散射屏幕系統及其制造方法和應用的制作方法

散射屏幕系統及其制造方法和應用的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種屏幕散射系統。該系統具有透明基板形成的基板層和由0D、1D和3D元件制造的寬帶隙的材料形成的散射層。所述0D、1D和3D元件以納米結構的形式均勻地排列在所述基板層上。
【專利說明】散射屏幕系統及其制造方法和應用

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種散射屏幕系統及其制造方法和應用。

【背景技術】
[0002] 目前，主要有兩種類型的散射屏幕系統，即光學類型和散射（擴散器）類型。這些 系統被例如Nuijs等人在1994年、Lin等人在2008年和Matsuda等人在2009年描述過， 在此以其全部內容并入本文。
[0003] 光學類型一般是基于雙透鏡元件的結構。但是，在這種結構中透鏡元件的間距必 須精確制造以避免在透鏡元件和投影機像素間莫爾條紋（moir6 pattern)的形成。
[0004] 通過對比，散射類型由通過例如噴沙、腐蝕或通過引入表面添加劑在基板表面形 成的通常高度透明的擴散器組成。這種類型的散射屏可能遭受"太陽效應"（sun effect) 帶來的問題。通過太陽效應，這意味著入射光會不發生散射而直接通過投影屏幕。
[0005] 近年來，已經出現了建議使用"纖維光束（Fiber Beam)"系統的提議。這種 系統利用了使用樹脂光纖作為傳播媒介的背投顯示。例如公開了這種系統的已公開的 No. 2010/0208217A1美國專利，在此以其全部內容并入本文。利用Tsuya Fabric's編織技 術，生產具有對光學塑料纖維（OPFs)有限損害的高密度織帶。但是，獲得緊密的編織纖維 的成本是非常昂貴的，并且在很多情況下，在經濟上是不實際的。
[0006] 本發明旨在提供一種具有更高效率和/或來拓寬顯示器/顯示屏的視角或照明裝 置的燈光角度或至少對公眾提供一種新的選擇的散射屏幕系統。


【發明內容】

[0007] 根據本發明的第一方面，本發明提供了一種屏幕散射系統，包括：由透明基板形成 基板層，由〇D，1D和3D元件制成的寬帶隙的材料形成散射層，其中所述0D，1D和3D元件以 納米結構的形式均勻地排列在所述基板層上。這樣的系統能夠提供一種具有更高效率和/ 或來拓寬顯示器、顯示屏或照明裝置視角的散射系統。除其他原因外，該系統在技術上是有 利的是因為均勻的排列可以獲得更高的圖像分辨率。納米尺寸的元件也比微米尺寸的元件 對散射比的增長有更大的貢獻。對比散射的其他類型，根據本發明的屏幕散射系統在其制 造上更具成本效益，并且能夠在不降低透光率情況下產生更高的散射能力。
[0008] 優選地，所述寬帶隙的材料可以以納米結構陣列形式布置。
[0009] 基板層是為所述寬帶隙的材料的沉積配置的，所述寬帶隙的材料為無機材料，所 述無機材料選自包括玻璃、石英和藍寶石的組。
[0010] 所述基板層是為所述寬帶隙的材料的沉積配置的，所述寬帶隙的材料為柔性有機 材料，所述柔性有機材料選自包括有機玻璃、耐熱玻璃和聚甲基丙烯酸甲酯的組。
[0011] 在一種實施方式中，所述寬帶隙的材料選自211〇、1102、511〇2、6 &1其中所述材料的 帶隙值至少為3. OeV。
[0012] 在另一種實施方式中，所述納米結構陣列可以包括0D高密度元件、ID元件和3D分 層元件。在一個【具體實施方式】中，所述0D元件可以包括ID納米球，所述ID元件可以包括 納米線、納米帶和納米棒，所述3D分層元件可以包括納米樹和納米結構陣列。
[0013] 根據本發明的第二方面，本發明提供了一種包括上述散射屏幕系統的背投屏幕系 統。
[0014] 根據本發明的第三方面，本發明提供了一種包括上述散射屏幕系統的照明裝置。
[0015] 根據本發明的第四方面，本發明提供了一種照明裝置，其中所述裝置為LED燈。這 在技術上和經濟上都是非常重要的，因為僅2012 -年世界LED照明市場報道達約1178億 美元。僅在中國，截至2012年LED照明市場估值為約239億美元，并且從2007年到2012 年預期以43%的復合年均增長率增長。
