CN106413357B - 基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗 - Google Patents
基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗 Download PDFInfo
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Abstract
基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗属于光学透明件电磁屏蔽技术领域，该电磁屏蔽光窗利用石墨烯网栅薄膜具有不同的网孔单元开孔面积比时表现出的不同透光和微波屏蔽特性，将石墨烯网栅薄膜的低反射和部分吸收微波特性与高透光导电薄膜的强电磁反射特性有机结合，构成多层结构：用透明导电薄膜作为透明反射层，用N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜作为透明吸收层；该结构可使射频辐射多次穿过吸收层被强吸收，实现强屏蔽和低反射特性，可见光仅透过层叠结构一次而具有高透光率，并且由于石墨烯网栅薄膜存在周期性的开孔结构，提高了其透光性能；该电磁屏蔽光窗解决了现有透明电磁屏蔽方法高透光、低电磁反射和强电磁屏蔽不能兼顾的问题。
Description
技术领域
本发明属于光学透明件电磁屏蔽领域，特别涉及一种基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗。
背景技术
随着广播、电视、无线通讯技术及微波技术的发展，射频设备在人类活动的各个场所大量装备，且频谱范围不断展宽，强度成倍增加，这不仅对电子设备造成干扰，还对人体健康产生威胁。这种看不见摸不着的“电磁污染”直接作用于机器或人体，是危害严重的“隐形杀手”，已成为继大气污染、水污染、固体废弃物污染和噪声污染之后的第五大污染。电磁屏蔽（包括吸收和反射）是防治电磁污染的主要措施，近年来，电磁屏蔽技术受到人们的广泛关注。其中需要视觉观测场合的电磁屏蔽——即透明电磁屏蔽，一直以来都是难点和热点，其应用涵盖医用电磁隔离室观察窗、通讯设备透明电磁屏蔽元件、航空航天装备光窗、先进光学仪器光窗、保密设施防电磁泄露光窗、液晶显示屏、手机触屏、车载透明天线等。
目前，实现透明电磁屏蔽的难点主要在于传统的吸波材料大多不透明或透明性很差，而基于透明导电材料或器件的反射透明屏蔽技术中透明性和导电屏蔽能力互相制约，难以同时实现高透明性和强电磁屏蔽。此外，导电反射透明屏蔽技术将电磁辐射反射回空间，对空间环境造成“二次污染”，不利于电磁污染的彻底防治。
在现代技术的很多领域中，碳材料都扮演着非常重要的角色，在碳的众多同素异形体中，石墨烯是一种非常典型的材料，石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料，具有多方面优良的性质，其中一个突出性质是具有优良的透明导电性，也具有一定的微波吸收性能，这使得石墨烯在透明电磁屏蔽领域具有很高的应用价值：
1.美国专利US20130068521 “Electromagnetic shielding method usinggraphene and electromagnetic shiedling material”利用化学气相沉积法(CVD)制备的石墨烯加载于金属板、聚合物衬底之上实现电磁屏蔽，与未加载石墨烯的金属板、聚合物衬底相比，加载石墨烯以后，整体结构的电磁屏蔽效率有所提高。
2. 专利201310232829. X “用于屏蔽电磁辐射的基于石墨烯的结构和方法”描述了一种用于屏蔽频率大于 1 兆赫兹电磁辐射的电磁屏蔽结构，该结构由一层或多层石墨烯构成，且至少一层石墨烯掺杂有掺杂剂。
3. 专利201420099425.8“一种基于石墨烯薄膜的透明电磁屏蔽膜”描述了一种在透明基底和石墨烯薄膜之间排布纳米银线的透明电磁屏蔽膜，纳米银线起到电荷桥梁的作用，增加整个电磁屏蔽膜的导电性，提高屏蔽效率。
4. 美国莱斯大学(Rice University)的James M. Tour等人用光刻法制备线条宽度为5μm的金属网栅，并将单层石墨烯转移在其表面，制成了石墨烯金属网栅混合导电膜（James M. Tour等，“Rational Design of Hybrid Graphene Films for High-Performance Transparent Electrodes”. ACS Nano，2011，5(8)：6472~6479），该混合导电膜可实现90%的透光率和20Ω/sq的方阻。
5. 韩国科学技术院(KAIST)的Seul Ki Hong等人报道了单层石墨烯的屏蔽效率为2.27dB（Hong S K等，“Electromagnetic interference shielding effectiveness ofmonolayer graphene”. Nanotechnology, 2012, 23(45)：455704），其中吸收损耗和反射损耗分别为-4.38dB和-13.66dB。
