CN107006077A - 具有石墨烯膜的透明加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透明加热装置，其包括：被固定到透明基板的石墨烯膜；被连接到石墨烯膜的第一边缘的第一电极(205)；以及被连接到石墨烯膜的第二边缘的第二电极(206)，其中，存在跨石墨烯膜从第一电极(205)至第二电极(206)的电阻梯度。

Description

具有石墨烯膜的透明加热装置
技术领域
本公开涉及一种透明加热装置，并且特别地涉及包括石墨烯膜的石墨烯加热装置以及形成该石墨烯加热装置的方法。
背景技术
对于某些应用而言，诸如对于用于机动车辆的风挡或后视镜而言，将期望以能够跨其表面传导电流的透明元件的形式提供一种透明加热装置。因此，通过在透明元件的边缘处向电极施加电压，可以将透明元件加热。在风挡或后视镜的情况下，此类加热装置可以用来去除和/或预防结霜。
氧化铟锡(ITO)是一种当以薄层形式施加时提供透明导电层的材料。然而，ITO具有许多缺点。特别地，其是相对脆性的材料，使得其不适合于在使用期间可以弯曲的表面。此外，铟供应短缺，使得ITO相对昂贵。
已经提出的ITO的一个替换方案是石墨烯。石墨烯是一种由形成厚度为一个原子的晶格的碳原子构成的材料。其是导电的、透明的且柔性的，并且可以以相对低的成本产生。例如，J.Kang等人在2011年11月14日的Nano Letters、3b2、版本9、第5154至5158页的题为“High-Performance Graphene-Based Transparent Flexible Heaters”的出版物描述了一种基于通过在Cu箔上的化学气相沉积而合成的大规模石墨烯膜的柔性透明加热器。
然而，在提供包括石墨烯的跨其表面具有相对均匀的热发射的透明加热装置时存在技术问题。
此外在某些实施例中还将期望能够在透明加热装置上显示信息，然而在这样做时存在技术问题。
发明内容
本公开的实施例的目的是至少部分地解决现有技术中的一个或多个问题。
根据一个方面，提供了一种透明加热装置，其包括：石墨烯膜，其被固定到透明基板；第一电极，其被连接到所述石墨烯膜的第一边缘；以及第二电极，其被连接到所述石墨烯膜的第二边缘，其中，存在跨石墨烯膜从第一电极至第二电极的电阻梯度。
根据一个实施例，所述石墨烯膜包括邻近于第一电极的第一区域和至少一个其它区域，所述第一区域适合于具有比所述至少一个其它区域中的每一个更低的每平方电阻。例如，所述石墨烯膜包括厚度减小和/或不存在石墨烯的区域，相对于所述至少一个其它区域的所述第一区域中的较低的每平方电阻由所述厚度减小和/或不存在石墨烯的区域的表面面积和/或厚度而引起。
根据一个实施例，所述至少一个其它区域包括在石墨烯膜的一个或多个石墨烯单层中形成的开口。
根据一个实施例，第一区域包括在石墨烯膜的一个或多个石墨烯单层中形成的开口，并且开口的密度在所述至少一个其它区域中比在第一区域中更大。
根据一个实施例，所述第一区域包括多个石墨烯单层，并且所述至少一个第二区域包括比第一区域更少的石墨烯单层。
根据另一方面，提供了一种透明加热装置，其包括：石墨烯膜，其被固定到透明基板；第一电极，其被连接到所述石墨烯膜的第一边缘；第二电极，其被连接到所述石墨烯膜的第二边缘，其中，存在跨石墨烯膜从第一电极至第二电极的电阻梯度，所述石墨烯膜包括邻近于所述第一电极的第一区域和至少一个其它区域，所述第一区域适合于具有比所述至少一个其它区域中的每一个更低的电阻；以及一个或多个栅极电极，其位于所述至少一个其它区域中并通过绝缘层与所述石墨烯膜隔离，施加于一个或多个栅极电极的电压增加所述至少一个其它区域中的石墨烯膜的每平方电阻。
根据一个实施例，所述一个或多个栅极电极中的每一个具有至少1cm2的表面面积。
根据一个实施例，所述透明加热装置包括多个其它区域，栅极电极中的第一个位于所述其它区域中的第一个中，并且栅极电极中的第二个位于所述其它区域中的第二个中。
根据一个实施例，所述透明加热装置还包括控制电路，其适合于向第一栅极电极施加第一电压并向第二栅极电极施加不同于第一电压的第二电压。
根据一个实施例，所述透明加热装置还包括显示器，其包括一个或多个发光元件，每个具有一对电极，其中，所述石墨烯膜形成每个发光元件的电极对中的一个。
根据另一方面，提供了一种制造透明加热装置的方法，包括：形成石墨烯膜，其具有跨石墨烯膜从石墨烯膜的第一边缘至第二边缘的电阻梯度；以及将石墨烯膜固定到透明基板。
