一种方法是在反射底板上含有表面不规则结构(irregularities)，也称为突起或微反射(microreflective)结构。研究人员试图通过改变这些突起的高度、尺寸和/或位置使来自反射底板的光漫射最大。为了形成这种突起，存在许多方法。例如，可以通过使用冲压(stamping)法制造突起。然而，如果出于某种原因要改变漫射性能，则必须重新设计冲压或必须使用全新的冲压。另一种制造突起的方法是光刻法。如果要改变漫射性能，则必须再重新设计光刻法掩模和/或灯。因此，突起的最佳化/重新设计在时间、财政和后勤方面都需要相当大的资源。
因此，本发明的一个目的是提供另一种使来自显示器中底板的光漫射最大和/或减少来自该板的眩光的方法。而且，本发明的一个目的是提供一种方法，从而使来自该板的光漫射最大，该方法易于实施并且不需要大量的财政或后勤保障。
通过控制光漫射和/或减少来自表面，特别是显示器中底板的眩光的方法来解决所有这些目的，该方法包括以下步骤：
a)提供表面，
b)制备平均直径为约1nm-约10μm的颗粒的分散体(dispersion)，优选纳米颗粒的分散体，
c)将所述分散体涂覆到所述表面上，因此在所述表面上形成颗粒膜，优选纳米颗粒膜。
在一个实施方案中，所述方法包括额外的步骤：
d)优选通过加热或UV干燥所述表面上的所述分散体和/或使所述分散体固化。
在本文中，也将通过所述干燥和/或所述固化步骤形成的膜称为“颗粒膜”或“纳米颗粒膜”。因此，“颗粒膜”或“纳米颗粒膜”可以是通过包括步骤a)-c)的方法或通过包括步骤a)-d)的方法制备的膜。
优选地，所述颗粒是平均直径为1nm-10μm，优选5-900nm，更优选10-500nm，最优选10-300nm的纳米颗粒。
在一个实施方案中，所述的颗粒，优选纳米颗粒的分散体含一种、两种或多种颗粒，每种颗粒的特征在于平均直径，不同种类的颗粒具有不同的平均直径，其中，优选地，所述分散体含平均直径为10nm的第一种纳米颗粒和平均直径为300nm的第二种纳米颗粒。
在一个实施方案中，所述颗粒膜，优选所述纳米颗粒膜的厚度为0.2-5μm，优选0.3-4μm，更优选1-3μm，更加优选1.5-2.8μm，最优选2-3μm。在一个特定的实施方案中，所述颗粒膜，优选所述纳米颗粒膜的厚度不到1μm，优选约300nm-约1μm，其中，对于此实施方案，优选使用平均直径为约100nm的纳米颗粒。
在一个实施方案中，所述的颗粒分散体，优选所述的纳米颗粒分散体具有的颗粒，优选纳米颗粒的浓度为1-50wt.％，优选1-40wt.％。
优选地，所述颗粒，优选所述纳米颗粒由选自TiO2、SiO2、CeO2、Al2O3、MnO2、Fe2O3中的材料制造。
在一个实施方案中，所述的颗粒，优选纳米颗粒的分散体含至少一种不溶解所述颗粒的溶剂和/或可UV或热固化的聚合物。
使用溶剂的原则在于，在涂覆分散体后，可以通过干燥除去这种溶剂，之后留下颗粒/纳米颗粒的膜。
优选地，所述溶剂选自水、乙醇、1-丙醇、异丙醇、丁醇、甲苯、二氯甲烷、THF、2-丙醇、甲醇、丙酮、DMF和DMSO以及它们的混合物。
使用可热/UV固化的聚合物的想法在于，将含颗粒和未固化聚合物的分散体涂覆到所述表面上，此后进行固化步骤，因此形成具有固化聚合物基质和嵌入所述基质中的颗粒的颗粒膜。
在一个实施方案中，通过选自刮涂(doctor blading)、滴铸(dropcasting)、旋铸(spin casting)、Langmuir-Blodgett法、溶胶-凝胶、旋涂、浸涂、喷涂进行所述涂覆。
在一个实施方案中，所述表面是反射表面，特别是显示器中的反射底板，或者其是透明的表面，特别是显示器中的透明底板。
优选地，所述表面在其顶部还具有便于所述颗粒膜，优选所述纳米颗粒膜与所述表面粘附或保护所述表面免于与所述颗粒膜，优选所述纳米颗粒膜反应的附加层。
在一个优选的实施方案中，所述附加层由选自聚酰亚胺、SiO2、LiF、MgO、Al2O3、Si3N4中的材料制造。
优选地，在真空中或在大气条件下的空气中进行所述干燥和/或所述固化。如果进行热固化，则条件取决于选择的特定可热固化聚合物。
