基于介质颗粒三重强定向散射的透明显示屏制备工艺

本发明属于透明显示，具体涉及一种基于介质颗粒三重强定向散射的透明显示屏制备工艺。

背景技术：

1、透明显示技术因具有透明的显示面板这一特性，使得信息更加直观、丰富和智能，可用作平视显示（head-up display，hud），头戴式投影显示及适用于建筑窗户与商店橱窗上的悬浮显示等，越来越受到人们的关注，逐渐成为当代显示技术发展的趋势。而hud（平视显示）基于光学反射原理，将飞行和驾驶相关的信息投射到透明显示屏上并与hud显示的信息融合。对于改善飞机的飞行品质，提高飞机的作战效能、可靠性，保障飞行人员与乘客的安全等方面具有极其重要的作用。同时根据《中国汽车hud行业研究与未来预测报告（2020版）》显示：民用汽车hud需求量日益上升，未来市场空间潜力巨大，应用前景广阔。美国市调机构displaybank在《透明显示器技术与市场展望》报告中也曾预测，到2025年透明显示的市场产值约为872亿美元。目前市面上的hud系统面临观察角度窄，透明度和信号光亮度低等缺陷，如何高效地优化这些问题引起了人们的广泛关注。

2、目前基于透明基体的投射式透明显示器，在观察角度，透明度和信号光亮度、彩色显示等方面还存在很大的改善空间。窄的视角限制了观察者的位置，人们为了展宽视角，常用的方法是采用漫反射屏，并对视角的展宽起到很好的效果。但是由于漫反射屏对光的散射没有波长选择性和方向性，这一方法会造成屏的透明度极度下降。金属纳米结构支持的局域等离激元（lsp）共振模式，能够把光局域到亚波长的尺寸，因而可以波长选择性地增强光散射，在提高透明显示性能方面的有较大的优势。近几年，美国麻省理工大学的hsu等人[12]利用支持lsp共振银球颗粒实现了高对比度的透明蓝光显示。日本东京大学的saito等人利用银纳米立方颗粒的sp共振和tio2衬底之间的相互作用获得的两个散射峰，实验上实现了透明蓝、绿色显示；新加坡南洋理工大学的ye等人利用ag@tio2核壳结构的sp共振实现了透明绿光显示。但是目前基于等离激元纳米颗粒的透明显示技术，主要关注于颗粒的sp共振性能优化方面，并且较难在同一结构中同时实现红绿蓝（rgb）三波段的窄带强散射，从而满足高饱和度彩色透明显示的应用。

3、金属及介质纳米结构中的mie电磁共振模式及其之间的相互作用呈现出的fano共振和定向散射特性，能进一步提高散射峰值，丰富光散射性能，将在提高透明显示性能方面发挥更大的优势。早在1983年，kerker等人提出当磁性颗粒的相对介电常数 ε和磁导率 μ满足一定的条件时，颗粒支持的同阶电磁mie系数相等且将同相位或反相位震荡，使得背向散射为零（第一kerker条件）或前向散射为零（第二kerker条件），为定向散射的研究做出了重要的理论指导，但是由于光学波段磁性材料的缺乏，使得人们在很多年并没有在实验实现定向散射。近年来，随着高介电材料能够支持磁共振的研究不断深入，研究者利用高介电材料通过满足kerker条件，实现了不同波段的零背向散射。除了利用kerker条件以外，本技术人研究组提出基于多阶电磁模式相互作用也能实现零背向或接近于零的前向散射。tsuchimoto等人实验说明了si@sio2核壳结构中由fano共振诱导的零背向散射。最近研究者还通过电、磁极子之间的fano干涉实现了背向和前向散射的同时压制。但是要实现彩色透明显示的应用，必须在红、绿、蓝波段构建三重定向散射，然而目前构建可见光波段的定向散射，大多利用电偶极和磁偶极模式的非共振干涉，因此定向散射强度得不到明显提高。而基于金属-高介电纳米核壳结构中电偶极和磁偶极共振干涉的零背向散射，虽然有较强的前向散射，但线宽较宽，且发生在红外波段无法实现透明显示的应用。另外，在同一个结构中实现rgb三重强定向散射也存在一定的挑战。因此如何设计结构使得其在红、绿、蓝波段具有三重强定向散射，则将在提高透明显示性能方面发挥重要的作用，但目前并未检索到有关利用纳米结构定向散射提高透明显示性能的相关报导。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种工艺简单、成本低、透明显示效果好、更容易产业化生产的基于介质颗粒三重强定向散射的透明显示屏制备工艺。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于介质颗粒三重强定向散射的透明显示屏制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

3、（1）将透明基体材料和介质球颗粒放入混料机中混料；

4、（2）将混好的料放入干燥箱中干燥，去除水分；

5、（3）将混合均匀并干燥好的料放入流延机中进行拉膜，保证拉出的膜厚不超过0.1mm。

6、进一步的，透明基体材料采用pva（聚乙烯醇）、pet（聚对苯二甲酸类塑料）、petg/pmma（透明塑料/聚甲基丙稀酸甲酯）等透明有机物材料。

7、进一步的，介质球颗粒为sic、tio2或介电常数性能相近的其它材料的一种或多种。

8、进一步的，步骤（1）中使用混料机混料时，所使用的介质颗粒和透明基体材料的质量比为：1:4000～1:500，根据不同的场景需求对所述的质量比进行调整；混料时间不低于2小时。

