專利名稱：偏光元件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件及其制備方法，尤其涉及一種偏光元件及其制備方法。
背景技術(shù)：
偏光元件是一種重要的光學(xué)器件，被廣泛應(yīng)用于太陽鏡和液晶顯示器中?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的一種偏光元件，可吸收一個(gè)偏振態(tài)的光，而另一偏振態(tài)的光則通過偏光元件。此種偏光元件通常采用這樣一種方法制得將二向色性分子溶于或吸收在高分子物質(zhì)中，如聚乙烯醇，并將所得薄膜以一個(gè)方向拉伸配列二向色性分子。這時(shí)，二向色性分子沿著拉伸方向有規(guī)則排列起來，形成一條長鏈。在入射光波中，光振動(dòng)方向平行于長鏈方向的被吸收， 垂直于長鏈方向的能透過，所以透射光成為線偏振光。此種偏光元件也可以通過將二向色性分子吸收在單軸拉伸的聚合物膜上的方法來生產(chǎn)。由于此種偏光元件的制造需要將二向色性分子結(jié)合高分子聚合物作為偏光膜，制備過程較為復(fù)雜。而應(yīng)用高分子聚合物作為偏光膜的偏光元件于50°C以上使用一段時(shí)間后，偏光膜的偏光率減少，甚至失去偏光作用。而且此類偏光元件對(duì)濕度要求也較高，一旦工作環(huán)境惡劣，濕度大，偏光元件將失去偏光作用。另外，現(xiàn)有的偏光元件一般只對(duì)某一波段的電磁波(如微波、紅外光、可見光、紫外光等)具有良好的偏振性能，無法對(duì)各種波長的電磁波有均一的偏振吸收特性。因此，確有必要提供一種對(duì)各種波長的電磁波均具有良好的偏振性能的偏光元件及其制備方法，該偏光元件制備簡單，且在高溫、高濕環(huán)境中也能具有良好的偏光作用。

發(fā)明內(nèi)容
—種偏光元件的制備方法，其包括以下步驟 提供一支撐體；
提供至少一層碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列，該碳納米管薄膜為從一碳納米管陣列中選定多個(gè)碳納米管束，沿基本垂直于碳納米管生長的方向拉伸該多個(gè)碳納米管束，形成的連續(xù)的碳納米管薄膜；以及
將上述碳納米管薄膜粘附固定于上述支撐體形成偏光元件，其特征在于，上述碳納米管陣列的制備方法包括以下步驟 提供一平整基底； 在基底表面均勻形成一催化劑層；
將上述形成有催化劑層的基底在70(T900°C的空氣中退火約30分鐘 90分鐘；以及將處理過的基底置于反應(yīng)爐中，在保護(hù)氣體環(huán)境下加熱到50(T740°C，然后通入碳源氣反應(yīng)約5 30分鐘，生長得到高度為20(Γ400微米的碳納米管陣列。
一種偏光元件，其包括一支撐體和一由支撐體支撐的偏光膜，其特征在于該偏光膜為至少一層碳納米管薄膜，該至少一層碳納米管薄膜中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列。相較于現(xiàn)有技術(shù)，所述的偏光元件采用多層碳納米管薄膜作為偏振膜，由于碳納米管具有高溫的熱穩(wěn)定性，對(duì)于各種波長的電磁波有均一的吸收特性，故本發(fā)明的偏光元件對(duì)于各種波長的電磁波有均一的偏振吸收性能，具有廣泛的應(yīng)有范圍。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例偏光元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例偏光元件的制備方法的流程圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例有機(jī)溶劑處理前的偏光元件的掃描電鏡照片。圖4為本發(fā)明實(shí)施例有機(jī)溶劑處理后的偏光元件的掃描電鏡照片。圖5為本發(fā)明實(shí)施例采用不同層數(shù)的碳納米管薄膜的偏光元件在各波長下的偏振度對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明提供一種偏光元件10，該偏光元件10包括一支撐體12和一由支撐體12支撐的碳納米管薄膜14。該支撐體12可為一固定框架或一透明基板。該碳納米管薄膜14直接粘附于固定框架或透明基板表面作為偏光膜。該碳納米管薄膜14可為一層或堆疊的多層薄膜結(jié)構(gòu)。每層碳納米管薄膜14為多個(gè)首尾相連的碳納米管束以擇優(yōu)取向排列形成的薄膜結(jié)構(gòu)。當(dāng)該碳納米管薄膜14為多層時(shí)，該碳納米管薄膜14中碳納米管束基本沿同一方向定向排列。本發(fā)明實(shí)施例中該碳納米管薄膜14的寬度可為IcnTlOcm，該碳納米管薄膜14的厚度為0.0Γ100微米。本發(fā)明實(shí)施例偏光元件10的偏振吸收性能和碳納米管薄膜14的層數(shù)有關(guān)，碳納米管薄膜14層數(shù)越多，該偏光元件10的偏振性能越好。