CN101963681B

CN101963681B - 偏光元件

Info

Publication number: CN101963681B
Application number: CN 200910109129
Authority: CN
Inventors: 冯辰; 姜开利; 范守善
Original assignee: Tsinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: US20110019273A1; CN101963681A; JP2011028264A; US8958153B2; JP5528930B2

Abstract

本发明涉及一种偏光元件，其包括一支撑体及一由该支撑体支撑的偏光膜。该偏光膜包括一碳纳米管膜状结构，所述碳纳米管膜状结构包括多个碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列。该碳纳米管膜状结构具有两个相对的表面，其中一个表面设置有一金属层，该金属层用于改善所述偏光膜的在各个波段电磁波的偏振性能。该偏光元件在高温、高湿环境中也具有良好的偏光作用。

Description

偏光元件

技术领域

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种偏光元件。

背景技术

偏光元件是一种重要的光学器件，被广泛应用于太阳镜、液晶显示器等光学元件中。通常广泛应用的偏光元件，为一种可吸收偏光元件，即其可吸收一个偏振态的光，而另一偏振态的光则通过该偏光元件。该种偏光元件通常是将二向色性分子溶于或吸收在高分子物质中如聚乙烯醇，形成一薄膜，并将该薄膜以同一个方向拉伸以配列二向色性分子。此时，二向色性分子就会沿拉伸方向有规则排列起来，形成一条条长链。在入射光波中，振动方向平行于长链方向的光会被吸收，而垂直于长链方向的光则能透过该薄膜，从而使得透过该薄膜的透射光成为线偏振光。当然，此种偏光元件也可以通过将二向色性分子吸收在单轴拉伸的聚合物膜上的方法来生产。

由于此种偏光元件的制造需要将二向色性分子结合高分子聚合物作为偏光膜，制备过程较为复杂。而应用高分子聚合物作为偏光膜的偏光元件于50℃以上使用一段时间后，偏光膜的偏光率减小，甚至失去偏光作用。而且此类偏光元件对湿度要求也较高，一旦工作环境恶劣，湿度大，偏光元件将失去偏光作用。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种偏光元件，该偏光元件在高温、高湿环境中也能具有良好的偏光作用。

一种偏光元件，其包括一支撑体及一由该支撑体支撑的偏光膜。该偏光膜包括一碳纳米管膜状结构，所述碳纳米管膜状结构包括多个碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列。该碳纳米管膜状结构具有两个相对的表面，其中一个表面设置有一金属层，该金属层用于改善所述偏光膜的在各个波段电磁波的偏振性能。

一种偏光元件，其包括一偏光膜，该偏光膜包括一碳纳米管膜状结构，该碳纳米管膜状结构为自支撑结构。所述碳纳米管膜状结构由多个碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列组成。所述碳纳米管至少部分表面设置有金属层，该金属层用于改善所述偏光膜的在各个波段电磁波的偏振性能。

与现有技术比较，所述偏光元件的偏振膜由所述碳纳米管膜状结构及设置其上的金属层形成，由于该碳纳米管膜状结构中的多个碳纳米管及金属在高温及高湿下均具有较好的热稳定性，因此该偏光元件在高温、高湿环境中也能具有良好的偏光作用。

附图说明

图1是本发明实施例偏光元件的结构示意图。

图2是图1中偏光元件中的碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图3是图1中偏光元件中的偏光膜与由纯碳纳米管制作的偏光膜的线偏振光透射率曲线图。

图4是图1中偏光元件中的偏光膜与由纯碳纳米管制作的偏光膜的吸光偏振度对比曲线图。

图5是表面设置有2纳米厚镍层时的碳纳米管的透射电镜照片。

图6是表面设置有2纳米厚金层时的碳纳米管的透射电镜照片。

图7是表面设置有2纳米厚钛层时的碳纳米管的透射电镜照片。

图8是图1中偏光元件中的偏光膜分别由图5、图6及图7中的多个碳纳米管构成时所得到的偏振度曲线图。

图9是表面设置有20纳米厚金层时的碳纳米管的透射电镜照片。

图10是图1中偏光元件中的偏光膜分别由多个表面设置有2纳米、10纳米及20纳米厚金层的碳纳米管所构成时所得到偏振度曲线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图1，本发明提供一种偏光元件100，该偏光元件100包括一支撑体110及一由该支撑体110支撑的偏光膜120。