根据一个实施例，形成石墨烯膜包括将石墨烯膜暴露于与石墨烯反应的溶液，以增加石墨烯膜的电阻率，其中，石墨烯膜的第一区域在比石墨烯膜的第二区域更少的时间内被暴露于反应溶液。
根据一个实施例，所述反应溶解包括以下各项中的一个或多个：过硫酸钠；重氮盐；以及硝酸。
根据另一方面，提供了一种透明加热和显示装置，包括：透明加热元件，其由被固定到透明基板的石墨烯膜形成；以及多个发光元件，每个包括一对电极，其中，所述石墨烯膜形成所述发光元件中的每一个的电极对中的一个。
根据一个实施例，所述多个发光元件是有机发光二极管，并且所述石墨烯膜直接地接触所述有机发光二极管中的每一个的有机层。
根据一个实施例，每个发光元件的电极对中的另一个被经由相应导电迹线耦合到控制电路。
根据一个实施例，所述透明加热和显示装置还包括：第一电极，其被连接到所述石墨烯膜的第一边缘；第二电极，其被连接到所述石墨烯膜的第二边缘，其中，所述多个发光元件中的第一个位于与第一电极的第一距离处，并且所述多个发光元件中的第二个位于与第一电极的第二距离处，其中，所述控制电路适合于生成用于激活第一发光元件的第一电压信号和用于激活第二发光元件的第二电压信号，所述第一和第二电压信号的电平基于第一和第二距离来选择。
根据一个实施例，发光元件中的至少一个是有机发光二极管。
根据另一方面，提供了一种方法，包括：形成包括石墨烯膜的透明加热装置；以及形成多个发光元件，每个发光元件具有一对电极，其中，所述石墨烯膜形成每个发光元件的电极对中的一个。
附图说明
根据参考附图以举例说明而非限制的方式给出的实施例的以下详细描述，前述及其它特征和优点将变得显而易见，在所述附图中：
图1图示出石墨烯装置中的不均匀热发射的示例；
图2A在平面图中图示出根据本公开的实施例的包括石墨烯膜的透明加热装置；
图2B是根据一个实施例的图2A的透明加热装置的横截面图；
图3是图示出根据本公开的实施例的形成透明加热装置的方法中的操作的流程图；
图4示意性地图示出根据本公开的实施例的用于形成石墨烯单层的设备；
图5图示出根据本公开的实施例的将石墨烯单层转印到透明基板的方法中的步骤；
图6A图示出根据本公开的实施例的具有开口的石墨烯膜；
图6B图示出根据本公开的另一实施例的具有开口的石墨烯膜；
图7图示出根据本公开的实施例的包括具有不同表面面积的多个单层的石墨烯膜；
图8图示出根据本公开的实施例的用于增加石墨烯膜的电阻率的过程步骤；
图9示意性地图示出根据本公开的另一实施例的透明加热装置的横截面图；
图10A是图示出根据本公开的实施例的包括发光元件的透明加热装置的平面图；
图10B是根据本公开的实施例的图10A的装置的一部分的横截面图；以及
图11示意性地图示出用于控制透明加热和显示装置的***。
应注意的是，出于明了的目的，图中的形成透明加热装置的各种层的表示并未按比例描绘。
具体实施方式
图1图示出石墨烯场效应晶体管中的热发射的示例，并且基于I.J.Luxmoore等人在Applied Physics Letters 103,131906(2013)中的题为“Thermal emission fromlarge area chemical vapor deposited graphene devices”的出版物的图3(a)，其内容被通过引用结合到本文中。
石墨烯场效应晶体管包括具有约3.5mm乘3.5mm的尺寸的石墨烯单层102。石墨烯层102的左侧边缘被连接到漏极电极104，并且石墨烯层102的右侧边缘被连接到源极电极106。虽然在图1中未示出，但该装置还包括栅极电极。
在图1中用十字形阴影来表示装置中的热发射，较细的阴影指示较高的热发射。图1的热发射对应于其中存在零栅偏置并通过将电极104连接到源电压且将电极106连接到接地电压来施加20mA的漏电流的情况。接近于漏极接点观察到单个大的热点108。石墨烯装置的其它区中的热发射是相对低的。
将期望提供一种基于石墨烯的透明加热装置，其不遭受跨其表面的此类不均匀的热发射。
用于改善热发射的均匀度的一个解决方案将是增加石墨烯层的厚度和/或向装置添加一个或多个附加导电层或导电网格。然而，此类解决方案很可能显著地降低透明度，这在许多应用中是不期望的。
图2A在平面图中图示出根据本公开的实施例的透明加热装置200。装置200包括透明元件201，其包括石墨烯膜。