9、进一步的，步骤（2）中干燥箱的干燥温度不超过透明有机物材料的熔点，干燥时间不低于2小时。

10、进一步的，步骤（3）中流延机在拉膜过程中温度应高于透明有机物材料的熔点30°c左右，膜厚不超过0.1mm。

11、进一步的，介质球颗粒在设计优化时，介质的介电常数来自实验数据；同时满足在红、绿、蓝光波段支持三重强定向散射，用于提高彩色透明显示屏性能。例如sic的介电常数来自实验数据[s. singh, j. r. potopowicz, l. g. van uitert and s. h. wemple.nonlinear optical properties of hexagonal silicon carbide, appl. phys. lett.19, 53 (1971)],tio2的介电常数来自实验数据[j. r. devore. refractive indices ofrutile and sphalerite, j. opt. soc. am. 41, 416-419 (1951)]。

12、进一步的，介质球颗粒采用sic材料，通过mie散射理论选出合适的半径，以半径175nm为例，能够实现蓝光波段的前向散射峰波长为 λ=454nm，使得和垂直于透明显示屏方向夹角为-30°到+30°范围的前向散射效率均大于10；实现绿光波段的前向散射峰波长为 λ=532nm，使得和垂直于透明显示屏方向夹角为-30°到+30°范围的前向散射效率均大于10；红光波段的前向散射峰波长为λ=640nm，使得和垂直于透明显示屏方向夹角为-40°到+40°范围的前向散射效率均大于10。

13、进一步的，介质球颗粒采用tio2材料，半径优选为175nm，能够实现蓝光波段的前向散射峰波长为λ=450nm，能使得大部分光集中在和垂直于透明显示屏方向夹角为-30°到+30°范围的前向散射方向；实现绿光波段的前向散射峰波长为λ=532nm，能使得大部分光集中在和垂直于透明显示屏方向夹角为-30°到+30°范围的前向散射方向；红光波段的前向散射峰波长为λ=640nm，能使得大部分光集中在和垂直于透明显示屏方向夹角为-40°到+40°范围的前向散射方向。

14、进一步的，所述的透明显示屏一侧表面设有粘黏层，粘黏层表面设有一层离型膜，离型膜表面设有一层防刮膜，透明显示膜与粘黏层的连接采用涂布复合设备热熔胶喷挤涂布方式。

15、采用上述技术方案，金属及介质纳米结构中的mie电磁共振模式及其之间的相互作用呈现出定向散射特性，能进一步提高某些方向的散射峰值，丰富光散射性能，将在提高透明显示性能方面发挥更大的优势。但是要实现彩色透明显示的应用，必须在红、绿、蓝波段构建三重定向散射，然而目前构建可见光波段的定向散射，大多利用电偶极和磁偶极模式的非共振干涉，因此定向散射强度得不到明显提高。而基于金属-高介电纳米核壳结构中电偶极和磁偶极共振干涉的零背向散射，虽然有较强的前向散射，但线宽较宽，且发生在红外波段无法实现透明显示的应用。另外，在同一个结构中实现rgb三重强定向散射也存在一定的挑战。因此如何寻找合适的材料和结构，充分利用多阶电磁模式的相互作用，实现rgb三重强定向散射，可为实现透明显示器的透明度，信号光亮度，色彩饱和度的同时提高提供新机制和新方法。

16、基于以上构思，本发明提出一种基于介质颗粒三重强定向散射的新型彩色透明显示屏的制备工艺，透明显示屏包含透明基体材料和介质纳米颗粒。当投影仪投射到所示的透明显示屏上，由于介质颗粒的存在，会将投影光散射到人眼睛里，从而人们就可以看到屏幕上的图像。本发明所示的透明显示屏在背投方面（观察方和投影仪分别在屏幕的两侧为背投，在同侧为正投）有很好的效果，介质球颗粒优选形状为球形，因为球形对光偏振不敏感，并且可以用mie散射理论对其散射谱和每阶电磁模式的贡献进行解析求解。

17、基于mie散射理论,对介质球纳米结构的散射效率进行解析计算。计算过程中，介质颗粒的介电常数可从已经报导的文献中找到，或者直接用介电常数测试仪测得。本发明中sic采用的介电常数来自实验数据[s. singh, j. r. potopowicz, l. g. van uitertand s. h. wemple. nonlinear optical properties of hexagonal silicon carbide,appl. phys. lett. 19, 53 (1971)],tio2的介电常数来自实验数据[j. r. devore.refractive indices of rutile and sphalerite, j. opt. soc. am. 41, 416-419(1951)]获得。

18、本发明提供的彩色透明显示屏的机理是介质颗粒的三重强定向散射，能够在简单的介质球颗粒中同时实现红绿蓝三波段的高前向散射特性，因此可以将光大部分局域到显示屏的一侧，比报导的仅支持单个lsp共振的纳米结构在显示亮度和彩色显示方面都有明显的提升；另外本发明提供的制备方法比起传统的液相干燥成膜法能节省时间并不受模具限制，能够较方便快速地制备出大面积、柔性可转移的透明显示屏。透明显示屏厚度可控制在0.1mm以下，为基于介质颗粒强定向散射的透明显示屏的制备提供了一种新思路和新方法，有很大的应用前景。