优选地，所述表面由选自玻璃、聚合物、硅、钢和复合材料中的材料制造，其中，更优选地，所述表面涂有透明材料，例如氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的氧化锡(FTO)、SnO2、ZnO、Zn2SnO4、ZnSnO3、CdSnO4、TiN、Ag或涂有反射材料，例如金属，如银、金、铂。
在一个实施方案中，重复步骤c)和d)，优选重复若干次，因此形成含至少两层、优选若干层颗粒、优选纳米颗粒的颗粒膜、优选纳米颗粒膜。
在一个实施方案中，按照ab或ba的顺序进行所述的步骤a)和b)。
通过这样的显示器也实现了本发明的目的，该显示器包括在其顶部上具有颗粒膜、优选纳米颗粒膜的底板，该底板优选是通过本发明的方法制造的。
而且，通过使用如上面限定的颗粒膜、优选纳米颗粒膜解决本发明的目的，当涂覆到如上面限定的表面，特别是显示器中的反射底板上时，用于控制光漫射和来自所述表面的眩光。
发明人意外地发现，通过将一种简单的纳米颗粒膜涂覆到反射底板上就可以使光漫射性能最大并可以降低来自这种表面的眩光。例如，仅具有中等视角依赖性(a moderateviewing angle dependency)就可以获得60％的反射率和约6的对比率。
下面，将参考以下实施例进一步描述本发明，给出这些实施例用于说明本发明而非限制本发明。而且，参考附图，其中
图1说明实施例1中生成的纳米颗粒膜厚度(μm)对平均直径为300nm的纳米颗粒的浓度(wt.％)的依赖性；
图2说明依赖纳米颗粒浓度(wt.％)的涂TiO2的铂基质的反射率-照射角(illumination angle)；
图3说明涂覆在TFT底板上的各种wt.％浓度的纳米颗粒的制造实施例；上排表明在真空干燥器中干燥的表面，下排表明于80℃下在真空箱中干燥的样品；也表明了没有纳米颗粒膜的基质(左)；
图4和5说明在与表面法线成30度(图4)的角度下和在与表面法线成60度(图5)的角度下图3中的相同表面；
图6说明纳米颗粒膜厚度对以这种膜的方式涂覆在该表面上的纳米颗粒层的数目的依赖性；
图7说明纳米颗粒膜的最终厚度对初始厚度和干燥条件的依赖性；
图8说明反射率对纳米颗粒膜厚度的依赖性(框中的数字表示厚度，μm)，其依赖于入射光角度；该纳米颗粒膜是在真空中干燥的；
图9说明依赖于纳米颗粒膜厚度的反射率，这次在空气中干燥；框中的数字还是表示厚度，μm；
图10说明依赖于纳米颗粒层厚度的反射率(框中的数字还是表示纳米颗粒膜的厚度，μm)；
图11说明了底板的反射率，3.2μm/2.2μm纳米颗粒膜涂覆在该底板上，在顶部有和没有两片载玻片(glass slide)；
图12和13说明依赖于纳米颗粒膜厚度的反射率(图12)和对比率(图13)；白度标准是光谱漫反射率标准；它是仪器用工业标准，是纸、织物和塑料工业用视觉参比；典型地，其具有95％-99％的反射率值，并且在UV-VIS-NIR(紫外-可见-近红外)谱上是非常平坦的。
实施例1：分散体制备
通过混合浆料1(透明的，于1-丙醇和水中含10wt％的10nm TiO2颗粒)和浆料2(分散的，于1-丙醇和水中含5wt％的300nm TiO2颗粒)而制备1-20wt％ TiO2溶液。例如，混合4.75g的浆料1和0.25g的浆料2以获得5wt％浆料2 TiO2溶液。为了保证均匀混合，搅拌该溶液1小时，并将其放入超声波槽中2小时。然后，进一步搅拌1小时。
在涂铂基质上制造TiO2层
将该溶液刮涂到涂铂(Pt)玻璃基质上以制造薄的均匀膜。然后，将该基质放在450℃的电炉上30分钟，从而蒸发该膜中的1-丙醇和水。当然，基质不限于涂Pt的玻璃基质，涂层&基质的选择取决于应用。基质可以涂有任何透明(例如ITO、FTO等)至反射的(例如Ag、Au等)物质。基质也可以由任何物质(例如聚合物、硅、钢、TFT、复合物等)制造。
使用外形仪(profilometer)，根据浆料2(图1)使层的厚度在1.7-2.7μm之间变化。这是足以在通常为8-15μm的D-SPDLC(二色性海绵聚合物分散液晶元件)元件间隙尺寸内部使用的厚度。层的厚度随着300nm TiO2颗粒的增加而增加，而且随着层变厚，层呈现更白的颜色；表面散射的量随层厚度增加而增加。