由于碳納米管對(duì)電磁波的吸收接近絕對(duì)黑體，碳納米管對(duì)于各種波長的電磁波均有均一的吸收特性，故本發(fā)明的偏光元件10對(duì)于各種波長的電磁波也有均一的偏振吸收性能。當(dāng)光波入射時(shí)，振動(dòng)方向平行于碳納米管束長度方向的光被吸收，垂直于碳納米管束長度方向的光能透過，所以透射光成為線偏振光。請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明實(shí)施例偏光元件10的制備方法主要包括以下幾個(gè)步驟 步驟一提供一碳納米管陣列，優(yōu)選地，該陣列為超順排碳納米管陣列。本實(shí)施例中，超順排碳納米管陣列的制備方法采用化學(xué)氣相沉積法，其具體步驟包括(a)提供一平整基底，該基底可選用P型或N型硅基底，或選用形成有氧化層的硅基底，本實(shí)施例優(yōu)選為采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的基底在70(T900°C的空氣中退火約30分鐘 90分鐘；(d)將處理過的基底置于反應(yīng)爐中，在保護(hù)氣體環(huán)境下加熱到50(T74(TC，然后通入碳源氣體反應(yīng)約5 30分鐘，生長得到超順排碳納米管陣列，其高度為20(Γ400微米。該超順排碳納米管陣列為多個(gè)彼此平行且垂
5直于基底生長的碳納米管形成的純碳納米管陣列。通過上述控制生長條件，該超順排碳納米管陣列中基本不含有雜質(zhì)，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該碳納米管陣列中的碳納米管彼此通過范德華力緊密接觸形成陣列。本實(shí)施例中碳源氣可選用乙炔等化學(xué)性質(zhì)較活潑的碳?xì)浠衔?，保護(hù)氣體可選用氮?dú)狻睔饣蚨栊詺怏w。步驟二 采用一拉伸工具從碳納米管陣列中拉取獲得至少一碳納米管薄膜。該碳納米管薄膜的制備具體包括以下步驟(a)從上述碳納米管陣列中選定一定寬度的多個(gè)碳納米管片斷，本實(shí)施例優(yōu)選為采用具有一定寬度的膠帶接觸碳納米管陣列以選定一定寬度的多個(gè)碳納米管束；(b)以一定速度沿基本垂直于碳納米管陣列生長方向拉伸多個(gè)該碳納米管束，以形成一連續(xù)的碳納米管薄膜。在上述拉伸過程中，該多個(gè)碳納米管束在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時(shí)，由于范德華力作用，該選定的多個(gè)碳納米管束分別與其他碳納米管束首尾相連地連續(xù)地被拉出，從而形成一碳納米管薄膜。該碳納米管薄膜為擇優(yōu)取向排列的多個(gè)碳納米管束首尾相連形成的具有一定寬度的碳納米管薄膜。該碳納米管薄膜中碳納米管的排列方向基本平行于碳納米管薄膜的拉伸方向。本實(shí)施例中，該碳納米管薄膜的寬度與碳納米管陣列所生長的基底的尺寸有關(guān)， 該碳納米管薄膜的長度不限，可根據(jù)實(shí)際需求制得。本實(shí)施例中采用4英寸的基底生長超順排碳納米管陣列，該碳納米管薄膜的寬度可為IcnTlOcm,該碳納米管薄膜的厚度為 0. 01 100微米。步驟三提供一支撐體，將上述碳納米管薄膜沿預(yù)定方向粘附固定于支撐體，從而得到偏光元件。本實(shí)施例中，該支撐體可為一方形的金屬固定框架，用于固定碳納米管薄膜，其材質(zhì)不限，固定框架外的多余的碳納米管薄膜可直接去除。由于本實(shí)施例步驟一中提供的超順排碳納米管陣列中的碳納米管非常純凈，且由于碳納米管本身的比表面積非常大，所以該碳納米管薄膜本身具有較強(qiáng)的粘性。步驟三中該碳納米管薄膜可利用其本身的粘性直接粘附于固定框架，使該碳納米管薄膜的四周通過固定框架固定，該碳納米管薄膜的中間部分懸空。本實(shí)施例中，該支撐體也可為一透明基板。上述第一碳納米管薄膜可直接黏附于透明基板表面。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，該支撐體的大小可依據(jù)實(shí)際需求確定，當(dāng)支撐體的寬度大于上述碳納米管薄膜的寬度時(shí)，可將多個(gè)上述碳納米管薄膜無間隙地并排覆蓋并粘附在支撐體上?？梢岳斫獾氖?，步驟三中，可將多層碳納米管薄膜沿相同的方向粘附固定于上述支撐體得到偏光元件。該多層碳納米管薄膜之間由于范德華力緊密連接形成穩(wěn)定的多層碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)。該碳納米管薄膜的層數(shù)不限，具體可依據(jù)實(shí)際需求制備。另外，上述獲得的偏光元件可進(jìn)一步使用有機(jī)溶劑處理偏光元件中的碳納米管薄膜?？