6. 韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)的Kim S和韩国三星电机公司(Samsung Electro-Mechanics)的Myeong-Gi Kim等人采用聚醚酰亚胺/氧化还原法制备的石墨烯(PEI/RGO)层叠结构实现电磁屏蔽（Kim S等，“Electromagnetic Interference(EMI) Transparent Shielding of Reduced Graphene Oxide (RGO) InterleavedStructure Fabricated by Electrophoretic Deposition”. ACS applied materials &interfaces, 2014, 6(20)：17647-17653），双层PEI/ RGO和单层PEI/ RGO层叠结构的电磁屏蔽效率分别为6.37和3.09dB，且吸收损耗占总电磁屏蔽效率的比例分别为96%和92%。
7. 哈尔滨工业大学的韩杰才等人用铜网栅作牺牲层，用化学气相沉积(CVD)制备了多种石墨烯网栅(Han J 等, “Infrared-transparent films based on conductivegraphene network fabrics for electromagnetic shielding”. Carbon, 2015, 87:206-214)分别在实现70.85%的红外透光率同时达到12.86dB的屏蔽效率，及实现87.85%的红外透光率的同时达到4dB的屏蔽效率。且该石墨烯网栅电磁屏蔽也以吸收为主导。
上述各方案将石墨烯用于电磁屏蔽，可以实现一定的电磁屏蔽效果。美国专利US20130068521采用石墨烯作为电磁屏蔽装置的核心器件，并通过roll-to-roll的石墨烯转移方法将整片大面积的石墨烯转移到金属、聚合物等衬底之上，实现了优良的电磁屏蔽效果，但该电磁屏蔽器件并不具备透明性。专利201310232829. X “用于屏蔽电磁辐射的基于石墨烯的结构和方法”以石墨烯薄膜作为电磁屏蔽结构的主体，并对其中至少一层石墨烯薄膜进行掺杂以提高电磁屏蔽效率，但掺杂会影响整体结构的透光率。专利201420099425.8“一种基于石墨烯薄膜的透明电磁屏蔽膜”利用纳米银线提高石墨烯薄膜的电导率，增加反射损耗实现电磁屏蔽效率的提高，但电磁屏蔽的主要贡献是由反射产生的。上述文献4中将石墨烯薄膜加载于金属网栅之上形成石墨烯和网栅紧密贴合结构，该结构提高了金属网栅的导电性能，同时透光率达到91%，但该结构的电磁屏蔽以反射为主。上述文献5中研究结果表明，虽然石墨烯的屏蔽效率随着层数增加而大幅增加，但吸收损耗增加很少，并且每增加一层石墨烯，透光率损失2.3%，使得该结构难以同时实现高透光、低反射和强电磁屏蔽。上述文献6中采用氧化还原法制备的石墨烯薄膜(RGO)与聚醚酰亚胺(PEI)层叠结构实现电磁屏蔽，且屏蔽以吸收损耗为主，但双层PEI/RGO结构的屏蔽效率仅为6.37dB，且透光率仅为62%，难以同时实现强电磁屏蔽和高透光。上述文献7仅采用石墨烯网栅结构，屏蔽效率偏低，且强屏蔽效率和高透光率不能兼得。
总之，现有电磁屏蔽技术中，以反射型电磁屏蔽为主的方法易造成二次电磁污染；而具有吸收损耗的电磁屏蔽方法，或者存在透光率不高，或者电磁屏蔽效率不强，难以同时实现高透明性和强电磁屏蔽。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有透明电磁屏蔽技术的不足，特别是针对现有反射透明屏蔽技术中透明性和导电屏蔽能力相互制约，难以兼顾高透光率和强微波屏蔽效率，以及反射电磁信号造成电磁泄露和二次污染的问题，研发一种基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，达到同时具备高透光、低电磁反射和强电磁屏蔽性能的目的。
本发明的目的是这样实现的：基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，所述的电磁屏蔽光窗由依次重叠且平行配置的透明吸收层、透明介质和透明反射层装配构成；所述的透明吸收层由N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜构成，透明反射层由透明导电薄膜构成，包括透明金属化合物薄膜、纳米银线薄膜或金属网栅。
本发明产生的良好效果主要集中于实现同时具备高透光、低电磁反射和强电磁屏蔽性能，具体如下：
首先，利用石墨烯网栅薄膜具有不同的网孔单元开孔面积比时表现出的不同透光和微波屏蔽特性，实现高透光和吸收为主的电磁屏蔽；当石墨烯网栅薄膜的网孔单元开孔面积比t在0.05与0.7之间取值时，通过调整石墨烯网栅薄膜的层数可以实现良好的透光与屏蔽性能。当石墨烯网栅薄膜的网孔单元开孔面积比t满足0.3≤t≤0.7时，利用多层石墨烯网栅薄膜实现与单层石墨烯薄膜比拟的透光率同时提高了屏蔽性能；当石墨烯网栅薄膜的网孔单元开孔面积比t满足0.05≤t<0.3时，利用单层石墨烯网栅薄膜实现与单层石墨烯薄膜比拟的微波屏蔽性能同时提高了透光率；同时，石墨烯网栅薄膜的微波屏蔽性能主要以微波吸收为主。