应用这些TiO2纳米颗粒的原因是因为使用这些颗粒在这么薄的层厚度下可以获得足够的分散。当然，本发明不限于由TiO2制造的纳米颗粒。而且，人们可以用较大的粒径如1-3μm制造相似的散射层，但这将导致较厚的膜，因为这种较大颗粒的散射效率下降。理想的粒径为与可见光波长相当的100-800nm，优选300-800nm。
实施例2：涂TiO2的Pt基质的反射率测量
使用LCD评价系统“Photal Otsuka Electronics LCD-700”测量涂TiO2的Pt基质的反射率。将检测器设定在0°(表面法线)，同时使入射的平行白光从15°移动到70°。使用扩散白度标准(Labsphere SRS99-020)进行100％的标准化(normalization)。
结果，图2表明，可以通过TiO2浆料2的浓度改变反射率分布。各数值相应于TiO2浆料的wt％。为了通过除仅有TiO2之外的方法控制分散，图中的PDLC描绘了在普通底板(BP)上形成的聚合物分散液晶。然而，对于用作底板，这种PDLC膜太厚。可以看出，与普通的底板相比，涂TiO2的Pt基质具有高于30度的较高反射率。这意味着，用涂TiO2的基质抑制了视角依赖性(亮度随视角突然变化)。
实施例3：在TFT底板上制造TiO2层
将相同的TiO2溶液刮涂在TFT底板上以使底板更漫射。正如可以从图3-5中看出的，在升高的工艺温度下TiO2溶液与TFT底板反应。然而，如果TiO2浓度很低，则可以升高温度而没有损害；在此实施例中，在低于1wt％的浓度下没有降解反应。然而，在这种情况下，理想的是在真空中、室温下蒸发1-丙醇和水。图3-5所示的TFT底板具有聚酰亚胺找平层(alignment layer)，该层在底板与TiO2层之间起阻挡层作用。具有聚酰亚胺层不是必需的，但其有助于抑制降解反应，这可以在80度下、真空炉中干燥的4wt％ TiO2溶液中看到。
图5表明，即使在45度的视角下，在室温下、真空中干燥的TiO2层也比底板本身白。这表明，与普通的底板相比，用改性底板制造的TFT显示器有更低的视角对亮度和对比率的依赖性。而且，通过加入TiO2层可以抑制在普通底板上看到的金属状镜面眩光。
本发明的主要优点在于，它可以改变和/或控制底板的漫射性能而不必改变突起本身。并且，通过TiO2颗粒制造的漫射层足够薄，因此使该层对液晶元件激励电压(driving voltage)的影响最小。
实施例4：TiO2底板制备
为了获得具有不同散射性能程度的TiO2底板，将若干层TiO2刮涂到具有聚酰亚胺的TFT底板上。
刮涂许多层
随着涂覆层的数量增加，TiO2层开始剥落(不怎么粘贴)。这可以通过眼睛在第4层时观察到，但根据图6，剥落可能从第3层就已经开始了。
  数量   最终厚度[μm]   注释
  1   0.7
  2   2.2
  3   7.2
  4   9.2   剥落
  5   10.2   剥落
                         表0-1
刮涂不同的高度
使用实施例1的颗粒分散体，确定理想的TiO2膜为具有2-3μm厚度的膜。然而，当使用不同的颗粒分散体时，可以证明不同的厚度是有用的。理想地，膜的厚度尽可能低，优选地，低于1μm，例如300nm-1μm。
为了在TiO2散射层中获得更多的变化，研究了刮涂不同的厚度。尝试制备两次。第一次在真空干燥器中干燥(Exp.1)，第二次在环境条件中干燥一夜(Exp.2)。
正如可以在图7中看出的，它们都说明了如所预料的线性关系。Exp.1在超过150μm的初始厚度产生剥落，Exp.2在超过175μm的初始厚度产生剥落。通常，Exp.2显示更稳定的TiO2，这是根据缓慢饱和预料的。在薄的最终厚度(＜1.5μm)下，观察到来自该膜的光干涉。因此，确定理想的膜是具有2-3μm厚度的膜。
实施例5：各种TiO2底板的反射率
测量通过不同方式制备的TiO2层的反射率分布。在它们中，在30度入射光下，通过在真空中干燥制备的2.2μm TiO2层显示最高的值。
通过在真空中干燥制备的TiO2