赏ㄟ^試管將有機(jī)溶劑滴落在碳納米管薄膜表面浸潤整個(gè)碳納米管薄膜，或者，也可將上述形成有碳納米管薄膜的固定框架整個(gè)浸入盛有有機(jī)溶劑的容器中浸潤。該有機(jī)溶劑為揮發(fā)性有機(jī)溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實(shí)施例中優(yōu)選采用乙醇。 該碳納米管薄膜經(jīng)有機(jī)溶劑浸潤處理后，在揮發(fā)性有機(jī)溶劑的表面張力的作用下，碳納米管薄膜中的平行的碳納米管束會(huì)部分聚集，因此，處理后的該碳納米管薄膜表面體積比小， 無粘性，且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度及韌性。處理后的偏光元件能更方便地應(yīng)用于宏觀領(lǐng)域。請(qǐng)參閱圖3及圖4，為本發(fā)明實(shí)施例偏光元件使用有機(jī)溶劑處理前后的掃描電子顯微鏡照片(SEM)對(duì)比示意圖。偏光元件的碳納米管薄膜中碳納米管均定向排列，相鄰碳納米管薄膜之間通過范德華力結(jié)合。進(jìn)一步地，將上述獲得的偏光元件中的碳納米管薄膜使用有機(jī)溶劑處理后，在表面張力的作用下，處理后的該碳納米管薄膜中的碳納米管聚集成束。處理后的該碳納米管薄膜表面體積比小，無粘性，且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度及韌性，因此能更方便地應(yīng)用于宏觀領(lǐng)域。請(qǐng)參閱圖5，本發(fā)明偏光元件分別采用2層、5層、10層、20層和30層碳納米管薄膜作為偏振膜，由于碳納米管對(duì)于各種波長的電磁波均有均一的吸收特性，故本發(fā)明的偏光元件對(duì)于各種波長的電磁波也有均一的偏振吸收性能。同時(shí)，從圖5中可明顯看出，當(dāng)碳納米管薄膜層數(shù)較少時(shí)，該偏光元件在紫外波段會(huì)有較好的偏振性能，當(dāng)偏光元件中碳納米管薄膜的層數(shù)越多，偏光元件的偏振度越高，可在各個(gè)波段均具有良好的偏振性能。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種偏光元件的制備方法，包括以下步驟提供一支撐體；提供至少一層碳納米管薄膜，該至少一層碳納米管薄膜中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列，該至少一層碳納米管薄膜為從一碳納米管陣列中選定多個(gè)碳納米管束，沿基本垂直于碳納米管生長的方向拉伸該多個(gè)碳納米管束，形成的連續(xù)的碳納米管薄膜；以及將所述至少一層碳納米管薄膜粘附固定于上述支撐體形成偏光元件，其特征在于，上述碳納米管陣列的制備方法包括以下步驟提供一平整基底；在基底表面均勻形成一催化劑層；將所述形成有催化劑層的基底在70(T900°C的空氣中退火約30分鐘 90分鐘；以及將處理過的基底置于反應(yīng)爐中，在保護(hù)氣體環(huán)境下加熱到50(T740°C，然后通入碳源氣反應(yīng)約5 30分鐘，生長得到高度為20(Γ400微米的碳納米管陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將多層碳納米管薄膜沿相同方向重疊地粘附固定于支撐體形成偏光元件的步驟，該偏光元件中碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列。
3.如權(quán)利要求1所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，進(jìn)一步包括用有機(jī)溶劑處理該偏光元件中的碳納米管薄膜的步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，所述使用有機(jī)溶劑處理所述偏光元件中的碳納米管薄膜的步驟包括通過試管將有機(jī)溶劑滴落在碳納米管薄膜表面浸潤整個(gè)碳納米管薄膜的步驟，或?qū)⑸鲜鲂纬捎刑技{米管薄膜的支撐體整個(gè)浸入盛有有機(jī)溶劑的容器中浸潤的步驟。
5.如權(quán)利要求3所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿。
6.如權(quán)利要求1所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，所述至少一層碳納米管薄膜的寬度為1厘米至10厘米。
7.如權(quán)利要求1所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，所述支撐體為固定框架或透明基板。
8.如權(quán)利要求7所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，所述支撐體為固定框架，所述至少一層碳納米管薄膜的四周固定于所述框架，所述至少一層碳納米管薄膜的中間部分懸空。
