CN102207574B - 偏光元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学偏光元件及其制备方法。该偏光元件包括一支撑体和一由支撑体支撑的偏光膜，其中，该偏光膜包括至少一碳纳米管薄膜，该至少一碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。本发明还涉及该偏光元件的制备方法，其包括以下步骤：提供一支撑体；提供至少一层碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜中碳纳米管沿同一方向择优取向排列；以及将所述至少一层碳纳米管薄膜碳纳米管薄膜粘附固定于上述支撑体形成偏光元件。由于碳纳米管具有高温的热稳定性，且对于各种波长的电磁波均有均一的吸收特性，故本发明的偏光元件对于各种波长的电磁波也有均一的偏振吸收性能，具有广泛的应用范围。
Description
本案是申请人在2007年3月30日申请的申请号为200710073765.8，名称为“偏光元件及其制备方法”的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种光学器件及其制备方法，尤其涉及一种偏光元件及其制备方法。
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和液晶显示器中。现在广泛应用的一种偏光元件，可吸收一个偏振态的光，而另一偏振态的光则通过偏光元件。此种偏光元件通常采用这样一种方法制得：将二向色性分子溶于或吸收在高分子物质中，如聚乙烯醇，并将所得薄膜以一个方向拉伸配列二向色性分子。这时，二向色性分子沿着拉伸方向有规则排列起来，形成一条长链。在入射光波中，光振动方向平行于长链方向的被吸收，垂直于长链方向的能透过，所以透射光成为线偏振光。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，偏光膜的偏光率减少，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。
另外，现有的偏光元件一般只对某一波段的电磁波（如微波、红外光、可见光、紫外光等）具有良好的偏振性能，无法对各种波长的电磁波有均一的偏振吸收特性。
因此，确有必要提供一种对各种波长的电磁波均具有良好的偏振性能的偏光元件及其制备方法，该偏光元件制备简单，且在高温、高湿环境中也能具有良好的偏光作用。
发明内容
一种偏光元件的制备方法，其包括以下步骤：
提供一支撑体；
提供至少一层碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列，该碳纳米管薄膜为从一碳纳米管阵列中选定多个碳纳米管束，沿基本垂直于碳纳米管生长的方向拉伸该多个碳纳米管束，形成的连续的碳纳米管薄膜；以及
将上述碳纳米管薄膜粘附固定于上述支撑体形成偏光元件，其特征在于，上述碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤：
提供一平整基底；
在基底表面均匀形成一催化剂层；
将上述形成有催化剂层的基底在700~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟；以及
将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500~740℃，然后通入碳源气反应约5~30分钟，生长得到高度为200~400微米的碳纳米管阵列。
一种偏光元件，其包括一支撑体和一由支撑体支撑的偏光膜，其特征在于：该偏光膜为至少一层碳纳米管薄膜，该至少一层碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
相较于现有技术，所述的偏光元件采用多层碳纳米管薄膜作为偏振膜，由于碳纳米管具有高温的热稳定性，对于各种波长的电磁波有均一的吸收特性，故本发明的偏光元件对于各种波长的电磁波有均一的偏振吸收性能，具有广泛的应有范围。
附图说明
图1为本发明实施例偏光元件的结构示意图。
图2为本发明实施例偏光元件的制备方法的流程图。
图3为本发明实施例有机溶剂处理前的偏光元件的扫描电镜照片。
图4为本发明实施例有机溶剂处理后的偏光元件的扫描电镜照片。
图5为本发明实施例采用不同层数的碳纳米管薄膜的偏光元件在各波长下的偏振度对比示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种偏光元件10，该偏光元件10包括一支撑体12和一由支撑体12支撑的碳纳米管薄膜14。该支撑体12可为一固定框架或一透明基板。该碳纳米管薄膜14直接粘附于固定框架或透明基板表面作为偏光膜。该碳纳米管薄膜14可为一层或堆叠的多层薄膜结构。每层碳纳米管薄膜14为多个首尾相连的碳纳米管束以择优取向排列形成的薄膜结构。当该碳纳米管薄膜14为多层时，该碳纳米管薄膜14中碳纳米管束基本沿同一方向定向排列。
本发明实施例中该碳纳米管薄膜14的宽度可为1cm~10cm，该碳纳米管薄膜14的厚度为0.01~100微米。本发明实施例偏光元件10的偏振吸收性能和碳纳米管薄膜14的层数有关，碳纳米管薄膜14层数越多，该偏光元件10的偏振性能越好。
由于碳纳米管对电磁波的吸收接近绝对黑体，碳纳米管对于各种波长的电磁波均有均一的吸收特性，故本发明的偏光元件10对于各种波长的电磁波也有均一的偏振吸收性能。当光波入射时，振动方向平行于碳纳米管束长度方向的光被吸收，垂直于碳纳米管束长度方向的光能透过，所以透射光成为线偏振光。
请参阅图2，本发明实施例偏光元件10的制备方法主要包括以下几个步骤：
步骤一：提供一碳纳米管阵列，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。