图2B图示出透明元件201的横截面A-A。透明元件201例如包括被固定到透明基板203的石墨烯膜202，透明基板203例如由蓝宝石、石英、玻璃、层压玻璃、硅和/或透明聚合物或任何其它类型的透明材料(诸如上述各项的组合)形成。石墨烯膜202例如由被结合或者另外固定在一起的多个石墨烯单层形成。例如，每个石墨烯单层具有约0.35nm的厚度，并且因此石墨烯202例如具有在0.35与约2nm之间的厚度。在某些实施例中，例如使用P掺杂剂(诸如AuCl3和/或HNO3)对石墨烯膜202进行掺杂以便减小其表面电阻。另外或替换地，可以在石墨烯层中的一个或多个之间***FeCl3层以减小元件电阻。例如，在I.Khrapach等人在Advanced Materials 2012,24,2844-2849中的题为“Novel Highly Conductive andTransparent Graphene-Based Conductors”的出版物中更详细地描述了此类技术，其内容被通过引用结合到本文中。
可选地，在透明加热装置200是诸如后视镜之类的反射镜的情况中，装置还可以包括反射材料的层或涂层24。在图2B的示例中，形成接触石墨烯膜202的层204，但是在替换实施例中，其可以在透明基板203上形成，并且石墨烯膜202可以是反射镜的外层，例如被涂布透明漆。
透明加热装置200和石墨烯膜可以是平坦的，如图2B中所示。在替换实施例中，诸如在汽车风挡的情况下，加热装置200和石墨烯膜202可以至少部分地弯曲。
再次参考图2A，石墨烯膜的左侧边缘例如被电连接到接收电压V1的电极205，并且石墨烯膜的右侧边缘例如被电连接到接收电压V2的电极206。在图2A的示例中，透明层202是矩形的，但是在替换实施例中，其可以具有其它形状。例如，透明装置200可以是汽车风挡或后视镜，并且被因此成形。透明元件201和石墨烯膜202例如可以具有至少1cm2的表面面积和/或电极205和206分离的距离等于至少10mm。
石墨烯膜202跨其表面具有不均匀电阻率，换言之每平方的不均匀电阻。例如，存在跨石墨烯膜202从电极205、206中的一个至另一个的电阻梯度。在某些实施例中，电阻梯度是一维的，意味着电阻沿着石墨烯膜202的一个维度是基本上恒定的。在其它实施例中，当石墨烯层到电极的连接并非沿着整个边缘而是集中于一个或几个点时，电阻梯度例如被制造成使得其补偿场线的散布，以便每个表面单位产生恒定或基本上恒定的焦耳加热。
图2A的示例假设跨电极205、206施加DC电压，具有V1＞V2，并且在这种情况下，电阻率例如最接近于电极205是最低的。在图2A的示例中，石墨烯膜(202)由七个区域形成，从左至右分别地标记为208、210、212、214、216、218和220。每个区域对应于从石墨烯膜202的一侧延伸至另一侧的垂直带，其平行于电极205、206，并且具有不同的电阻率水平。所述带例如具有在以下范围内的每平方电阻：
—带208：在3和5欧姆之间；
—带210：在5和7欧姆之间；
—带212和220：在7和10欧姆之间；
—带214和218：在10和15欧姆之间；
—带216：在15和40欧姆之间。
电极205和206之间的石墨烯膜202的总电阻例如在5至20欧姆范围内，假设石墨烯膜是正方形的，换言之其宽度和高度是相等的。在某些实施例中，可以通过在石墨烯膜上提供银涂层来进一步减小电阻，例如，如R.Chen等人在Advanced Functional Materials2013、23、5150—5158中的题为“Co-Percolating Graphene-Wrapped Silver NanowireNetwork for High Performance,Highly Stable,Transparent Conducting Electrodes”的出版物中所述，其内容被通过在法律允许程度上的引用而结合到本文中。
在透明加热装置200的操作期间，石墨烯膜202例如被制造成通过使电流通过它而产生热。这例如是通过将电极205连接到正电压(例如具有在10至40V的范围内的V1)并将电极206连接到接地电压GND(例如具有等于0V的V2)而实现的。假设跨电极205、206施加12V的电压，并且跨石墨烯膜的功率耗散例如在1.44W至18W范围内。
在替换实施例中，可以在电极205、206之间施加交流电(AC)，电压信号V1和V2例如是正弦形式的，相互异相180度。在这种情况下，电极205、206之间的跨石墨烯膜202的电阻梯度是例如对称的。例如，带208和220两者具有每平方第一电阻，带210和218两者具有高于该第一电阻的每平方第二电阻，带212和216两者具有高于该第二电阻的每平方第三电阻，并且带214具有高于该第三电阻的每平方第四电阻。