该支撑体110可为一固定框架或一透明基板。该偏光膜120通过该支撑体110支撑。具体地，该偏光膜120可直接设置于透明基板表面或通过固定框架部分悬空设置。

所述偏光膜120包括一碳纳米管膜状结构及一金属层，所述碳纳米管膜状结构具有两个相对的表面，所述金属层设置在其中一个表面。

所述碳纳米管膜状结构包括至少一碳纳米管膜，其厚度在0.5纳米～1毫米之间。所述碳纳米管膜为一自支撑结构，其厚度在0.5纳米～100纳米之间。所谓“自支撑”即该碳纳米管膜无需通过一支撑体支撑，也能保持自身一定的形状。请参阅图2，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管基本相互平行且大致平行于所述碳纳米管膜表面，进一步地，所述多个碳纳米管通过范德华力首尾相连且基本沿同一方向择优取向排列。该碳纳米管膜可通过采用一拉伸工具自一碳纳米管阵列直接拉取而获得。所述碳纳米管膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13日公开的第CN101239712A号大陆公开专利申请。为节省篇幅，仅引用于此，但所述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。可以理解，所述自支撑的碳纳米管膜中的多个碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管膜具有特定的形状。

所述碳纳米管膜状结构还可以包括多层碳纳米管膜，所述多层碳纳米管膜层叠设置形成一个厚度在0.5纳米～1毫米之间的层状结构，且相邻的碳纳米管膜通过范德华力结合。多个碳纳米管层叠设置时，相邻的碳纳米管膜中的碳纳米管之间具有一个交叉角度α，且该交叉角度α大致等于0度，以保证所述碳纳米管膜状结构中的多个碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列，即使所述碳纳米管膜状结构中的多个碳纳米管大致平行且基本沿同一方向定向排列。所述碳纳米管膜状结构的偏振度随着其包括的碳纳米管膜的层数的增多而提高，但该碳纳米管膜状结构对电磁波的透射率则随着其包括的碳纳米管膜层数的增多而下降，即所述偏振元件的偏振度随着所述碳纳米管膜状结构厚度的增大而增大。优选地，所述碳纳米管膜状结构包括10～30层碳纳米管膜。

所述金属层设置在所述碳纳米管膜状结构的至少一个表面，其厚度在1纳米～50纳米之间。所述金属层可通过化学方法或物理方法形成在所述碳纳米管膜状结构表面，具体地，所述化学方法包括电镀或化学镀等，所述物理方法包括物理气相沉积法(PVD)、真空蒸镀或离子溅射等。如，所述金属层通过将一金属材料用电子束蒸镀法或电子溅镀法形成在所述碳纳米管膜状结构表面。而在蒸镀或溅镀过程中，通过控制金属材料与碳纳米管膜状结构之间的角度，可达到使该金属层形成在所述碳纳米管膜状结构的一个表面或两个表面。可以理解，所述碳纳米管膜状结构由多个碳纳米管构成且具有多个间隙。因此，在宏观上，所述金属层设置在所述碳纳米管膜状结构表面，在微观上，该金属层设置在该碳纳米管膜状结构暴露在碳纳米管膜状结构表面的碳纳米管管壁上，即，所述金属层形成在所述碳纳米管至少部分表面上。由于所述碳纳米管之间存在间隙，金属蒸汽或金属离子可渗透到碳纳米管膜状结构中，并附着在每一碳纳米管表面，当所述碳纳米管膜状结构的厚度较小且该碳纳米管膜状结构两个表面均设置有金属层时，所述金属层可包覆每一碳纳米管。