图8说明当在真空中干燥刮涂的TiO2浆料时，反射率随TiO2厚度如何变化。可以看出，随着TiO2厚度增加，反射率峰下降并变宽。在试验的层中，在30度，2.2μm厚度显示最高且最宽的反射率值。2.2μm TiO2层在织构方面是均匀的，并且没有剥落。
通过在空气中干燥制备的TiO2
图9说明当在空气中干燥刮涂的TiO2浆料时，反射率随TiO2厚度如何变化。可以看出，随着TiO2厚度增加，反射率峰下降并变宽。在试验的层中，在30度，2.7μm厚度显示最高且最宽的反射率值。
反射率分布与真空干燥的膜有区别的原因可能是由于TiO2层的堆积所致。根据用眼睛观察，空气干燥的膜通常更均匀，并且在TiO2厚度较高时不含有薄片。
通过刮涂层制备的TiO2
图10说明当在真空干燥器中干燥时，在彼此顶部上刮涂TiO2层时，反射率随TiO2厚度如何变化。可以看出，随着TiO2厚度增加，反射率峰下降并变宽。在试验的层中，在30度，0.7μm厚度显示最高且最宽的反射率值。然而，由于0.7μm厚度层产生光干涉，所以优选的膜是2.2μm。可以通过7.2 & 9.2μm层观察到剥落。由于阻碍了来自漫射底板的峰这一事实，这也可以通过反射率分布看到。
玻璃基质对反射率的影响
因为将改性的底板放在试验板(test panel)下面，所以测量玻璃基质对反射率的影响。
正如可以在图11中看出的，将2块玻璃基质放在各底板上都降低了反射率。3.2μm TiO2层从140％降低到100％。此结果表明，对于真正的TFT设备(仅具有一层玻璃基质)，即使当D-SPDLC相同时，反射率值，从而对比率也与试验板有区别。还预计分散分布不同，因为TFT设备的分散是由于TiO2-LC界面所致，而该试验板分散是由于TiO2-空气界面所致。此实验仅用于该试验板论证。
TiO2厚度-D-SPDLC反射率&对比率
研究了TiO2厚度对D-SPDLC反射率和对比率的影响。根据本发明可以获得R＝60％的反射率(R)值和CR＝6的对比率(CR)值，特别是宽的视角和2.2μm TiO2层。这些结果说明了本发明适用于提高反射式显示器的性能。
用不同的液晶再填充3％ B 479TP-TL203元件，其为海绵聚合物分散液晶元件，即聚合物分散液晶元件(于21wt.％ PN393聚合物中的79wt.％ TL213LC(液晶))，在这种情况下，将掺杂的液晶(掺杂3wt.％B4(Black-4染料)的TL203LC)放在于真空中制备的各种TiO2层上(图12和13)，并测量它们的反射率。正如所料，随着厚度增加，反射率峰下降并变宽。
对于此特定的设置(set up)，在反射率方面，约2.2μm厚的TiO2颗粒层是有利的，而在宽的对比率视角方面，约3.2μm厚度的层是有利的。然而，可以依据颗粒的类型和尺寸改变精确尺寸。无论如何，正如本发明所设想的，通常在反射底板上使用颗粒膜，特别是纳米颗粒膜显著提高反射率和对比率值，因此使更好的显示设备成为可能。

Claims (21)

1.一种控制光漫射和/或减少来自表面，特别是显示器中底板的眩光的方法，包括以下步骤：
a)提供表面，
b)制备平均直径为约1nm-约10μm的颗粒的分散体，优选纳米颗粒的分散体，
c)将所述分散体涂覆到所述表面上，因此在所述表面上形成颗粒膜，优选纳米颗粒膜。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于该方法包括额外的步骤：
d)优选通过热量或UV干燥所述表面上的所述分散体和/或使所述分散体固化。
3.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述颗粒是平均直径为1nm-10μm，优选5-900nm，更优选10-500nm，最优选10-300nm的纳米颗粒。
4.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述颗粒，优选纳米颗粒的分散体含一种、两种或更多种颗粒，各种颗粒的特征在于平均直径，不同种颗粒具有不同的平均直径。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于所述分散体含平均直径为10nm的第一种纳米颗粒和平均直径为300nm的第二种纳米颗粒。