[0016] 根據本發明的第五方面，本發明提供了一種上述屏幕散射系統的制造方法。
[0017] 優選地，所述方法可以包括使用選自包括化學浴沉積法（CBD)，水熱法，通過VLS 和VS機制在有或沒有金屬催化劑的輔助下的化學蒸汽沉積法（CVD)，磁控濺射法和金屬有 機物化學氣相沉積法（M0CVD)中的方法。
[0018] 在一種實施方式中，該方法包括一個由從散射元件的相同或不同材料形成種子層 (seeding layer)的步驟。在一個具體的實施方式中，該方法可以提供一個在合成散射層前 通過沉積形成種子層（seeding layer)的步驟。在另一個【具體實施方式】中，所述種子層通 過化學浴沉積法（CBD)、水熱法、化學蒸汽沉積法（CVD)、磁控濺射法或激光燒蝕方法沉積 得到。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 本發明的一些實施方式將參考附圖用于解釋本發明，其中：
[0020] 圖1是納米結構的散射屏幕的示意圖；
[0021] 圖2是納米級元件的陣列的攝影影像；
[0022] 圖3是展示了透射光強度與視角之間的關系的曲線圖；和
[0023] 圖4是展示了樣本光譜的總透射比（TT)和鏡面透射比（TS)的曲線圖。

【具體實施方式】
[0024] 本發明的一種實施方式涉及一種基于寬帶隙的材料的納米結構構建的散射系統。 在該實施方式中，材料的寬帶隙的值至少為3. OeV。同時發現可以用作合適材料的不同材料 可以為Zn0、Ti02和Sn02。所述納米結構是由高密度0維（例如，納米和微米球），1維（1D) (例如，納米線、納米帶、納米棒等）和3維（3D)分層（例如，納米樹）布置在納米結構陣列 中并且總體均勻地排列在透明基板上組成的，如圖1所示的示意圖。
[0025] 圖1示例性的說明了 ZnO納米棒陣列。標示為第一部分的層為ZnO納米棒陣列。 另外，該陣列可以被替換為具有不同形貌（〇維（0D)、1維（1D)和3維（3D)分層結構）的 寬帶隙（> 3. leV)納米結構如Ti02, Sn02等。盡管寬帶隙的值至少為3. leV是理想的，但 是出于實用性的目的，只要寬帶隙的值至少為3. OeV，系統的工作仍然是令人滿意的。標示 為第二部分的層為允許ZnO納米棒陣列生長的種子層。標示為第三部分的層為基板。所述 基板層可以使用不同的透明剛性材料如玻璃、玻璃陶瓷、石英和藍寶石等和柔性有機材料 如有機玻璃（Perspex)、耐熱玻璃（Pyrex)和聚甲基丙烯酸甲酯等制備。
[0026] 所述納米結構可以通過多種方法如溶液法和化學蒸汽沉積法通過蒸汽-液體-固 體（VLS)或蒸汽-固體（VS)機制來合成。當散射系統為紫外線不透明（抗紫外線）時，它 在可見光范圍（400-800nm)有高的透射比（透射比> 80% )。此外，散射系統具有很強的 光捕獲的能力，這使得投影圖像在其表面上有很高的亮度。
[0027] 用于沉積納米結構的基板是由包括如玻璃、石英和藍寶石等的無機材料和如有機 玻璃（Perspex)、耐熱玻璃（Pyrex)和聚甲基丙烯酸甲酯的柔性有機材料的透明材料制成 的。散射系統的一個應用是可以直接用作大面積的背投屏幕。該系統可以為各種屏幕和顯 示如LCD和LED顯示器提供更寬的視角。它也可以用于LED燈以形成均勻的照明。
[0028] 為了證明根據本發明的具有更高的效率的散射屏幕系統的可行性，通過在玻璃基 板合成ZnO納米棒陣列作為一個例子。圖1是用來描述系統總體構造的結構示意。ZnO納 米棒陣列的掃描電鏡（SEM)圖像如圖2所示。可以看出，ZnO納米棒大致上以高密度（? 5xl0 8/cm2)均勻排列在整個的基板表面上。所述ZnO納米棒直徑約150nm，長度約10 μ m (長 度根據反應時間可調）。通過X-射線衍射研究已經證實ZnO納米棒可以沿著[001]方向 生長。但是，納米棒并不是完全地垂直于基板表面的。盡管ZnO被用在此實施方式中，Ti0 2 和Sn02由于他們具有類似的寬帶隙特性同樣也可以被使用。
