CN115291468A - 表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布及制备方法，投影幕布包括：PET柔性基底；UV胶结构层；增益层，形成于UV胶结构层的下层，包括由多个间隔设置的凹形反射镜形成的微米级凹形反射镜阵列；疏水层，形成于UV胶结构层的上层，包括分别位于相邻的四个凹形反射镜的中心位置的多个纳米级立柱状超疏水结构。制备方法包括采用亚微米3D灰度光刻技术将投影幕布微纳结构特征制备到光刻胶上；基于光刻胶模板经过二次倒模、自动拼接等制备出未镀反射层的大幅面投影幕布；最后在无反射层的投影幕布表面通过热蒸发工艺镀金属银层作为反射层。本发明的增益层和疏水层结构使投影幕布具有161.5°的水滴接触角、2.6°的水滴滚动角、增益倍数达到2.34。

Description

表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布及其制备方法

技术领域

本发明属于投影幕布制备技术领域，具体涉及一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布以及该表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布的制备方法。

背景技术

投影幕布是一种使用场景丰富、应用广泛的商业产品，然而其使用仍然受到一些限制。例如，传统投影幕布的抗光能力弱，增益效果较低，导致其成像效果较差；传统投影幕布需要刚性支撑，不能弯曲折叠过多；此外，许多投影幕布应用在潮湿或室外空气等容易污染的环境中，雨滴、露水等水滴和灰尘积聚在这些光学设备的表面会严重削弱其光学性能，经常用清洁这些污染物可能会损坏其表面，甚至导致其寿命缩短。

微米级凹形反射镜阵列是一种重要的光学元件，由于其体积小、集成度高、光学性能优异，被广泛应用于各种微光***中；此外，受到荷叶、猪笼草等自然界动植物表面疏水性能启发，疏水微纳结构引起了人们的广泛关注。因此，将微米级凹形反射镜阵列和仿生微纳疏水结构应用到投影幕布中，并制造出具有优异光学性能和显著防水性能的投影幕布是一大趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布以及该表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布的制备方法，利用微形凹反射镜阵列和纳米级立柱状超疏水结构设计并制备出柔性投影幕布，使投影幕布具有柔性弯曲、不易凝结水滴、自清洁灰尘等优点，提高了投影幕布增益效果及亮度，扩展了投影幕布的使用场景。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，包括：

PET柔性基底；

UV胶结构层，形成于所述PET柔性基底的表面；

增益层，形成于所述UV胶结构层的下层，包括由多个间隔设置的凹形反射镜形成的微米级凹形反射镜阵列；

疏水层，形成于UV胶结构层的上层，包括分别位于相邻的四个所述凹形反射镜的中心位置的多个纳米级立柱状超疏水结构。

较佳地，位于内部的所述凹形反射镜与其相邻的所述凹形反射镜之间的间隔为10um-20um；和/或，所述凹形反射镜的尺寸参数满足：口径为80um-90um，深度为8um-12um。

较佳地，每个所述纳米级立柱状超疏水结构分别包括一个大立柱和均匀设置在所述大立柱的顶面上的中心和周围区域的五个小立柱。

较佳地，所述纳米级立柱状超疏水结构的大立柱的直径为10-20um，高度为4-6um；五个小立柱直径为2-4um，高度为4-6um。

较佳地，相邻的所述凹形反射镜和纳米级立柱状超疏水结构的的尺寸参数满足：总宽度不大于100um，总高度不大于24um。

一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，用于制备上述任意方案的的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，所述制备方法包括以下步骤：

采用亚微米3D灰度光刻技术将与投影幕布结构特征一致的微米级凹形反射镜阵列和纳米级立柱状超疏水结构制备到光刻胶层上，得到光刻胶复制件；

基于所述光刻胶复制件制备得到PET-UV胶反结构模具；

将所述PET-UV胶反结构模具的结构特征转印至PET-UV胶上，并通过自动拼接得到大幅面超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列；

在无反射层的投影幕布表面通过热蒸发工艺镀金属银层作为反射层，从而制备得到表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。