提供具有不同电阻率的石墨烯膜的区域的优点是可以至少部分地避免热点的存在。事实上，通过石墨烯膜的电流是恒定的，每个区域的功率耗散将仅是其电阻的函数，并且电阻越高，功率耗散越大，抵消引起上文相对于图1所述的不均匀热发射的现象。此外，使石墨烯膜改性以产生电阻梯度将不会显著地降低其透明度。
具有七个区域208至220的图2A的布置仅仅是一个示例，并且对于本领域的技术人员而言将显而易见的是在替换实施例中可以将石墨烯膜非常不同地划分成不同电阻率的区域。一般地，在DC实施方式中，石墨烯膜被例如划分成至少两个单独区域，最接近电极205中的一个的区域具有比距离电极205最远的区域更低的每平方电阻。在AC实施方式中，石墨烯膜例如被划分成至少三个单独区域，最接近电极205、206的区域具有低于一个或多个中央区域的每平方电阻。替换地，石墨烯膜可以跨其表面具有逐渐变化的电阻率，例如具有基本上恒定的电阻梯度。
图3是示出了形成透明加热装置的方法中的步骤的流程图。
在步骤301中，形成具有电阻梯度的石墨烯膜。例如，如上所述，在石墨烯膜的不同区域之间存在不均匀电阻率。
在步骤302中，将石墨烯膜固定到透明基板。在某些实施例中，还将石墨烯膜的边缘连接到电极，允许跨石墨烯膜施加电压。
形成石墨烯膜的步骤例如涉及到使用现在将参考图4来描述的设备形成单层的石墨烯。在Z.Han等人在Adv.Funct.Mater.、2013、DOI：10.1002/adfm.201301732中的题为“Homogeneous Optical and Electronic Properties of Graphene Due to theSuppression of Multilayer Patches During CVD on Copper Foils”的出版物中更详细地描述了此类设备，其内容被通过引用结合到本文中。
图4图示出用于形成石墨烯单层的设备400。设备400包括在其中形成石墨烯单层的反应室402。例如，反应室402是管式炉或可以被加热的其它类型的室。
例如由铜箔形成的支撑层404被置于室402内。支撑层404提供适合于石墨烯形成的表面。特别地，支撑层404的材料例如被选作提供用于石墨烯形成的催化剂的材料，并且例如具有相对低的碳可溶性。可以被用于支撑层404的其它材料包括铜合金(诸如铜和镍、铜和钴、铜和钌、诸如钴、镍或钌之类的其它金属的合金)或电解质材料，诸如二氧化锆、氧化铪、氮化硼和氧化铝。在某些实施例中，作为是箔的替代，支撑层404可以是在基板(例如蓝宝石基板)上形成的薄膜。支撑层404例如具有在0.1和100微米之间的厚度。
反应室402的进口406允许向室中引入气体，并且出口408允许从室吸取气体。进口406例如被三个气体储存器410A、410B和410C供应气体，该气体储存器在图4的示例中分别地储存氢气(H2)、氩气(Ar)以及甲烷(CH4)。在下面更详细地讨论的替换实施例中，可以使用不同气体。特别地，作为氢气的替代，可以使用不同的蚀刻气体，换言之可与碳反应的气体，诸如氧气。作为氩气的替代，可以使用另一惰性气体，诸如氦气。此气体例如被用来控制反应室402中的总压力，并且在某些实施例中可以完全省略。作为甲烷的替代，可以使用不同的有机化合物，诸如丁烷、乙烯或乙炔。
进口406被经由包括阀414A的管412A耦合到储存器410A；经由包括阀414B的管412B耦合到储存器410B；并且经由包括阀414C的管412C耦合到储存器410C。阀414A至414C控制各气体到室中的流速。阀414A至414C例如被计算装置416电子控制。
出口408例如被经由管422耦合到真空泵424以便从反应室402抽空气体。泵424的抽空速率例如也由计算装置416控制。如箭头426所表示的，计算装置还可以控制反应室402的一个或多个加热元件在石墨烯形成过程期间将室的内部加热。
一旦已经由图4的设备产生石墨烯单层，例如使用卷到卷方法将其转印到图2B的透明基板203，如现在将参考图5描述的。在S.Bae等人在2010年6月20日的NatureNanotechnology中的题为“Roll-to-roll production of 30-inch graphene films fortransparent electrodes”的出版物中更详细地描述了此类方法，其内容被通过引用结合到本文中。