[0029] 圖3說明了測量散射光強度在視角的依賴性的裝置（上）以及透射光強度和范圍 從-90至90°的視角之間的關系（下）。該圖顯示了散射光強度在視角范圍從-90至90° 的依賴性。633nm的激光束用來作為入射光，激光光斑尺寸直徑約為2mm。實驗是在將激光 光源固定在樣品后的條件下進行的。光纖接收器被固定在距離光斑5cm的不同角度的位 置，如圖3所示。可以觀察到光強度隨著光纖接收器的視角增加而慢慢衰減，表明所述結構 具有強的光散射能力。這在技術上是有利的。
[0030] 圖4展示了一個實驗結果圖。實驗說明了樣品A和B光譜的總透射比（TT)和鏡 面透射比（TS)，樣品A為在具有種子層（如圖2描述）的玻璃基板上生長的ZnO納米棒陣 列，樣品B為商用于現有技術中背投屏幕由聚甲基丙烯酸甲酯制成的光學散射元件（散射 元件的尺寸約50μπι)。當紫外-可見光（UV-V)分光光度計（Shimadzu UV-3101PC)在使 用和不使用積分球時，分別進行實驗來說明總體和鏡面透射比（TT和TS，獨立地進行）。漫 透射率（TD)，即光通過散射通過屏幕，被定義為TD = TT-TS。霾系數（haze factor)，量化 樣品的光散射能力，被定義為TD/TT比值。ZnO納米棒/玻璃（樣品A)的TT和TS光譜如 圖4所示。作為參考，也描述了商用于現有技術的背投屏幕的結構化的PMMA(樣品B)的相 應光譜。結果表明在400-80011111波長范圍樣品六顯示1'1'在60%-80%范圍，并且非常低約 0.3%的TS。因此在400-800波長范圍內導致了約100%的霾系數。相反地，樣品B在相同 的波長范圍內顯示TT在60%-70%的范圍。但是，樣品B相對于樣品A具有更高的TS。因 此，霾系數從400nm的96%顯著降低到800nm的65%。上述結果表明，ZnO納米棒/玻璃 屏幕在可見光范圍具有更好的總透射比和顯著提高的散射能力。
[0031] 在一種實施方式中，寬帶隙的結構可以通過合成ZnO納米棒陣列來制造。ZnO納米 棒可以通過不同的方法來制備。上述不同的方法解釋如下 ：
[0032] a)化學浴沉積法（CBD):
[0033] 合成ZnO納米棒之前，使用丙酮、乙二醇和乙醇通過超聲依次清洗玻璃基板。然 后，使用少量（例如，一滴）乙酸鋅乙醇溶液（5. OmM)濕潤所述基板并在氮氣流中干燥。重 復該步驟3-5次以提供足夠乙酸鋅的層均勻覆蓋基板。接著在空氣中350°C加熱所述基板 20min已形成ZnO種子（ZnO seeds)層。接種的基板由支撐架（例如，橡膠支撐架）支撐， 垂直放置進充滿硝酸鋅水合物（25. OmM)、六亞甲基四胺（25. OmM)和聚乙烯亞胺（5. OmM)水 溶液的具有聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓釜，并在90°C保持6-12小時。最后，樣品從溶液 中取出，使用去離子水和乙醇洗滌，然后在空氣中干燥。圖2是通過這些過程制備的樣品的 SEM形態圖像。
[0034] b)化學蒸汽沉積法（CVD):
[0035] 要通過CVD生長ZnO納米棒陣列，石英/藍寶石基板首先要通過以8000rpm速度 以60s旋轉涂覆PR(AZ5206E)的薄層，然后在KKTC堅膜（hard-barking)處理lOmin。在 這個階段，RP層被轉變成無定形碳，它作為ZnO納米棒CVD生長的催化劑。ZnO納米棒陣列 的合成是在傳統三溫度區CVD系統下進行的。例如，將含有3g ZnO粉末的氧化鋁舟皿放置 在管式爐的中心。將基板放置在下方用于ZnO微米棒（NWs)的成核和生長。以50sccm流 速的氬氣和額外的〇. 5SCCm流速的氧氣作為載氣以促進反應。爐子被加熱至1100-1300°C， 并在真空條件下（l(T 2T〇rr)保持半小時。當溫度約為600-800°C時，發現生長在基板上的 ZnO微米棒（NWs)。
[0036] 值得注意的是，上述散射屏幕系統在技術上是有益的，其可以直接作為大面積背 投屏幕來使用，并且可以應用以拓寬各種屏幕和顯示器如LCD顯示屏和LED顯示器的視角。 它還可以被用在LED燈來形成均勻的照明。該散射系統是紫外線不透明的（防紫外線），因 此也可在所述裝置中被用作紫外線阻擋層。在功能上，根據本發明的散射系統擁有以下一 個或多個技術優點。