所述金属层的厚度在1纳米～50纳米之间。形成所述金属层的材料包括金、银、铜、铁、钴、镍、钯、钛或其合金中的一种或多种。该金属层可为单层结构，也可为多层结构。当所述金属层为多层结构时，其可以包括一润湿层和一改善层。所述润湿层和改善层依次形成在所述碳纳米管或者碳纳米管膜状结构表面。所述润湿层用于改善碳纳米管与改善层之间的润湿性，使该改善层与碳纳米管更好的结合。形成该润湿层的材料可以为铁、钴、镍、钯或钛等与碳纳米管润湿性好的金属或它们的合金，该润湿层的厚度为1纳米～10纳米。所述改善层用于利用不同金属材料对不同电磁波的偏振程度不同，改善所述偏光膜的在各个波段电磁波的偏振性能，如控制其偏振度或偏振度的峰值。形成该改善层的材料可以为金、银、铜、铁、钴、镍、钯、钛或其合金中的一种或多种，其厚度为1纳米～40纳米。可以理解，当所述金属层为单层结构时，该单层的金属层可以看作为改善层。

在本实施例中，所述偏光膜120中的碳纳米管膜状结构为一碳纳米管膜。该碳纳米管膜由多个碳纳米管构成，该多个碳纳米管基本相互平行且大致平行于所述偏光膜120的表面，该多个碳纳米管通过范德华力首尾相连。所述金属层为多层结构，其包括一润湿层及一改善层。具体地，所述偏光膜120中每一碳纳米管表面设置有一厚度约为2纳米的镍层，该镍层外表面设置有厚度约为30纳米的金层。可以理解，所述镍层即为所述润湿层，所述金层即为所述改善层。

请参阅图3，采用一线偏振光分别照射该偏光膜120及一碳纳米管膜，可得到偏光膜120及碳纳米管膜在不同波长电磁波的最大透射率及最小透射率。其中，最大透射率为所述偏光膜120或碳纳米管膜在透光方向的透射率，最小透射率为所述偏光膜120或碳纳米管膜在消光方向的透射率。从图中可以看出，所述碳纳米管膜对于各种波长的电磁波也有均一的透射率，尤其是对波长大于500纳米的波电磁波。相对于碳纳米管膜，本实施例中的偏光膜120在其中的碳纳米管表面设置有金属层，该偏光膜120的最大透射率及最小透射率在大部分波段均有不同程度的下降。此处所指的碳纳米管膜为由多个纯碳纳米管构成的碳纳米管膜，所谓纯碳纳米管是指该碳纳米管表面没有设置金属层或其他材料层。

请参阅图4，通过图3中的数据及计算偏振度的公式：偏振度＝(最大透射率-最小透射率)/(最大透射率+最小透射率)。可得到所述偏光膜120及碳纳米管膜对不同波长电磁波的偏振度。由图4中可以看出，所述碳纳米管膜对于各种波长的电磁波也有均一的偏振度，这是由于碳纳米管对于各种波长的电磁波均有均一的吸收特性。而本实施例中的偏光膜120，尽管最大透射率及最小透射率均有所下降，但由于其差值在大部分波段逐渐增大及其和在大部分波段逐渐减小，因此，该偏光膜120的偏振度相对所述碳纳米管膜，在大部分波段逐渐增大。具体地，所述偏光膜120与碳纳米管膜对波长位于200纳米～580纳米之间的电磁波，其偏振度相差不大。然而，对波长大于580纳米的电磁波，该偏光膜120的偏振度逐渐增大，即本实施例的偏光膜120对近红外的电磁波具有较高的偏振度。

请参照图请参照图5至图7，为所述碳纳米管表面分别设置有2纳米厚的镍层、2纳米厚的金层或2纳米厚的钛层时的透射电镜照片。此时，所述金属层为单层结构，即只包括改善层。且该金属层设置在所述碳纳米管部分表面。即，所述金属层设置在所述碳纳米管膜状结构其中一个表面。从图中可以看出，选择不同的材料形成在所述碳纳米管表面，可使所述偏光膜120具备不同的结构，从而具备不同的偏振性能。请参照图8，为所述碳纳米管表面分别设置有2纳米厚的镍层、2纳米厚的金层及2纳米厚的钛层时所述偏光膜120所得到偏振度曲线。从图8可以看出，相对于碳纳米管膜，在所述碳纳米管表面形成金属层，能够改变所述偏光膜的偏振度，而选择不同的金属材料制作金属层，其对所述偏光膜120的偏振度或在不同波长的偏振度的改变有所不同。如，在所述碳纳米管表面形成2纳米厚的镍层及2纳米厚的金层所得到的偏光膜120，其偏振度的改变不大。而在所述碳纳米管表面形成2纳米厚的钛层的偏光膜120，其偏振度在波长大于300纳米的波段得到较大提升，大于0.37。

选择同一金属材料制作金属层，但金属层的厚度不同，其对所述偏光膜120的偏振度或在不同波长的偏振度的改变也有所不同。选择金为比较对象，请参照图6及图9，为所述碳纳米管表面设置的金层分别为2纳米及20纳米时的透射电镜照片。请参阅图10，为所述碳纳米管表面设置的金层分别为2纳米、10纳米及20纳米时所得到的偏光膜120的偏振度曲线。从图10可以看出，相对于碳纳米管膜，设置在所述碳纳米管表面的金层的偏光膜120，其偏振度随着金层的厚度的增大而增大。

所述偏光元件采用由多个碳纳米管形成的碳纳米管膜及设置于碳纳米管表面的金属层作为偏振膜。由于碳纳米管及金属在高温及高湿下均具有较好的热稳定性，因此该偏光元件在高温、高湿环境中也能具有良好的偏光作用。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims

1.一种偏光元件，其包括一支撑体及一由该支撑体支撑的偏光膜，其特征在于，该偏光膜包括一碳纳米管膜状结构，该碳纳米管膜状结构包括多个碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列，该碳纳米管膜状结构具有两个相对的表面，其中一个表面设置有一金属层，该金属层用于改善所述偏光膜的在各个波段电磁波的偏振性能。

2.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述碳纳米管膜状结构的两个表面均设置有金属层。

3.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述碳纳米管膜状结构包括至少一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜中的多个碳纳米管基本平行且大致平行于所述碳纳米管膜状结构表面。

4.如权利要求3所述的偏光元件，其特征在于，所述碳纳米管膜状结构包括多个层叠碳纳米管膜，相邻的碳纳米管膜通过范德华力结合。

5.如权利要求3所述的偏光元件，其特征在于，所述多个碳纳米管通过范德华力首尾相连。

6.如权利要求3所述的偏光元件，其特征在于，所述碳纳米管膜的厚度在0.5纳米～100纳米之间。

7.如权利要求4所述的偏光元件，其特征在于，所述碳纳米管膜状结构的厚度为0.5纳米～1毫米。

8.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述偏光元件的偏振度随着所述碳纳米管膜状结构厚度的增大而增大。

9.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述金属层的材料为金、银、铜、铁、钴、镍、钯、钛或其合金。

10.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述金属层的厚度为1纳米～50纳米。

11.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述偏光元件的偏振度随着所述金属层厚度的增大而增大。

12.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述金属层为单层结构。

13.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述金属层为多层结构。

14.如权利要求13所述的偏光元件，其特征在于，所述金属层包括一润湿层及一改善层，所述润湿层设置于所述改善层与碳纳米管表面之间。

15.如权利要求14所述的偏光元件，其特征在于，所述改善层的厚度为1纳米～40纳米，该润湿层的厚度为1纳米～10纳米。

16.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述支撑体为固定框架，所述碳纳米管膜状结构通过该固定框架至少部分悬空设置。

17.如权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述支撑体为透明基板，所述碳纳米管膜状结构贴合设置于该透明基板的表面。

18.一种偏光元件，其包括一偏光膜，其特征在于，该偏光膜包括一碳纳米管膜状结构，该碳纳米管膜状结构为自支撑结构，所述碳纳米管膜状结构由多个碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列组成，所述碳纳米管至少部分表面设置有金属层，该金属层用于改善所述偏光膜的在各个波段电磁波的偏振性能。

19.如权利要求18所述的偏光元件，其特征在于，每一碳纳米管表面均设置有金属层。

20.如权利要求18所述的偏光元件，其特征在于，所述金属层的厚度在1纳米～50纳米之间。