6.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述颗粒膜，优选所述纳米颗粒膜的厚度为0.2-5μm，优选0.3-4μm，更优选1-3μm，更加优选1.5-2.8μm，最优选2-3μm。
7.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述颗粒，优选纳米颗粒的分散体具有的颗粒、优选纳米颗粒的浓度为1-50wt.％，优选1-40wt.％。
8.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述颗粒，优选所述纳米颗粒由选自TiO2、SiO2、CeO2、Al2O3、MnO2、Fe2O3中的材料制造。
9.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述颗粒、优选纳米颗粒的分散体含至少一种不溶解所述颗粒的溶剂和/或可UV或热固化的聚合物。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于所述溶剂选自水、乙醇、1-丙醇、异丙醇、丁醇、甲苯、二氯甲烷、THF、2-丙醇、甲醇、丙酮、DMF和DMSO以及它们的混合物。
11.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述涂覆通过选自刮涂、滴铸、旋铸、Langmuir-Blodgett法、溶胶-凝胶、旋涂、浸涂、喷涂中的方法进行。
12.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述表面是反射面，特别是显示器中的反射底板，或它是一种透明的表面，特别是显示器中的透明底板。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于所述表面在其顶部还具有便于所述颗粒膜，优选所述纳米颗粒膜与所述表面粘附或保护所述表面免于与所述颗粒膜，优选所述纳米颗粒膜反应的附加层。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于所述附加层由选自聚酰亚胺、SiO2、LiF、MgO、Al2O3、Si3N4中的材料制造。
15.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于在真空中或在大气条件下的空气中进行所述干燥和/或所述固化。
16.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述表面是由选自玻璃、聚合物、硅、钢、复合材料中的材料制造的。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于所述表面涂有透明材料，例如氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(FTO)、SnO2、ZnO、Zn2SnO4、ZnSnO3、CdSnO4、TiN、Ag或涂有反射材料，例如金属，如银、金、铂。
18.根据权利要求2-17中任一项的方法，其特征在于重复步骤c)和d)，优选重复若干次，因此形成含至少两层、优选若干层颗粒、优选纳米颗粒的颗粒膜、优选纳米颗粒膜。
19.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于按照ab或ba的顺序进行步骤a)和b)。
20.一种显示器，包含在其顶部上具有颗粒膜、优选纳米颗粒膜的底板，优选是通过根据上述权利要求中任一项的方法制造的。
21.当涂覆到如任一项上述权利要求中限定的表面上，特别是显示器中的反射底板上时，使用如任一项上述权利要求中限定的颗粒膜、优选纳米颗粒膜来控制光漫射和来自所述表面的眩光。
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