较佳地，所述采用亚微米3D灰度光刻技术将与投影幕布结构特征一致的微米级凹形反射镜阵列和纳米级立柱状超疏水结构制备到光刻胶层上，得到光刻胶复制件的步骤包括：

1)在玻璃基本上匀涂光刻胶，离心速度为450rpm，离心时间20s，并静止40min；

2)将光刻胶放置在90℃热板上，加热50min；

3)将前烘后的光刻胶放置在亚微米3D灰度光刻机中，并对其进行图案化曝光；

4)将曝光后的光刻胶进行显影，并进行烘烤，烘烤时间15s，即得到所述光刻胶复制件。

较佳地，所述基于所述光刻胶复制件制备得到PET-UV胶反结构模具的步骤包括：

1)将PET基材上涂抹UV胶，得到PET-UV胶；

2)将光刻胶复制件放在制备好的PET-UV胶上；

3)对其进行紫外线曝光，得到PET-UV胶反结构模具。

较佳地，所述将所述PET-UV胶反结构模具的结构特征转印至PET-UV胶上，并通过自动拼接得到大幅面超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列的步骤包括：

1)将PET-UV胶反结构模具放置在自动拼接机的指定位置；

2)在长度为1m，宽度为0.8m的PET基材上涂抹UV胶；

3)设置压胶厚度为结构层总厚度；

4)设置拼接精度为1um，启动设备；

5)曝光，制备得到所述超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列。

较佳地，所述在无反射层的投影幕布表面通过热蒸发工艺镀金属银层作为反射层的步骤包括：

1)将超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列、靶材银放入热压室规定位置；

2)抽真空，真空度达到5×10^-4Pa；

3)通电后缓慢升温至银丝蒸发，镀银层过程持续时间为50s；

4)取出样品后静置5h，即制备得到表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，由PET柔性材料和UV胶结构层作为基底并在其上面成功地制备了所需的微纳米结构，具体是在PET柔性基底上形成UV胶结构层并且在UV胶结构层内构建了多层微纳米结构，即下层的微米级凹形反射镜阵列和上层的纳米级立柱状超疏水结构，利用了微米级凹形反射镜阵列优异的光学性能和纳米级立柱状结构的超疏水性能，使投影幕布具有柔性弯曲、不易凝结水滴、自清洁灰尘等优点，克服了现有的一般投影幕布存在的增益倍数低、不能柔性弯曲、易凝结水滴、易被灰尘污染等缺陷，提高了投影幕布增益效果及亮度，扩展了投影幕布的使用场景。

另外，本发明的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，首先采用亚微米3D灰度光刻技术只通过一次光刻曝光即可将投影幕布表面的凹形反射镜阵列和立柱状超疏水结构制备到光刻胶上而不需要多余的步骤，并且在光刻过程中，通过计算光刻的光学成像反演模型得到的曝光参数可将结构特征的误差控制较小范围内。与现有飞秒激光、微刻蚀等加工方法相比，具备结构设计多样、材料选择灵活、能够高效率低成本大幅面地大规模生产；然后，在PET材料上涂抹UV胶，并将光刻胶复制件放在其上，经过紫外线曝光即可制备得到PET-UV胶反结构模具；进一步，对将PET-UV胶反结构模具的结构特征转印至PET-UV胶上，并通过自动拼接得到大幅面超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列；最后，无反射层的投影幕布表面通过热蒸发工艺镀金属银层作为反射层，从而制备出表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。

附图说明

图1是本发明的实施例中表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布的结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是本发明的实施例中表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布的局部结构的主视图。

图4是图3的侧视图。

图5是本发明的实施例中表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法的流程图。

其中，10—PET柔性基底20—UV胶结构层30—增益层31—纳米级立柱状超疏水结构41—凹形反射镜411—大立柱412—小立柱

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明。

如附图1至图4所示，本实施例公开了一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，包括：PET柔性基底10、UV胶结构层20、增益层30以及疏水层40。

20以及多个纳米级立柱状超疏水结构30。

在本实施例中，由于UV胶结构层20较硬，将PET柔性基底10作为UV胶结构层20的底托，即UV胶结构层20紧密贴合在PET柔性基底10上，能够起到对UV胶结构层20的柔性作用，因此，制备得到的投影幕布也具有柔性优点。具体地，可按照实际需求或实验条件设计PET柔性基底和UV胶结构层20的大小或尺寸。