其次，利用石墨烯网栅薄膜的微波吸收特性和透明导电薄膜的微波反射特性，将二者有机结合，以透明导电薄膜作为透明反射层，实现对射频辐射的强电磁反射；用N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜结构作为透明吸收层，可使射频辐射发生部分吸收并以低反射的形式穿过；将透明反射层置于透明吸收层之后，既保证实现强电磁屏蔽，又使透过透明吸收层的微波强反射回吸收层，使射频辐射发生部分吸收并以低反射的形式穿过，最终实现低反射的强电磁屏蔽；本发明的层叠结构，一方面由于吸收层的存在，解决了仅有透明导电薄膜时反射为主的屏蔽易造成二次污染的问题，另一方面由于反射层的存在且置于吸收层之后，使得屏蔽微波经过反射和多次吸收，解决了仅存在石墨烯网栅薄膜吸收层时屏蔽效率不高的问题；与此同时，对于光波，仅透过透明吸收层和透明反射层一次，其发生的损耗较少，并且当石墨烯网栅薄膜的网孔单元开孔面积比t在0.05与0.7之间取值，由于石墨烯网栅薄膜存在周期性的开孔结构，提高了其透光性能，可实现高透光特性。
综上，本发明可以实现同时具备高透光、低电磁反射和强电磁屏蔽性能是本发明的最突出效果。
附图说明
图1是基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗的剖面示意图。
图2是方孔石墨烯网栅的网栅单元排布方式结构示意图。
图3是圆孔石墨烯网栅的网栅单元排布方式结构示意图。
图4是方格金属网栅的网栅单元排布方式结构示意图。
图5是圆环金属网栅的网栅单元排布方式结构示意图。
图6是多周期微环金属网栅的网栅单元排布方式结构示意图。
图7是实施例所述的基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗的剖面示意图。
图8是实施例所述的基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗的结构示意图。
图中件号说明：1.保护层 A 2.增透膜A 3.透明吸收层 4.透明介质 5.透明反射层 6.增透膜B 7.保护层B 8.方孔石墨烯网栅薄膜A 9.透明介质A 10.方孔石墨烯网栅薄膜B 11.微环金属网栅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案做详细描述：
所述的电磁屏蔽光窗由依次重叠且平行配置的透明吸收层(3)、透明介质(4)和透明反射层(5)装配构成；所述的透明吸收层(3)由N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜构成，透明反射层(5)由透明导电薄膜构成，包括透明金属化合物薄膜、纳米银线薄膜或金属网栅；所述的构成透明吸收层(3)的石墨烯网栅薄膜由具有网孔阵列结构的石墨烯薄膜构成；所述的网孔阵列结构是指网孔单元周期性排列而成的二维阵列结构；所述的网孔单元具有方孔或者圆孔外形；网孔单元尺寸为亚微米至毫米量级，网孔单元阵列周期为微米至毫米量级；网孔单元开孔面积比t在0.05与0.7之间取值； 所述的网孔单元开孔面积比是指在一个阵列周期内，网孔单元开孔面积与阵列周期单元面积的比值。
在透明吸收层(3)外侧部上依次平行配置单层或多层的增透膜A(2)和单层或多层的保护层A(1)；透明反射层(5)外侧部上依次平行配置单层或多层的增透膜B(6)和单层或多层的保护层B(7)。
构成透明吸收层(3)的石墨烯网栅薄膜的层数为单层、双层或三层，且各层被透明介质分隔的石墨烯薄膜层数可以相同或不同。
当石墨烯网栅薄膜的网孔单元开孔面积比t满足0.3≤t≤0.7时，所述的透明吸收层(3)由N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜构成，其中N≤6×{[1/(1-t)]+1}，[1/(1-t)]代表不超过1/(1-t)的最大正整数。
当石墨烯网栅薄膜的网孔单元开孔面积比t满足0.05≤t<0.3时，所述的透明吸收层(3)由N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜构成，其中N≤6。
透明反射层(5)的透光率大于90%。
若透明反射层(5)由金属网栅构成，所述的金属网栅由网栅单元按周期性排列的二维平面结构构成，网栅单元的周期为亚毫米至毫米量级，金属线条宽度为亚微米至微米量级，相邻网栅单元之间通过金属线条交叠或在交叠处设置将两条金属线条连通的连接金属。
若透明反射层(5)由金属网栅构成，金属网栅由导电性能良好的合金材料制成，且合金厚度大于100nm。
所述的透明介质(4)和分隔透明吸收层(3)石墨烯网栅薄膜的透明介质制作材料包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料。