9.一種采用如權(quán)利要求1所述的偏光元件的制備方法制備的偏光元件，其包括一支撐體和一由支撐體支撐的偏光膜，其特征在于該偏光膜為至少一層碳納米管薄膜，該至少一層碳納米管薄膜中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列。
10.如權(quán)利要求9所述的偏光元件，其特征在于，所述偏光膜為多層碳納米管薄膜重疊設(shè)置構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求10所述的偏光元件，其特征在于，所述多層碳納米管薄膜的層數(shù)大于 10層。
12.如權(quán)利要求11所述的偏光元件，其特征在于，所述多層碳納米管薄膜中的每個(gè)碳納米管薄膜的厚度為0.0Γ100微米。
13.如權(quán)利要求12所述的偏光元件，其特征在于，所述多層碳納米管薄膜中的每個(gè)碳納米管薄膜為多個(gè)首尾相連的碳納米管束沿同一方向擇優(yōu)取向排列形成的薄膜結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求13所述的偏光元件，其特征在于，所述支撐體為固定框架或透明基板。
15.如權(quán)利要求14所述的偏光元件，其特征在于，所述支撐體為固定框架，所述多層碳納米管薄膜四周固定于固定框架，所述多層碳納米管薄膜中間的部分懸空。
16.如權(quán)利要求9所述的偏光元件，其特征在于，所述至少一層碳納米管薄膜的寬度為 1厘米至10厘米。
17.一種偏光元件的制備方法，包括以下步驟提供一平整基底；在基底表面均勻形成一催化劑層；將上述形成有催化劑層的基底在70(T900°C的空氣中退火約30分鐘 90分鐘；將處理過的基底置于反應(yīng)爐中，在保護(hù)氣體環(huán)境下加熱到50(T740°C，然后通入碳源氣反應(yīng)約5 30分鐘，生長得到高度為20(Γ400微米的碳納米管陣列；將所生長的碳納米管陣列從反應(yīng)爐中取出；提供一拉伸工具從該碳納米管陣列中選定1厘米至10厘米寬度的碳納米管束，拉伸該 1厘米至10厘米寬度的碳納米管束，形成一 1厘米至10厘米寬度的連續(xù)的碳納米管薄膜； 以及提供一支撐體，將至少一層所述碳納米管薄膜鋪設(shè)固定于上述支撐體一表面形成偏光元件。
18.如權(quán)利要求17所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將多個(gè)碳納米管薄膜重疊鋪設(shè)于所述支撐體的所述表面的步驟，所述重疊設(shè)置的相鄰碳納米管薄膜中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列。
19.如權(quán)利要求17所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，進(jìn)一步包括用有機(jī)溶劑處理該偏光元件中的碳納米管薄膜的步驟。
20.如權(quán)利要求19所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，所述使用有機(jī)溶劑處理該偏光元件中的碳納米管薄膜的步驟包括通過試管將有機(jī)溶劑滴落在碳納米管薄膜表面浸潤整個(gè)碳納米管薄膜的步驟，或?qū)⑸鲜鲂纬捎刑技{米管薄膜的支撐體整個(gè)浸入盛有有機(jī)溶劑的容器中浸潤的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)偏光元件及其制備方法。該偏光元件包括一支撐體和一由支撐體支撐的偏光膜，其中，該偏光膜包括至少一碳納米管薄膜，該至少一碳納米管薄膜中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列。本發(fā)明還涉及該偏光元件的制備方法，其包括以下步驟提供一支撐體；提供至少一層碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜中碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列；以及將所述至少一層碳納米管薄膜碳納米管薄膜粘附固定于上述支撐體形成偏光元件。由于碳納米管具有高溫的熱穩(wěn)定性，且對(duì)于各種波長的電磁波均有均一的吸收特性，故本發(fā)明的偏光元件對(duì)于各種波長的電磁波也有均一的偏振吸收性能，具有廣泛的應(yīng)有范圍。
文檔編號(hào)G02B1/10GK102207574SQ201110174798
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者馮辰, 劉亮, 姜開利, 張曉波, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司