增益层30形成于UV胶结构层20的下层内，包括由多个间隔设置的凹形反射镜31形成的微米级凹形反射镜阵列。这里，凹形反射镜31同样为微米级结构，而且所有的凹形反射镜31的结构与尺寸均相同设置。

疏水层40形成于UV胶结构层20的上层内，包括分别位于相邻的四个凹形反射镜31的中心位置的多个纳米级立柱状超疏水结构41。具体地，每个纳米级立柱状超疏水结构41分别包括一个大立柱411和均匀设置在所述大立柱411的顶面上的中心和周围区域的五个小立柱412。这里，五个小立柱412的尺寸可以根据实际需要进行设置，可以完全相同，也可以不完全相同。在一具体实施方式中，可以将五个小立柱412设置为具有相同的宽度和高度尺寸。

基于上述结构，本实施例的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，由PET柔性材料和UV胶结构层作为基底并在其上面成功地制备了所需的微纳米结构，具体是在PET柔性基底上形成UV胶结构层并且在UV胶结构层内构建了多层微纳米结构，即下层的微米级凹形反射镜阵列和上层的纳米级立柱状超疏水结构，利用了微米级凹形反射镜阵列优异的光学性能和纳米级立柱状结构的超疏水性能，使投影幕布具有柔性弯曲、不易凝结水滴、自清洁灰尘等优点，克服了现有的一般投影幕布存在的增益倍数低、不能柔性弯曲、易凝结水滴、易被灰尘污染等缺陷，提高了投影幕布增益效果及亮度，扩展了投影幕布的使用场景。

在另一实施例中，作为一具体实施方式，构成微米级凹形反射镜阵列的多个凹形反射镜31之间，位于内部的凹形反射镜31与其相邻的凹形反射镜31之间的间隔可以设置为10um-20um，也就是说，每个凹形反射镜31与其上下左右四个方向的凹形反射镜31之间的间隔可以设置为10um-20um。另外，单个凹形反射镜31的尺寸参数可以设置为满足如下范围值，即凹形反射镜31的口径为80um-90um，且其深度为8um-12um。

在另一实施例中，作为一具体实施方式，单个纳米级立柱状超疏水结构41中，大立柱的直径为10-20um，高度为4-6um；五个小立柱直径为2-4um，高度为4-6um。

在另一实施例中，作为一具体实施方式，相邻的凹形反射镜31和纳米级立柱状超疏水结构41的整体尺寸参数还可以满足如下设置即可，即二者的总宽度不大于100um，且总高度不大于24um。

基于上述凹形反射镜31和纳米级立柱状超疏水结构41的尺寸参数的设置范围，最优地，可以将相邻两个凹形反射镜31之间的间隔设置为15um，单个凹形反射镜31的口径为85um、深度为10um。另外，纳米级立柱状超疏水结构41的大立柱411的宽度(即整体的宽度)为15um、高度为1um，并且，小立柱412的宽度为3um、高度为5um。通过该尺寸设置，使具有该结构的柔性投影幕布的疏水性能、自清洁性能以及增益性能等都可达到最优设计。

在另一实施例中，如图2所示，还提供了一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，用于制备上述方案的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。具体的制备方法包括以下步骤：

步骤S1：采用亚微米3D灰度光刻技术将与投影幕布结构特征一致的微米级凹形反射镜阵列和纳米级立柱状超疏水结构制备到光刻胶层上，得到光刻胶复制件。该步骤的具体制备过程包括：

1)在玻璃基本上匀涂光刻胶，离心速度为500rpm，离心时间30s，并静止20min；

2)将光刻胶放置在90℃热板上，放置50min；

3)将前烘后的光刻胶放置在亚微米3D灰度光刻机中，并对其进行图案化曝光；

4)将曝光后的光刻胶进行显影，并进行烘烤，烘烤时间15s，即得到光刻胶复制件。

在光刻胶复制件的制备过程中，由亚微米3D灰度光刻技术只通过一次光刻曝光就可形成微米级凹形反射镜阵列、纳米级立柱状超疏水结构组成的多层微纳米结构。并且，通过计算光刻的光学成像反演模型得到的曝光参数可将结构特征误差控制在0.56nm以内，通过有限次的实验，计算光刻的光学成像反演模型可得到与结构特征一一对应的曝光剂量，并且根据微米级凹形反射镜阵列和纳米级立柱状超疏水结构的具体结构实时匹配控制光刻机的频率，从而对结构特征进行精确地控制。而不需再加上其它微纳加工方法来实现多层微纳米结构，大大提高了制备效率的同时降低了加工成本。