本发明的基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，透明反射层5是实现强反射电磁屏蔽的核心器件，而透明吸收层3具有低反射和部分吸收微波的特性。相对于透明导电薄膜构成的透明反射层5，由被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜平行层叠排布构成的透明吸收层3置于更靠近射频辐射波源的一侧。照射到光窗的射频辐射能量进入透明吸收层3，经过透明吸收层3中各层石墨烯网栅吸收、衰减后的能量被透明反射层5高反射，反射后的射频辐射又一次经过透明吸收层3，再次经过各层石墨烯网栅的吸收衰减，而射频辐射在各石墨烯网栅薄膜层和透明介质层的反射部分又经历多次反射和吸收，最终使射频辐射的绝大部分能量被吸收，实现吸收为主的电磁屏蔽。而对于需要通过的光学波段，仅经过透明吸收层3一次和透明反射层5一次，其发生的损耗较少，并且由于石墨烯网栅薄膜存在周期性的开孔结构，提高了其透光性能，能实现高透光。
实施例
电磁屏蔽光窗由依次重叠且平行配置的透明吸收层3、透明介质4及透明反射层5装配构成；所述的透明吸收层3由依次平行配置的单层的石墨烯网栅薄膜A8、透明介质A9及单层的石墨烯网栅薄膜B10构成，透明反射层由微环金属网栅11构成。
本发明的技术效果是：当金属网栅的电磁屏蔽效率为20dB时，本发明的电磁屏蔽效率为24dB，其中吸收损耗占屏蔽总能量的56%，实现了较强电磁屏蔽，且透光率为90.4%，仍然具有高透光特性。
本发明还对应另外几种实施例，将图7中金属网栅换为透明导电金属化合物薄膜或纳米银线薄膜，并保持原来的各层排布方式不变，最终也可获得相似效果；在图7中由两层彼此分隔的单层石墨烯网栅组成的透明吸收层的基础上，增加或减少被透明介质分隔的单层石墨烯薄膜的数量，将会导致吸收损耗的增加或透光率的提高，可根据实际需要做相应调整。
Claims (6)
1.基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，其特征在于：所述的电磁屏蔽光窗由依次重叠且平行配置的透明吸收层(3)、透明介质(4)和透明反射层(5)装配构成；所述的透明吸收层(3)由N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜构成，透明反射层(5)由透明导电薄膜构成，包括透明金属化合物薄膜、纳米银线薄膜或金属网栅；构成透明吸收层(3)的所述的石墨烯网栅薄膜由具有网孔阵列结构的石墨烯薄膜构成；所述的网孔阵列结构是指网孔单元周期性排列而成的二维阵列结构；所述的网孔单元具有方孔或者圆孔外形；网孔单元尺寸为亚微米至毫米量级，网孔单元阵列周期为微米至毫米量级；网孔单元开孔面积比t在0.05与0.7之间取值；所述的网孔单元开孔面积比是指在一个阵列周期内，网孔单元开孔面积与阵列周期单元面积的比值；当石墨烯网栅薄膜的网孔单元开孔面积比t满足0.3≤t≤0.7时，所述的透明吸收层(3)由N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜构成，其中N≤6×{[1/(1-t)]+1}，[1/(1-t)]代表不超过1/(1-t)的最大正整数；当石墨烯网栅薄膜的网孔单元开孔面积比t满足0.05≤t<0.3时，所述的透明吸收层(3)由N层被透明介质分隔的石墨烯网栅薄膜构成，其中N≤6；若透明反射层(5)由金属网栅构成，所述的金属网栅由网栅单元按周期性排列的二维平面结构构成，网栅单元的周期为亚毫米至毫米量级，所述金属网栅的金属线条宽度为亚微米至微米量级，相邻网栅单元之间通过金属线条交叠或在交叠处设置将两条金属线条连通的连接金属。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，其特征在于：在透明吸收层(3)外侧部上依次平行配置单层或多层的增透膜A(2)和单层或多层的保护层A(1)；透明反射层(5)外侧部上依次平行配置单层或多层的增透膜B(6)和单层或多层的保护层B(7)。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，其特征在于：构成透明吸收层(3)的石墨烯网栅薄膜各层被透明介质分隔的石墨烯薄膜层数相同或不同。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，其特征在于：透明反射层(5)的透光率大于90％。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，其特征在于：若透明反射层(5)由金属网栅构成，金属网栅由导电性能良好的合金材料制成，且合金厚度大于100nm。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯网栅与透明导电薄膜层叠结构的电磁屏蔽光窗，其特征在于：分隔透明吸收层(3)和透明反射层(5)的透明介质(4)及分隔透明吸收层(3)的石墨烯网栅薄膜间的透明介质制作材料包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |