專利名稱：偏光元件及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種光學器件及其制備方法，尤其涉及一種偏光元件及其制備方法。
背景技術：
偏光元件是一種重要的光學器件，被廣泛應用于太陽鏡和液晶顯示器中。現在廣泛應用的一種偏光元件，可吸收一個偏振態的光，而另一偏振態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中，如聚乙烯醇，并將所得薄膜以一個方向拉伸配列二向色性分子。這時，二向色性分子沿著拉伸方向有規則排列起來，形成一條長鏈。在入射光波中，光振動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。由于此種偏光元件的制造需要將二向色性分子結合高分子聚合物作為偏光膜，制備過程較為復雜。而應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濕度要求也較高，一旦工作環境惡劣，濕度大，偏光元件將失去偏光作用。另外，現有的偏光元件一般只對某一波段的電磁波(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、高濕環境中也能具有良好的偏光作用。
發明內容
—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碳納米管束，形成的連續的碳納米管薄膜；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爐中，在保護氣體環境下加熱到50(T740°C，然后通入碳源氣反應約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取向排列。相較于現有技術，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定性，對于各種波長的電磁波有均一的吸收特性，故本發明的偏光元件對于各種波長的電磁波有均一的偏振吸收性能，具有廣泛的應有范圍。
圖1為本發明實施例偏光元件的結構示意圖。圖2為本發明實施例偏光元件的制備方法的流程圖。圖3為本發明實施例有機溶劑處理前的偏光元件的掃描電鏡照片。圖4為本發明實施例有機溶劑處理后的偏光元件的掃描電鏡照片。圖5為本發明實施例采用不同層數的碳納米管薄膜的偏光元件在各波長下的偏振度對比示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。請參閱圖1，本發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構。每層碳納米管薄膜14為多個首尾相連的碳納米管束以擇優取向排列形成的薄膜結構。當該碳納米管薄膜14為多層時，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。本發明實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。本發明實施例偏光元件10的偏振吸收性能和碳納米管薄膜14的層數有關，碳納米管薄膜14層數越多，該偏光元件10的偏振性能越好。由于碳納米管對電磁波的吸收接近絕對黑體，碳納米管對于各種波長的電磁波均有均一的吸收特性，故本發明的偏光元件10對于各種波長的電磁波也有均一的偏振吸收性能。當光波入射時，振動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。請參閱圖2，本發明實施例偏光元件10的制備方法主要包括以下幾個步驟 步驟一提供一碳納米管陣列，優選地，該陣列為超順排碳納米管陣列。本實施例中，超順排碳納米管陣列的制備方法采用化學氣相沉積法，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，本實施例優選為采用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爐中，在保護氣體環境下加熱到50(T74(TC，然后通入碳源氣體反應約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，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。本實施例中碳源氣可選用乙炔等化學性質較活潑的碳氫化合物，保護氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。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碳納米管片斷，本實施例優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該碳納米管束，以形成一連續的碳納米管薄膜。在上述拉伸過程中，該多個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，由于范德華力作用，該選定的多個碳納米管束分別與其他碳納米管束首尾相連地連續地被拉出，從而形成一碳納米管薄膜。該碳納米管薄膜為擇優取向排列的多個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， 該碳納米管薄膜的長度不限，可根據實際需求制得。本實施例中采用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定方向粘附固定于支撐體，從而得到偏光元件。本實施例中，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。本技術領域技術人員應明白，該支撐體的大小可依據實際需求確定，當支撐體的寬度大于上述碳納米管薄膜的寬度時，可將多個上述碳納米管薄膜無間隙地并排覆蓋并粘附在支撐體上。可以理解的是，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定的多層碳納米管薄膜結構。該碳納米管薄膜的層數不限，具體可依據實際需求制備。另外，上述獲得的偏光元件可進一步使用有機溶劑處理偏光元件中的碳納米管薄膜。可通過試管將有機溶劑滴落在碳納米管薄膜表面浸潤整個碳納米管薄膜，或者，也可將上述形成有碳納米管薄膜的固定框架整個浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中優選采用乙醇。 該碳納米管薄膜經有機溶劑浸潤處理后，在揮發性有機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，且具有良好的機械強度及韌性。處理后的偏光元件能更方便地應用于宏觀領域。請參閱圖3及圖4，為本發明實施例偏光元件使用有機溶劑處理前后的掃描電子顯微鏡照片(SEM)對比示意圖。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合。進一步地，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，且具有良好的機械強度及韌性，因此能更方便地應用于宏觀領域。請參閱圖5，本發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，由于碳納米管對于各種波長的電磁波均有均一的吸收特性，故本發明的偏光元件對于各種波長的電磁波也有均一的偏振吸收性能。同時，從圖5中可明顯看出，當碳納米管薄膜層數較少時，該偏光元件在紫外波段會有較好的偏振性能，當偏光元件中碳納米管薄膜的層數越多，偏光元件的偏振度越高，可在各個波段均具有良好的偏振性能。另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍之內。
權利要求
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碳納米管束，形成的連續的碳納米管薄膜；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爐中，在保護氣體環境下加熱到50(T740°C，然后通入碳源氣反應約5 30分鐘，生長得到高度為20(Γ400微米的碳納米管陣列。
2.如權利要求1所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，進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取向排列。
3.如權利要求1所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，進一步包括用有機溶劑處理該偏光元件中的碳納米管薄膜的步驟。
4.如權利要求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溶劑滴落在碳納米管薄膜表面浸潤整個碳納米管薄膜的步驟，或將上述形成有碳納米管薄膜的支撐體整個浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤的步驟。
5.如權利要求3所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，所述有機溶劑為乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿。
6.如權利要求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取向排列。
10.如權利要求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置構成。
11.如權利要求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大于 10層。
12.如權利要求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碳納米管薄膜的厚度為0.0Γ100微米。
13.如權利要求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碳納米管薄膜為多個首尾相連的碳納米管束沿同一方向擇優取向排列形成的薄膜結構。
14.如權利要求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爐中，在保護氣體環境下加熱到50(T740°C，然后通入碳源氣反應約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固定于上述支撐體一表面形成偏光元件。
18.如權利要求17所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，進一步包括將多個碳納米管薄膜重疊鋪設于所述支撐體的所述表面的步驟，所述重疊設置的相鄰碳納米管薄膜中的碳納米管沿同一方向擇優取向排列。
19.如權利要求17所述的偏光元件的制備方法，其特征在于，進一步包括用有機溶劑處理該偏光元件中的碳納米管薄膜的步驟。
20.如權利要求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溶劑滴落在碳納米管薄膜表面浸潤整個碳納米管薄膜的步驟，或將上述形成有碳納米管薄膜的支撐體整個浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種光學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取向排列。本發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定性，且對于各種波長的電磁波均有均一的吸收特性，故本發明的偏光元件對于各種波長的電磁波也有均一的偏振吸收性能，具有廣泛的應有范圍。
文檔編號G02B1/10GK102207574SQ201110174798
公開日2011年10月5日 申請日期2007年3月30日 優先權日2007年3月30日
發明者馮辰, 劉亮, 姜開利, 張曉波, 范守善 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(深圳)有限公司