[0037] 1、從-90到90°的高效率散射。
[0038] 2、在可見光范圍減少反射和降低吸收。
[0039] 3、強大的光捕獲能力和由此帶來的可用于顯示和照明的高亮度（透明）。
[0040] 4、在生產意義上，容易將大面積基板的制備規模化。
[0041] 5、相比于現有技術的屏幕散射技術具有更低的成本。
[0042] 6、還具有紫外線不透明層的功能。
[0043] 7、可以應用于背投屏幕。
[0044] 8、可以應用于IXD和LED顯示器/顯示屏。
[0045] 9、能產生大面積和均勻的LED照明。
[0046] 應當理解的是，為了清楚本發明，本發明的一些特征在單獨的實施方式中描述了， 這些特也可以作為組合出現在單個實施方式中。相反地，為了簡便起見，本發明在單個的實 施方式中描述了本發明的多個特征，也可以單獨地或適當地進行子組合。值得注意的是，實 施方式中的一些特征采用非限制性的實施例進行說明。同時，本領域技術人員也會意識到 為了簡便起見，上述現有技術并沒有進行解釋。上述說明書提到的以下參考文獻在此以其 全部內容并入本文。
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【權利要求】
1. 一種屏辱散射系統，包括： a) 由透明基板形成基板層； b) 由OD，1D和3D元件制成的寬帶隙的材料形成散射層； 其中所述〇D，1D和3D元件以納米結構的形式均勻地排列在所述基板層上。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中所述寬帶隙的材料以納米結構陣列的形式布置。
3. 根據權利要求1所述的系統，其中所述基板層是為所述寬帶隙的材料的沉積配置 的，并且所述寬帶隙的材料為無機材料，所述無機材料選自包括玻璃、石英和藍寶石的組。
4. 根據權利要求1所述的系統，其中所述基板層是為所述寬帶隙的材料的沉積配置 的，并且所述寬帶隙的材料為柔性有機材料，所述柔性有機材料選自包括有機玻璃、耐熱玻 璃和聚甲基丙烯酸甲酯的組。
5. 根據權利要求2所述的系統，其中所述寬帶隙的材料選自211〇、1102、511〇2、6 &1并且 其中所述材料的帶隙值大于3. OeV。
6. 根據權利要求2所述的系統，其中所述納米結構陣列包括0D高密度元件、ID元件和 3D分層元件。
7. 根據權利要求6所述的系統，其中所述0D元件包括1D納米球，所述1D元件包括納 米線、納米帶和納米棒，并且所述3D分層元件包括納米樹和納米結構陣列。
8. 根據權利要求1所述的系統，其中所述系統是一個顯示系統如背投屏幕系統、LCD系 統或者LED系統。
9. 根據權利要求1所述的系統，其中所述系統是一個顯示裝置。
10. 根據權利要求9所述的系統，其中所述顯示裝置是LED燈或IXD燈。
11. 權利要求1所述的屏幕散射系統的制造方法。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中所述寬帶隙的材料的值至少為3. OeV。
13. 根據權利要求11所述的方法，包括使用選自下列組中的方法： a) 化學浴沉積法（CBD); b) 水熱法； c) 通過VLS和VS機制在有或沒有金屬催化劑的輔助下的化學蒸汽沉積法（CVD)，磁控 濺射法和 d) 金屬有機物化學氣相沉積法（M0CVD)。
14. 根據權利要求11所述的方法，包括一個由從散射元件的相同或不同材料形成種子 層（seeding layer)的步驟。
15. 根據權利要求13所述的方法，其中所述種子層是在合成所述散射層之前通過沉積 形成的。
16. 根據權利要求14所述的方法，其中所述種子層是通過化學浴沉積法（CBD)、水熱 法、化學蒸汽沉積法（CVD)、磁控濺射法或激光燒蝕方法沉積得到的。
【文檔編號】G03B21/56GK104216213SQ201410238917
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2013年5月30日
【發明者】張文軍, 魯湞湞, 汪浩, 李振聲 申請人:香港城市大學