本發(fā)明屬于光學(xué)透明件電磁屏蔽領(lǐng)域，特別涉及一種基于石墨烯/透明導(dǎo)電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件。

背景技術(shù)：

隨著廣播、電視、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)及微波技術(shù)的發(fā)展，射頻設(shè)備在人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)場(chǎng)所大量裝備，且頻譜范圍不斷展寬，強(qiáng)度成倍增加，這不僅對(duì)電子設(shè)備造成干擾，還對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。這種看不見(jiàn)摸不著的“電磁污染”直接作用于機(jī)器或人體，是危害嚴(yán)重的“隱形殺手”，已成為繼大氣污染、水污染、固體廢棄物污染和噪聲污染之后的第五大污染。電磁屏蔽（包括吸收和反射）是防治電磁污染的主要措施，近年來(lái)，電磁屏蔽技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。其中需要視覺(jué)觀測(cè)場(chǎng)合的電磁屏蔽——即透明電磁屏蔽，一直以來(lái)都是難點(diǎn)和熱點(diǎn)，其應(yīng)用涵蓋醫(yī)用電磁隔離室觀察窗、通訊設(shè)備透明電磁屏蔽元件、航空航天裝備光窗、先進(jìn)光學(xué)儀器光窗、保密設(shè)施防電磁泄露光窗、液晶顯示屏、手機(jī)觸屏、車(chē)載透明天線(xiàn)等。

目前，實(shí)現(xiàn)透明電磁屏蔽的難點(diǎn)主要在于傳統(tǒng)的吸波材料大多不透明或透明性很差，而基于透明導(dǎo)電材料或器件的反射透明屏蔽技術(shù)中透明性和導(dǎo)電屏蔽能力互相制約，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透明性和強(qiáng)電磁屏蔽。此外，導(dǎo)電反射透明屏蔽技術(shù)將電磁輻射反射回空間，對(duì)空間環(huán)境造成“二次污染”，不利于電磁污染的徹底防治。

在現(xiàn)代技術(shù)的很多領(lǐng)域中，碳材料都扮演著非常重要的角色，在碳的眾多同素異形體中，石墨烯是一種非常典型的材料，石墨烯是由碳原子以sp₂雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料，具有多方面優(yōu)良的性質(zhì)，其中一個(gè)突出性質(zhì)是具有優(yōu)良的透明導(dǎo)電性，也具有一定的微波吸收性能，這使得石墨烯在透明電磁屏蔽領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值：

1. 美國(guó)專(zhuān)利US20130068521 “Electromagnetic shielding method using graphene and electromagnetic shiedling material”利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備的石墨烯加載于金屬板、聚合物襯底之上實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，與未加載石墨烯的金屬板、聚合物襯底相比，加載石墨烯以后，整體結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效率有所提高。

2. 專(zhuān)利201310232829. X “用于屏蔽電磁輻射的基于石墨烯的結(jié)構(gòu)和方法”描述了一種用于屏蔽頻率大于 1 兆赫茲電磁輻射的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一層或多層石墨烯構(gòu)成，且至少一層石墨烯摻雜有摻雜劑。

3. 專(zhuān)利201420099425.8“一種基于石墨烯薄膜的透明電磁屏蔽膜”描述了一種在透明基底和石墨烯薄膜之間排布納米銀線(xiàn)的透明電磁屏蔽膜，納米銀線(xiàn)起到電荷橋梁的作用，增加整個(gè)電磁屏蔽膜的導(dǎo)電性，提高屏蔽效率。

4. 美國(guó)萊斯大學(xué)(Rice University)的James M. Tour等人用光刻法制備線(xiàn)條寬度為5μm的金屬網(wǎng)柵，并將單層石墨烯轉(zhuǎn)移在其表面，制成了石墨烯金屬網(wǎng)柵混合導(dǎo)電膜（James M. Tour等，“Rational Design of Hybrid Graphene Films for High-Performance Transparent Electrodes”. ACS Nano，2011，5(8)：6472~6479），該混合導(dǎo)電膜可實(shí)現(xiàn)90%的透光率和20Ω/sq的方阻。

5. 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的Seul Ki Hong等人報(bào)道了單層石墨烯的屏蔽效率為2.27dB（Hong S K等，“Electromagnetic interference shielding effectiveness of monolayer graphene”. Nanotechnology, 2012, 23(45)：455704），其中吸收損耗和反射損耗分別為-4.38dB和-13.66dB。

6. 韓國(guó)成均館大學(xué)(Sungkyunkwan University)的Kim S和韓國(guó)三星電機(jī)公司(Samsung Electro-Mechanics)的Myeong-Gi Kim等人采用聚醚酰亞胺/氧化還原法制備的石墨烯(PEI/RGO)層疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽（Kim S等，“Electromagnetic Interference (EMI) Transparent Shielding of Reduced Graphene Oxide (RGO) Interleaved Structure Fabricated by Electrophoretic Deposition”. ACS applied materials & interfaces, 2014, 6(20)：17647-17653），雙層PEI/ RGO和單層PEI/ RGO層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效率分別為6.37 dB和3.09dB，且吸收損耗占總電磁屏蔽效率的比例分別為96%和92%。

上述各方案將石墨烯用于電磁屏蔽，可以實(shí)現(xiàn)一定的電磁屏蔽效果。美國(guó)專(zhuān)利US20130068521采用石墨烯作為電磁屏蔽裝置的核心器件，并通過(guò)roll-to-roll的石墨烯轉(zhuǎn)移方法將整片大面積的石墨烯轉(zhuǎn)移到金屬、聚合物襯底之上，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的電磁屏蔽效果，但該電磁屏蔽器件并不具備透明性。專(zhuān)利201310232829. X “用于屏蔽電磁輻射的基于石墨烯的結(jié)構(gòu)和方法”以石墨烯薄膜作為電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的主體，并對(duì)其中至少一層石墨烯薄膜進(jìn)行摻雜以提高電磁屏蔽效率，但摻雜會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的透光率。專(zhuān)利201420099425.8“一種基于石墨烯薄膜的透明電磁屏蔽膜”利用納米銀線(xiàn)提高石墨烯薄膜的電導(dǎo)率，增加反射損耗實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽效率的提高，但電磁屏蔽的主要貢獻(xiàn)是由反射產(chǎn)生的。上述文獻(xiàn)4中將石墨烯薄膜加載于金屬網(wǎng)柵之上形成石墨烯和金屬網(wǎng)柵緊密貼合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提高了金屬網(wǎng)柵的導(dǎo)電性能，同時(shí)透光率達(dá)到91%，但該結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽以反射為主。上述文獻(xiàn)5中研究結(jié)果表明，雖然石墨烯的屏蔽效率隨著層數(shù)增加而大幅增加，但吸收損耗增加很少，并且每增加一層石墨烯，透光率損失2.3%，使得該結(jié)構(gòu)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透光、低反射和強(qiáng)電磁屏蔽。上述文獻(xiàn)6中采用氧化還原法制備的石墨烯薄膜(RGO)與聚醚酰亞胺(PEI)層疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，且屏蔽以吸收損耗為主，但雙層PEI/RGO結(jié)構(gòu)的屏蔽效率僅為6.37dB，且透光率僅為62%，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁屏蔽和高透光。

總之，現(xiàn)有電磁屏蔽技術(shù)中，以反射型電磁屏蔽為主的方法易造成二次電磁污染；而具有吸收損耗的電磁屏蔽方法，或者存在透光率不高，或者電磁屏蔽效率不強(qiáng)，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透明性和強(qiáng)電磁屏蔽。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有透明電磁屏蔽技術(shù)的不足，特別是針對(duì)現(xiàn)有反射透明屏蔽技術(shù)中透明性和導(dǎo)電屏蔽能力相互制約，難以兼顧高透光率和強(qiáng)微波屏蔽效率，以及反射電磁信號(hào)造成電磁泄露和二次污染的問(wèn)題，研發(fā)一種基于石墨烯/透明導(dǎo)電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件，達(dá)到同時(shí)具備雙向低電磁反射、強(qiáng)電磁屏蔽和高透光性能的目的。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于石墨烯/透明導(dǎo)電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件，所述的電磁屏蔽器件由依次重疊且平行配置的透明吸收層A、透明介質(zhì)A、透明反射層、透明介質(zhì)B和透明吸收層B裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層A和B均由1-6層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯薄膜構(gòu)成，透明反射層由透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成，包括透明金屬化合物薄膜、納米銀線(xiàn)薄膜或金屬網(wǎng)柵。

本發(fā)明產(chǎn)生的良好效果主要集中于實(shí)現(xiàn)同時(shí)具備雙向低電磁反射、強(qiáng)電磁屏蔽和高透光性能，具體如下：

利用石墨烯的微波吸收特性和透明導(dǎo)電薄膜的微波反射特性，將二者有機(jī)結(jié)合，以透明導(dǎo)電薄膜作為透明反射層，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻輻射的強(qiáng)電磁反射；用1-6層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)作為透明吸收層，可使射頻輻射發(fā)生部分吸收并以低反射的形式穿過(guò)；將兩組透明吸收層分別置于透明反射層的兩側(cè)，使得透過(guò)透明吸收層的微波又強(qiáng)反射回透明吸收層，經(jīng)過(guò)反射和多次吸收，實(shí)現(xiàn)良好的電磁屏蔽；兩組透明吸收層分別置于透明反射層的兩側(cè)構(gòu)成電磁屏蔽器件，同時(shí)吸收電磁屏蔽器件內(nèi)外兩側(cè)的射頻輻射，使來(lái)自電磁屏蔽器件兩側(cè)的射頻輻射都經(jīng)過(guò)反射和多次吸收，最終實(shí)現(xiàn)雙向的低反射強(qiáng)電磁屏蔽。

本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)，一方面由于透明吸收層的存在，解決了僅有透明導(dǎo)電薄膜時(shí)反射為主的屏蔽易造成二次電磁污染的問(wèn)題；另一方面由于透明反射層的存在且置于兩組透明吸收層之間，使得來(lái)自電磁屏蔽器件兩側(cè)的待屏蔽微波都會(huì)經(jīng)過(guò)反射和多次吸收，不僅解決了僅存在石墨烯薄膜吸收層時(shí)屏蔽效率不高的問(wèn)題，具有雙向屏蔽作用，而且雙向屏蔽作用均以吸收為主；與此同時(shí)，對(duì)于光波，僅透過(guò)透明吸收層和透明反射層一次，其發(fā)生的損耗較少，可實(shí)現(xiàn)高透光特性。

綜上，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)具備雙向低電磁反射、強(qiáng)電磁屏蔽和高透光性能是本發(fā)明的最突出效果。

附圖說(shuō)明

圖1是基于石墨烯/透明導(dǎo)電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件的剖面示意圖。

圖2是方格金屬網(wǎng)柵的網(wǎng)柵單元排布方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的網(wǎng)柵單元排布方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是多周期微環(huán)金屬網(wǎng)柵的網(wǎng)柵單元排布方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是實(shí)施例所述的基于石墨烯/透明導(dǎo)電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件的剖面示意圖。

圖6是實(shí)施例所述的基于石墨烯/透明導(dǎo)電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中件號(hào)說(shuō)明：1.保護(hù)層A 2.增透膜A 3.透明吸收層A 4.透明介質(zhì)A 5.透明反射層 6.透明介質(zhì)B 7.透明吸收層B 8.增透膜B 9.保護(hù)層B 10.石墨烯薄膜A 11.透明介質(zhì)C 12.石墨烯薄膜B 13.石墨烯薄膜C 14.微環(huán)金屬網(wǎng)柵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案做詳細(xì)描述：

所述的電磁屏蔽器件由依次重疊且平行配置的透明吸收層A3、透明介質(zhì)A4、透明反射層5、透明介質(zhì)B6和透明吸收層B7裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層A3和B7均由1-6層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯薄膜構(gòu)成，透明反射層5由透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成，包括透明金屬化合物薄膜、納米銀線(xiàn)薄膜或金屬網(wǎng)柵。

在透明吸收層A3外側(cè)部上依次平行配置單層或多層的增透膜A2和單層或多層的保護(hù)層A1；透明吸收層B7外側(cè)部上依次平行配置單層或多層的增透膜B8和單層或多層的保護(hù)層B9。

構(gòu)成透明吸收層A3和B7的石墨烯薄膜包含的石墨烯的層數(shù)為單層、雙層或三層，且各層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯薄膜包含的石墨烯層數(shù)可以相同或不同。

透明反射層5的透光率大于90%。

若透明反射層5由金屬網(wǎng)柵構(gòu)成，所述的金屬網(wǎng)柵由網(wǎng)柵單元按周期性排列的二維平面結(jié)構(gòu)構(gòu)成，網(wǎng)柵單元的周期為亞毫米至毫米量級(jí)，金屬線(xiàn)條寬度為亞微米至微米量級(jí)，相鄰網(wǎng)柵單元之間通過(guò)金屬線(xiàn)條交疊或在交疊處設(shè)置將兩條金屬線(xiàn)條連通的連接金屬。

若透明反射層5由金屬網(wǎng)柵構(gòu)成，金屬網(wǎng)柵由導(dǎo)電性能良好的合金材料制成，且合金厚度大于100nm。

所述的透明介質(zhì)A4、透明介質(zhì)B6和分隔透明吸收層A3、透明吸收層B7石墨烯薄膜的透明介質(zhì)制作材料包括普通玻璃、石英玻璃、紅外材料及透明樹(shù)脂材料。

本發(fā)明的基于石墨烯/透明導(dǎo)電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件，透明反射層5是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)反射電磁屏蔽的核心器件，而透明吸收層A3和B7具有低反射和部分吸收微波的特性。兩組透明吸收層A3和B7位于透明反射層5的兩側(cè)，使得該結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽器件可以同時(shí)兼顧屏蔽吸收器件兩側(cè)的射頻輻射。以位于電磁屏蔽器件透明吸收層A3外側(cè)的射頻輻射波源為例，照射到電磁屏蔽器件的射頻輻射能量進(jìn)入透明吸收層A3，經(jīng)過(guò)透明吸收層A3中各層石墨烯薄膜吸收、衰減后的能量被透明反射層5高反射，反射后的射頻輻射又一次經(jīng)過(guò)透明吸收層A3，再次經(jīng)過(guò)其中各層石墨烯薄膜的吸收衰減；少量經(jīng)透明反射層5透射的射頻輻射進(jìn)入位于透明反射層5另一側(cè)的透明吸收層B7并被其中各層石墨烯薄膜吸收、衰減，以及在各石墨烯薄膜層和透明介質(zhì)層的反射部分又經(jīng)歷多次反射和吸收，最終使射頻輻射的絕大部分能量被吸收。如果射頻輻射來(lái)自透明吸收層B7外側(cè)，發(fā)生的屏蔽和吸收作用與來(lái)自透明吸收層A3外側(cè)相似，因而本發(fā)明的電磁屏蔽器件可實(shí)現(xiàn)雙向的吸收為主的電磁屏蔽。而對(duì)于需要通過(guò)的光學(xué)波段，僅經(jīng)過(guò)透明吸收層A3和B7一次和透明反射層5一次，其發(fā)生的損耗較少，能實(shí)現(xiàn)高透光。

實(shí)施例

電磁屏蔽器件由依次重疊且平行配置的透明吸收層A 3、透明介質(zhì)A 4、透明反射層5、透明介質(zhì)B6及透明吸收層B7裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層A3由依次平行配置的單層的石墨烯薄膜A10、透明介質(zhì)C11及單層的石墨烯薄膜B12構(gòu)成，透明反射層由微環(huán)金屬網(wǎng)柵14構(gòu)成，透明吸收層B7由一層的單層的石墨烯薄膜C13構(gòu)成。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：當(dāng)金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效率為19.0dB時(shí)，本發(fā)明的電磁屏蔽效率為23.7dB，若射頻輻射來(lái)自電磁屏蔽器件透明吸收層A3外側(cè)，吸收損耗占總屏蔽能量的58.6%；若射頻輻射來(lái)自電磁屏蔽器件透明吸收層B7外側(cè)，吸收損耗占總屏蔽能量的41.0%；針對(duì)該結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽器件兩側(cè)的射頻輻射均實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電磁屏蔽，且石墨烯薄膜層數(shù)越多，吸收損耗所占比例越大；且透光率為88.1%，仍然具有高透光特性。

本發(fā)明還對(duì)應(yīng)另外幾種實(shí)施例，將圖5中金屬網(wǎng)柵換為透明導(dǎo)電金屬化合物薄膜或納米銀線(xiàn)薄膜，并保持原來(lái)的各層排布方式不變，最終也可獲得相似效果；增加或減少圖5中透明吸收層的被透明介質(zhì)分隔的石墨烯薄膜層數(shù)，將會(huì)導(dǎo)致吸收損耗的增加或透光率的提高，可根據(jù)實(shí)際需要做相應(yīng)調(diào)整。