然后，进行步骤S2：基于所述光刻胶复制件制备得到PET-UV胶反结构模具。该步骤的具体制备过程包括：

1)将PET基材上涂抹UV胶，得到PET-UV胶；

2)将光刻胶复制件放在制备好的PET-UV胶上；

3)对其进行紫外线曝光，得到PET-UV胶反结构模具。

然后，进行步骤S3：将所述PET-UV胶反结构模具的结构特征转印至PET-UV胶上，并通过自动拼接得到大幅面超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列。该步骤的具体制备过程包括：

1)将PET-UV胶反结构模具放置在自动拼接机的指定位置；

2)在长度为1m，宽度为0.8m的PET基材上涂抹UV胶；

3)设置压胶厚度为结构层总厚度；

4)设置拼接精度为1um，启动设备；

5)曝光，制备得到所述超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列。

然后，进行步骤S4：在无反射层的投影幕布表面通过热蒸发工艺镀金属银层作为反射层，从而制备得到表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。该步骤的具体制备过程包括：

1)将超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列、靶材银放入热压室规定位置；

2)抽真空，真空度达到5×10^-4Pa；

3)通电后缓慢升温至银丝蒸发，镀银层过程持续时间为50s；

4)取出样品后静置5h，即制备得到表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。

本实施例的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，首先采用亚微米3D灰度光刻技术只通过一次光刻曝光即可将表面具有多层规则微纳纹理投影幕布的增益层及疏水层结构特征制备到光刻胶上，并且在光刻过程中，通过计算光刻的光学成像反演模型得到的曝光参数可将结构特征的误差控制较小范围内；然后，在PET材料上涂抹UV胶，并将光刻胶复制件放在其上，经过紫外线曝光即可制备得到PET-UV胶反结构模具；进一步，对将PET-UV胶反结构模具的结构特征转印至PET-UV胶上，并通过自动拼接得到大幅面超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列；最后，无反射层的投影幕布表面通过热蒸发工艺镀金属银层作为反射层，从而制备出表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。

基于上述结构的柔性投影幕布，分别进行疏水性能试验以及光学性能试验来验证效果，具体如下：

1.疏水性能实验

在制备好的柔性投影幕布表面上滴2ul水滴，并迅速放置在冷冻电镜样品台上开始拍摄，对拍摄到的水滴和超疏水投影幕布表面接触情况进行图像分析，发现在微纳结构表面，空气与水滴占比为9.63：0.37，说明空气把水滴很好地支撑起来了。

另外，在制备好的柔性投影幕布表面上滴2ul水滴，并迅速放置在KRUSS-DSA100L液滴形状分析仪样品台上开始拍摄，在仪器软件内选择座滴法进行分析，得到水滴接触角为161.5°(三次取平均值)，与没有疏水微纳结构的表面对比(接触角为105°)，接触角提高了48.7°；对样品台进行匀速缓慢倾斜，高速摄像机实时拍摄，得到液滴滑落前后瞬间的画面，分析得到其水滴滚动角为2.6°(三次取平均值)没有疏水微纳结构的表面，水滴不能滚动。

2.光学性能实验：

将制备好的柔性投影幕布竖立放置在平整的白墙上，左右两侧45°放置LabshpereKI-120的准直光源，正前方放置Photo-Research公司PR-705辐射分光光度计进行测量，得到其光反射率为121％，采用CIE标准算得增益倍数为2.34，没有增益微纳结构的幕布，反射率为63％，增益倍数为0.57。

通过以上试验数据可知，本发明的柔性投影幕布，以PET柔性基底和UV胶结构层为基础，使投影幕布具有柔性弯曲的优点。而且，通过在UV胶结构层的下层形成微米级凹形反射镜阵列，并且对反射镜的尺寸和间隔进行必要设置，提高了增益效果及亮度，从而扩展其使用场景。另外，通过在UV胶结构层的上层并且对应于相邻的四个反射镜之间区域的中心位置分别形成纳米级立柱疏水结构，并且纳米级立柱疏水结构由一个大立柱和设置在大立柱上的五个小立柱构成，通过依次叠放设置的大立柱和小立柱形成的疏水结构，当投影幕布表面附着水滴时，能够使空气将水滴友好支撑起来，从而使投影幕布具有不易凝结水滴、自清洁灰尘的优点。

本发明的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，其特征在于，包括：

PET柔性基底；

UV胶结构层，形成于所述PET柔性基底的表面；

增益层，形成于所述UV胶结构层的下层，包括由多个间隔设置的凹形反射镜形成的微米级凹形反射镜阵列；

疏水层，形成于UV胶结构层的上层，包括分别位于相邻的四个所述凹形反射镜的中心位置的多个纳米级立柱状超疏水结构。

2.根据权利要求1所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，其特征在于：

位于内部的所述凹形反射镜与其相邻的所述凹形反射镜之间的间隔为10um-20um；和/或，所述凹形反射镜的尺寸参数满足：口径为80um-90um，深度为8um-12um。

3.根据权利要求1所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，其特征在于：

每个所述纳米级立柱状超疏水结构分别包括一个大立柱和均匀设置在所述大立柱的顶面上的中心和周围区域的五个小立柱。

4.根据权利要求3所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，其特征在于：

所述纳米级立柱状超疏水结构的大立柱的直径为10-20um，高度为4-6um；五个小立柱直径为2-4um，高度为4-6um。

5.根据权利要求1至4任一项所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，其特征在于：

相邻的所述凹形反射镜和纳米级立柱状超疏水结构的的尺寸参数满足：总宽度不大于100um，总高度不大于24um。

6.一种表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，用于制备权利要求1至6任一项所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

采用亚微米3D灰度光刻技术将与投影幕布结构特征一致的微米级凹形反射镜阵列和纳米级立柱状超疏水结构制备到光刻胶层上，得到光刻胶复制件；

基于所述光刻胶复制件制备得到PET-UV胶反结构模具；

将所述PET-UV胶反结构模具的结构特征转印至PET-UV胶上，并通过自动拼接得到大幅面超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列；

在无反射层的投影幕布表面通过热蒸发工艺镀金属银层作为反射层，从而制备得到表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。

7.根据权利要求6所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，其特征在于，所述采用亚微米3D灰度光刻技术将与投影幕布结构特征一致的微米级凹形反射镜阵列和纳米级立柱状超疏水结构制备到光刻胶层上，得到光刻胶复制件的步骤包括：

1)在玻璃基本上匀涂光刻胶，离心速度为450rpm，离心时间20s，并静止40min；

2)将光刻胶放置在90℃热板上，加热50min；

3)将前烘后的光刻胶放置在亚微米3D灰度光刻机中，并对其进行图案化曝光；

4)将曝光后的光刻胶进行显影，并进行烘烤，烘烤时间15s，即得到所述光刻胶复制件。

8.根据权利要求6所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，其特征在于，所述基于所述光刻胶复制件制备得到PET-UV胶反结构模具的步骤包括：

1)将PET基材上涂抹UV胶，得到PET-UV胶；

2)将光刻胶复制件放在制备好的PET-UV胶上；

3)对其进行紫外线曝光，得到PET-UV胶反结构模具。

9.根据权利要求6所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，其特征在于，所述将所述PET-UV胶反结构模具的结构特征转印至PET-UV胶上，并通过自动拼接得到大幅面超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列的步骤包括：

1)将PET-UV胶反结构模具放置在自动拼接机的指定位置；

2)在长度为1m，宽度为0.8m的PET基材上涂抹UV胶；

3)设置压胶厚度为结构层总厚度；

4)设置拼接精度为1um，启动设备；

5)曝光，制备得到所述超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列。

10.根据权利要求6所述的表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布制备方法，其特征在于，所述在无反射层的投影幕布表面通过热蒸发工艺镀金属银层作为反射层的步骤包括：

1)将超疏水自清洁柔性微米级凹形透镜阵列、靶材银放入热压室规定位置；

2)抽真空，真空度达到5×10^-4Pa；

3)通电后缓慢升温至银丝蒸发，镀银层过程持续时间为50s；

4)取出样品后静置5h，即制备得到表面具有多层规则微纳纹理的投影幕布。

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