图5图示出用于将在铜箔404上形成的石墨烯单层502转印到透明基板203上的步骤。
在图5中左侧所示的第一步骤中，通过在一对辊子506之间传递石墨烯单层502和聚合物层504而将石墨烯单层502固定到聚合物层504。然后通过将铜箔404通过铜蚀刻剂510的浴器508来去除铜箔404。然后通过在另一对辊子510之间传递石墨烯层502和聚合物层504而将石墨烯单层502从聚合物层504转印到透明基板203。
可以用现在将参考图6A、6B、7、8和9所述的技术中的一个或多个来实现石墨烯膜的不同区域之间的电阻率的差异。
图6A、6B和7图示出其中石墨烯膜的不同区域之间的电阻率的差异由跨石墨烯膜的石墨烯厚度的差和/或厚度减小或不存在石墨烯的区域的表面面积的差异而引起。特别地，在图6A和6B的示例中，通过一个或多个石墨烯单层形成开口，使得石墨烯厚度跨石墨烯膜改变，并且开口的表面面积确定电阻率。在图7的示例中，石墨烯膜的不同区域包括不同数目的石墨烯单层，因此导致不同区域之间的电阻率的差异。
图6A是图示出电阻率的差异由通过形成石墨烯膜202的石墨烯单层中的一个或多个蚀刻的开口601引起的情况下的石墨烯膜202的一部分的平面图。在图6A的示例中，石墨烯膜的区域602不包括开口，而区域604、606和608全部包括规则间距的开口601，开口从区域604至区域608逐渐变大。一个开口601的中心到下一个分开的距离s和/或每个开口601的直径d例如被选择成小于等于例如约1mm的最小值，使得由开口的存在引起的对石墨烯膜的透明度的修改是不可见的。在某些实施例中，开口具有直径方面的1μm或更小的最小尺寸。
图6B是图示出电阻率的差异由通过形成石墨烯膜202的石墨烯单层中的一个或多个蚀刻的开口610引起的情况下的石墨烯膜202的一部分的平面图。在图6B的示例中，石墨烯膜的区域612不包括开口，而区域614、616、618和620全部包括相同尺寸的开口610，开口的数目从区域614至区域620逐渐变高。如在图6A中一样，一个开口610的中心至下一个分离的距离s和/或每个开口610的直径d例如被选择成小于等于例如1mm的最小值，使得由开口的存在引起的对石墨烯膜的透明度的修改是不可见的。在某些实施例中，开口具有直径方面的1μm或更小的最小尺寸。
图6A和6B两者图示出其中石墨烯膜的区域之间的电阻率的差异由厚度减小和/或不存在石墨烯的区域引起的示例。特别地，石墨烯膜例如包括其中石墨烯膜在厚度方面减小或者完全不存在的开口。这些开口所占用的表面面积确定每个区域中的石墨烯膜的电阻率。例如，在各种区域中存在开口密度的差异，密度越高，电阻率越高和/或存在开口的表面面积的差异。开口是例如使用光刻过程形成的，该光刻过程涉及到对硬掩膜进行图案化，并且然后使用例如氧等离子体蚀刻在未被硬掩膜保护的区中蚀刻石墨烯膜202的一个或多个石墨烯单层。
虽然图6A和6B的示例中的开口601、610是圆形的，但在替换实施例中，其可以具有其它形状，包括采取跨石墨烯膜延伸的线的形式。
图7是根据其中石墨烯膜202的区域之间的电阻率的差异由每个区域中的石墨烯单层的数目的差异而引起的示例的透明加热装置200的横截面图。例如，在图中从左至右标记为702至712的石墨烯膜202的六个区域具有以下数目的堆叠石墨烯单层：
—区域702：4个石墨烯单层；
—区域704：3个石墨烯单层；
—区域706：2个石墨烯单层；
—区域708：1个石墨烯单层；
—区域710：2个石墨烯单层；以及
—区域712：3石墨烯单层。
图7的结构例如是通过将每个石墨烯单层形成为具有一定表面面积并将使用上文相对于图5所述的方法将其相继地固定到透明电极203而实现的。
当然，图7仅仅是一个示例，并且区域的各种不同数目和定位以及每个区域中的单层的不同数目将是可能的。此外，另外可以根据上文相对于图6A或图6B所述的方法来蚀刻石墨烯单层中的一个或多个以改变电阻率。
使用其中石墨烯在厚度方面减小或不存在的区域的表面面积和/或厚度的变化来提供石墨烯膜的不同区域的电阻率的变化的优点是此类变化导致透明装置中的非常低水平的化学效应。事实上，每个石墨烯单层的厚度仅为约0.35nm，导致石墨烯膜的电阻率的显著变化的石墨烯膜的厚度变化将始终是相对低的，例如始终小于约3nm。远离300至700nm的可见光的波长，此类厚度变化将不会引入除透明度的一定变化之外的可见光学效应。另一方面，诸如ITO之类的其它材料是一般地100至300nm的厚得多的层。因此，当此类材料的厚度改变时，这导致不期望的光学效应，诸如称为虹彩的效应。
图8图示出用于使用可以与石墨烯反应的溶液来增加石墨烯膜的电阻率的过程步骤。例如，将从上文所述的图4的方法得到的石墨烯单层502和铜箔404浸在反应溶液804的浴器802中。在一个实施例中，溶液804包括过硫酸钠，其具有化学式Na2S2O8，并且该溶液例如包含处于0.1g/ml的浓度的过硫酸钠。替换地，溶液804可以包括重氮盐和/或硝酸。
本发明人已经发现石墨烯层暴露于此类溶液时间越长，石墨烯层中的缺陷密度越高，并且因此电阻率越高。通过改变石墨烯层202的不同区域的暴露时间，因此可以改变这些区域中的电阻率。可以使用这种技术来制造一个或多个石墨烯单层，并且然后相继地固定在透明基板203上以便形成石墨烯膜202。
例如，可以通过将石墨烯层至少部分地浸没在浴器802中且然后将石墨烯层逐渐地从浴器提升出来而获得从一个边缘至另一个具有电阻梯度的石墨烯层，如图中所表示的。替换地，如果期望形成在其中心区域中具有最高电阻率的石墨烯层，则可以使用与如图5中所示的使用浴器508的布置类似的布置，其中用反应溶液804来替换蚀刻剂510。
图9图示出根据其中通过向石墨烯膜的每个区域施加不同电场来实现石墨烯膜202的区域之间的电阻的差异的示例的透明加热装置200的另一实施例。如所示，平行于石墨烯膜202而形成七个栅极电极902至914，并且用例如具有约10至20nm的厚度的绝缘层916从该石墨烯膜202分离。在某些实施例中，每个栅极电极具有至少1cm2的表面面积，使得其改变石墨烯膜的相应表面面积的电阻率。该栅极电极例如由石墨烯层或者由ITO形成。可以经由相应开关向每个栅极电极施加例如在5至10V范围内的栅极电极VG，并且邻近于每个栅极电极的区域中的石墨烯膜202的电阻将根据栅极电极的水平而改变。因此，各区域中的第一个的一个或多个栅极电极例如接收第一电压电平的栅极电极VG，并且各区域中的第二个的一个或多个栅极电极例如接收不同于第一电压电平的第二电压电平的栅极电压VG'，使得石墨烯膜的电阻率在第一和第二区域中是不同的。
图10A是根据包括发光元件1002的实施例的透明加热装置1000的一部分的平面图，所述发光元件1002中的每一个是例如发光二极管(LED)，诸如有机LED或者液晶显示器(LCD)元件。在图10A的示例中，存在14个发光元件，其被布置成形成两个图8的区段，使得通过选择性地点亮某些元件，可以表示任何两位数。在替换实施例中，根据要显示的信息，发光元件1002可以具有其它形状和/或被不同地布置。例如，发光元件1002可以是以阵列形式形成的矩形像素。
发光元件1002中的每一个例如包括被各导电迹线1004连接到装置1000的边缘的电极。发光元件1002和导电迹线1004是例如充分透明和/或间隔开的，使得其并未显著地影响装置1000的透明度。
图10B是图10A的结构的横截面图，沿着通过发光元件1002中的一个和导电迹线1004的一部分的图10A的线B-B截取。元件1002中的每一个例如具有类似结构。
图10B图示出元件1002是有机发光二极管(OLED)的情况。例如在T.Han等人在2012年2月的Nature Photonics VOL 6中的题为“Extremely efficient flexible organiclight-emitting diodes with modified graphene anode”的出版物中更详细地描述了具有类似结构的OLED，其内容被通过引用结合到本文中。
导电迹线1004例如由石墨烯或ITO的透明导电层形成，其还在形成发光元件1002的堆叠的顶部上形成图案化电极1006。导电迹线1004例如是在透明基板1005上形成的，例如类似于上文所述的基板203，并且在其中形成有发光元件1002。
形成发光元件1002的堆叠例如包括有机发光层1008和可选地有机功函数调整层(organic work function adjustment layer)1010。堆叠还可以包括在图10B中未示出的一个或多个其它层。
透明加热装置1000还包括由石墨烯膜1012形成的加热元件，其例如在与形成有导电迹线1004的一侧相对的透明基板1005的一侧形成。透明加热元件1012通过使电流从其通过而被加热。在某些实施例中，石墨烯膜1012具有均匀电阻率，而在替换实施例中，其可以具有类似于上文所述的石墨烯膜202的电阻梯度。
如图10B中所示，石墨烯膜1012以与有机发光二极管的有机层1008、1010中的一个直接接触的方式形成。在图10B的示例中，石墨烯膜1012直接地接触有机功函数调整层1010，但是在替换实施例中，可以省略此层，或者以与电极1006接触的方式放置，并且石墨烯膜1012可以直接地接触有机发光层1008。在任一种情况下，石墨烯膜1012因此形成发光元件的电极。
当与其中发光元件本身具有然后被连接到石墨烯膜1012的电极的情况相比时，在石墨烯膜1012形成发光元件的电极中的一个的情况下形成发光元件的优点是可以减小发光元件的厚度。此外，可以期望的是透明加热和显示装置1000是高度透明的。通过使用石墨烯膜1012作为发光元件的电极中的一个，可以实现相对高的透明度。例如，在发光元件是有机发光二极管的情况下，此二极管可以仅由有机层(诸如上文所述的层1008和1010)以及石墨烯层(诸如层1012和1006)形成，并且可以因此具有非常高的透明度。
现在将参考图11来描述透明加热装置的操作。
图11示意性地图示出用于控制在图11中的横截面图中表示的透明加热和显示装置1000的***1100。在图11中在与装置1000的边缘1202的不同距离处图示出标记为A、B、C和D的发光元件中的四个。
发光元件A至D中的每一个例如被在石墨烯膜1012与其顶部电极1006之间施加的电压差激活。施加于顶部电极1006的电压电平例如被选择成以便产生期望的电压差，并且例如是发光元件1006与在该处施加电压的石墨烯膜1012的边缘1102之间的距离的函数。
特别地，如图11中所示，例如由驱动电路1103向被连接至石墨烯膜1012的边缘1102的电极1104施加电压V1。如果石墨烯膜1012将被加热，则还例如由驱动电路1105向被连接至石墨烯膜1012的另一边缘1108的电极1106施加电压V2。鉴于石墨烯膜1012的每平方电阻，施加于电极1104的电压将在每个发光元件处引起一定的电压电平，这些电压电平针对元件A至D在图11中被分别地标记为Va至Vd。这些电压电平Va至Vd将取决于电极1104与相应发光元件1002之间的电阻，其是距离的函数。
控制电路(CTRL)1110例如产生经由相应导电迹线而分别地施加于发光元件A至D的顶部电极1006以选择性地激活元件中的一个或多个的电压电平VA至VD。例如，假设每个发光元件被跨其电极施加的2V的电压差激活，并且电压Va、Vb、Vc和Vd分别地是11V、10V、9V和8V，为了激活元件A，电压VA例如被设置成9V，为了激活元件B，电压VB例如被设置成8V，为了激活元件C，电压VC例如被设置成7V，并且为了激活元件D，电压VD被设置成6V。
图2A至图9的实施例的优点是通过提供跨其表面具有电阻梯度的石墨烯膜，透明加热装置具有均匀度得到改善的热发射，同时保持了加热装置的相对高的透明度。
图10A至图11的实施例的优点是提供了在保持相对高的透明度的同时集成了发光元件的透明加热装置。
已这样描述了本发明的至少一个说明性实施例，本领域的技术人员将想到各种变更、修改以及改善。例如，在替换实施例中，可以以任何组合的方式将相对于各种实施例描述的各种特征组合。
此类变更、修改以及改善意图在本发明的精神和范围内。因此，前文的描述仅仅是以示例的方式而不意图作为限制性的。本发明仅仅如在以下权利要求及其等价物中定义的那样受到限制。

Claims (16)

1.一种透明加热装置，包括：
石墨烯膜(202)，其被固定到透明基板(203)；
第一电极(205)，其被连接至所述石墨烯膜(202)的第一边缘；以及
第二电极(206)，其被连接至所述石墨烯膜(202)的第二边缘，其中，存在跨石墨烯膜(202)从第一电极(205)至第二电极(206)的电阻梯度，所述石墨烯膜(202)包括邻近于第一电极(205)的第一区域(208)和至少一个其它区域(210至220)，第一区域适合于具有低于所述至少一个其它区域中的每一个的每平方电阻，石墨烯膜(202)包括厚度减小和/或不存在石墨烯的区域，相对于所述至少一个其它区域的第一区域中的较低的每平方电阻由厚度减小和/或不存在石墨烯的所述区域的表面面积和/或厚度而引起。
2.根据权利要求1所述的透明加热装置，其中，厚度减小和/或不存在石墨烯的区域包括在所述至少一个其它区域中在石墨烯膜(202)的一个或多个石墨烯单层中形成的开口(601、610)。
3.根据权利要求2所述的透明加热装置，其中，所述第一区域包括在石墨烯膜的一个或多个石墨烯单层中形成的开口(601、610)，并且其中，所述开口的密度和/或所述开口的表面面积在所述至少一个其它区域中比在第一区域中更大。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的透明加热装置，其中，所述第一区域包括多个石墨烯单层，并且其中，所述至少一个其它区域包括比第一区域更少的石墨烯单层。
5.一种透明加热装置，包括：
石墨烯膜(202)，其被固定到透明基板(203)；
第一电极(205)，其被连接至所述石墨烯膜(202)的第一边缘；
第二电极(206)，其被连接至所述石墨烯膜(202)的第二边缘，其中，存在跨石墨烯膜(202)从第一电极(205)至第二电极(206)的电阻梯度，所述石墨烯膜(202)包括邻近于第一电极(205)的第一区域(208)和至少一个其它区域(210至220)，所述第一区域适合于具有比所述至少一个其它区域中的每一个更低的电阻；以及
一个或多个栅极电极(902至914)，其位于所述至少一个其它区域中并通过绝缘层(916)与石墨烯膜(202)隔离，施加于所述一个或多个栅极电极的电压(VG)增加所述至少一个其它区域中的石墨烯膜(202)的每平方电阻。
6.根据权利要求5所述的透明加热装置，其中，所述一个或多个栅极电极中的每一个具有至少1cm2的表面面积。
7.根据权利要求5或6所述的透明加热装置，包括多个所述其它区域，所述栅极电极中的第一个位于所述其它区域中的第一个中，并且所述栅极电极中的第二个位于所述其它区域中的第二个中。
8.根据权利要求7所述的透明加热装置，还包括控制电路，其适合于向第一栅极电极施加第一电压并向第二栅极电极施加不同于第一电压的第二电压。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的透明加热装置，还包括显示器，其包括一个或多个发光元件(1002)，每个具有一对电极，其中，所述石墨烯膜(202)形成每个发光元件的电极对中的一个。
10.一种透明加热和显示装置，包括：
透明加热元件，其由被固定到透明基板(1005)的石墨烯膜(1012)形成；以及
多个发光元件(1002)，每个包括一对电极(1006、1012)，其中，所述石墨烯膜(1012)形成所述发光元件(1002)中的每一个的电极对中的一个。
11.根据权利要求10所述的透明加热和显示装置，其中，所述多个发光元件是有机发光二极管，并且其中，所述石墨烯膜直接地接触所述有机发光二极管中的每一个的有机层。
12.根据权利要求10或11所述的透明加热和显示装置，还包括：
第一电极(205)，其被连接至所述石墨烯膜(202)的第一边缘；以及
第二电极(206)，其被连接至所述石墨烯膜(202)的第二边缘，其中，存在跨所述石墨烯膜(202)从第一电极(205)至第二电极(206)的电阻梯度。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的透明加热和显示装置，其中，每个发光元件(1002)的电极对中的另一个被经由相应导电迹线(1004)耦合到控制电路(1110)。
14.根据权利要求13所述的透明加热和显示装置，还包括：
第一电极(1104)，其被连接至所述石墨烯膜(1012)的第一边缘；
第二电极(1106)，其被连接至所述石墨烯膜(1012)的第二边缘，其中，所述多个发光元件(1002)中的第一个位于与第一电极(1104)的第一距离处，并且所述多个发光元件中的第二个位于与第一电极的第二距离处，其中，所述控制电路(1110)适合于生成用于激活第一发光元件的第一电压信号(VA)和用于激活第二发光元件(B)的第二电压信号(VB)，所述第一电压信号和第二电压信号的电平基于第一距离和第二距离来选择。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的透明加热和显示装置，其中，所述发光元件(1002)中的至少一个是有机发光二极管。
16.一种方法，包括：
形成包括石墨烯膜(1012)的透明加热装置(1000)；以及
形成多个发光元件(1002)，每个发光元件具有一对电极(1006、1012)，其中，所述石墨烯膜(1012)形成每个发光元件(1002)的电极对中的一个。
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