本实施例中，超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：（a）提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；（b）在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底在700~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟；（d）将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500~740℃，然后通入碳源气体反应约5~30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200~400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。
本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。
步骤二：采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜的制备具体包括以下步骤：（a）从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管片断，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管束；（b）以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸多个该碳纳米管束，以形成一连续的碳纳米管薄膜。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管束在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管束分别与其他碳纳米管束首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜为择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管薄膜的拉伸方向。
本实施例中，该碳纳米管薄膜的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，该碳纳米管薄膜的长度不限，可根据实际需求制得。本实施例中采用4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列，该碳纳米管薄膜的宽度可为1cm~10cm，该碳纳米管薄膜的厚度为0.01~100微米。
步骤三：提供一支撑体，将上述碳纳米管薄膜沿预定方向粘附固定于支撑体，从而得到偏光元件。
本实施例中，该支撑体可为一方形的金属固定框架，用于固定碳纳米管薄膜，其材质不限，固定框架外的多余的碳纳米管薄膜可直接去除。
由于本实施例步骤一中提供的超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管非常纯净，且由于碳纳米管本身的比表面积非常大，所以该碳纳米管薄膜本身具有较强的粘性。步骤三中该碳纳米管薄膜可利用其本身的粘性直接粘附于固定框架，使该碳纳米管薄膜的四周通过固定框架固定，该碳纳米管薄膜的中间部分悬空。
本实施例中，该支撑体也可为一透明基板。上述第一碳纳米管薄膜可直接黏附于透明基板表面。
本技术领域技术人员应明白，该支撑体的大小可依据实际需求确定，当支撑体的宽度大于上述碳纳米管薄膜的宽度时，可将多个上述碳纳米管薄膜无间隙地并排覆盖并粘附在支撑体上。
可以理解的是，步骤三中，可将多层碳纳米管薄膜沿相同的方向粘附固定于上述支撑体得到偏光元件。
该多层碳纳米管薄膜之间由于范德华力紧密连接形成稳定的多层碳纳米管薄膜结构。该碳纳米管薄膜的层数不限，具体可依据实际需求制备。
另外，上述获得的偏光元件可进一步使用有机溶剂处理偏光元件中的碳纳米管薄膜。
可通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管薄膜表面浸润整个碳纳米管薄膜，或者，也可将上述形成有碳纳米管薄膜的固定框架整个浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中优选采用乙醇。该碳纳米管薄膜经有机溶剂浸润处理后，在挥发性有机溶剂的表面张力的作用下，碳纳米管薄膜中的平行的碳纳米管束会部分聚集，因此，处理后的该碳纳米管薄膜表面体积比小，无粘性，且具有良好的机械强度及韧性。处理后的偏光元件能更方便地应用于宏观领域。
请参阅图3及图4，为本发明实施例偏光元件使用有机溶剂处理前后的扫描电子显微镜照片(SEM)对比示意图。偏光元件的碳纳米管薄膜中碳纳米管均定向排列，相邻碳纳米管薄膜之间通过范德华力结合。进一步地，将上述获得的偏光元件中的碳纳米管薄膜使用有机溶剂处理后，在表面张力的作用下，处理后的该碳纳米管薄膜中的碳纳米管聚集成束。处理后的该碳纳米管薄膜表面体积比小，无粘性，且具有良好的机械强度及韧性，因此能更方便地应用于宏观领域。
请参阅图5，本发明偏光元件分别采用2层、5层、10层、20层和30层碳纳米管薄膜作为偏振膜，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，故本发明的偏光元件对于各种波长的电磁波也有均一的偏振吸收性能。同时，从图5中可明显看出，当碳纳米管薄膜层数较少时，该偏光元件在紫外波段会有较好的偏振性能，当偏光元件中碳纳米管薄膜的层数越多，偏光元件的偏振度越高，可在各个波段均具有良好的偏振性能。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (20)
1.一种偏光元件的制备方法，包括以下步骤：
提供一支撑体；
提供至少一层碳纳米管薄膜，该至少一层碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列，该至少一层碳纳米管薄膜为从一碳纳米管阵列中选定多个碳纳米管束，沿基本垂直于碳纳米管生长的方向拉伸该多个碳纳米管束，形成的连续的碳纳米管薄膜；以及
将所述至少一层碳纳米管薄膜粘附固定于上述支撑体形成偏光元件，其特征在于，上述碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤：
提供一平整基底；
在基底表面均匀形成一催化剂层；
将所述形成有催化剂层的基底在700~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟；以及
将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500~740℃，然后通入碳源气反应约5~30分钟，生长得到高度为200~400微米的碳纳米管阵列。
2.如权利要求1所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，进一步包括将多层碳纳米管薄膜沿相同方向重叠地粘附固定于支撑体形成偏光元件的步骤，该偏光元件中碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
3.如权利要求1所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，进一步包括用有机溶剂处理该偏光元件中的碳纳米管薄膜的步骤。
4.如权利要求3所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，所述使用有机溶剂处理所述偏光元件中的碳纳米管薄膜的步骤包括通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管薄膜表面浸润整个碳纳米管薄膜的步骤，或将上述形成有碳纳米管薄膜的支撑体整个浸入盛有有机溶剂的容器中浸润的步骤。
5.如权利要求3所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿。
6.如权利要求1所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，所述至少一层碳纳米管薄膜的宽度为1厘米至10厘米。
7.如权利要求1所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，所述支撑体为固定框架或透明基板。
8.如权利要求7所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，所述支撑体为固定框架，所述至少一层碳纳米管薄膜的四周固定于所述框架，所述至少一层碳纳米管薄膜的中间部分悬空。
9.一种采用如权利要求1所述的偏光元件的制备方法制备的偏光元件，其包括一支撑体和一由支撑体支撑的偏光膜，其特征在于：该偏光膜为至少一层碳纳米管薄膜，该至少一层碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
10.如权利要求9所述的偏光元件，其特征在于，所述偏光膜为多层碳纳米管薄膜重叠设置构成。
11.如权利要求10所述的偏光元件，其特征在于，所述多层碳纳米管薄膜的层数大于10层。
12.如权利要求11所述的偏光元件，其特征在于，所述多层碳纳米管薄膜中的每个碳纳米管薄膜的厚度为0.01~100微米。
13.如权利要求12所述的偏光元件，其特征在于，所述多层碳纳米管薄膜中的每个碳纳米管薄膜为多个首尾相连的碳纳米管束沿同一方向择优取向排列形成的薄膜结构。
14.如权利要求13所述的偏光元件，其特征在于，所述支撑体为固定框架或透明基板。
15.如权利要求14所述的偏光元件，其特征在于，所述支撑体为固定框架，所述多层碳纳米管薄膜四周固定于固定框架，所述多层碳纳米管薄膜中间的部分悬空。
16.如权利要求9所述的偏光元件，其特征在于，所述至少一层碳纳米管薄膜的宽度为1厘米至10厘米。
17.一种偏光元件的制备方法，包括以下步骤：
提供一平整基底；
在基底表面均匀形成一催化剂层；
将上述形成有催化剂层的基底在700~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟；
将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500~740℃，然后通入碳源气反应约5~30分钟，生长得到高度为200~400微米的碳纳米管阵列；
将所生长的碳纳米管阵列从反应炉中取出；
提供一拉伸工具从该碳纳米管阵列中选定1厘米至10厘米宽度的碳纳米管束，拉伸该1厘米至10厘米宽度的碳纳米管束，形成一1厘米至10厘米宽度的连续的碳纳米管薄膜；以及
提供一支撑体，将至少一层所述碳纳米管薄膜铺设固定于上述支撑体一表面形成偏光元件。
18.如权利要求17所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，进一步包括将多个碳纳米管薄膜重叠铺设于所述支撑体的所述表面的步骤，所述重叠设置的相邻碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
19.如权利要求17所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，进一步包括用有机溶剂处理该偏光元件中的碳纳米管薄膜的步骤。
20.如权利要求19所述的偏光元件的制备方法，其特征在于，所述使用有机溶剂处理该偏光元件中的碳纳米管薄膜的步骤包括通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管薄膜表面浸润整个碳纳米管薄膜的步骤，或将上述形成有碳纳米管薄膜的支撑体整个浸入盛有有机溶剂的容器中浸润的步骤。
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