CN101458593B - 触摸屏及显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种触摸屏，该触摸屏包括一基体；一透明导电层，该透明导电层设置于上述基体的一表面；以及至少两个电极，该至少两个电极间隔设置并与该透明导电层电连接。其中，所述的透明导电层包括至少两个重叠的碳纳米管层，每一碳纳米管层包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向排列。进一步地，本发明还涉及一种显示装置，其包括一显示设备及一触摸屏。
Description
技术领域
本发明涉及一种触摸屏及显示装置，尤其涉及一种采用碳纳米管透明导电层的触摸屏及使用该触摸屏的显示装置。
背景技术
近年来，伴随着移动电话与触摸导航系统等各种电子设备的高性能化和多样化的发展，在液晶等显示设备的前面安装透光性的触摸屏的电子设备逐步增加。这样的电子设备的利用者通过触摸屏，一边对位于触摸屏背面的显示设备的显示内容进行视觉确认，一边利用手指或笔等方式按压触摸屏来进行操作。由此，可以操作电子设备的各种功能。
按照触摸屏的工作原理和传输介质的不同，现有的触摸屏分为四种类型，分别为电阻式、电容式、红外线式以及表面声波式。其中电容式触摸屏因准确度较高、抗干扰能力强应用较为广泛。
现有技术中的电容型触摸屏(请参见“连续薄膜电容式触摸屏的研究”，李树本等，光电子技术，vol 15，p62(1995))包括一玻璃基板，一透明导电层，以及多个金属电极。在该电容型触摸屏中，玻璃基板的材料为纳钙玻璃。透明导电层为例如铟锡氧化物(ITO)或锑锡氧化物(ATO)等透明材料。电极为通过印制具有低电阻的导电金属(例如银)形成。电极间隔设置在透明导电层的各个角处。此外，透明导电层上涂覆有钝化层。该钝化层由液体玻璃材料通过硬化或致密化工艺，并进行热处理后，硬化形成。
当手指等触摸物触摸在触摸屏表面上时，由于人体电场，手指等触摸物和触摸屏中的透明导电层之间形成一个耦合电容。对于高频电流来说，电容是直接导体，手指等触摸物的触摸将从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，触摸屏控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。
因此，透明导电层对于触摸屏是一必需的部件，现有技术中透明导电层通常采用ITO层，但是ITO层作为透明导电层具有机械和化学耐用性不够好等缺点。进一步地，采用ITO层作透明导电层存在电阻阻值分布不均匀的现象，导致现有的电容式触摸屏存在触摸屏的分辨率低、精确度不高等问题。
因此，确有必要提供一种分辨率高、精确度高及耐用的触摸屏，以及使用该触摸屏的显示装置。
发明内容
一种触摸屏，该触摸屏包括一基体；一透明导电层，该透明导电层设置于上述基体的一表面；以及至少两个电极，该至少两个电极间隔设置并与该透明导电层电连接。其中，所述的透明导电层包括至少两个重叠的碳纳米管层，每一碳纳米管层包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向排列。
一种显示装置，其包括一触摸屏，该触摸屏包括一基体，一透明导电层，该透明导电层设置于上述基体的一表面，以及至少两个电极，该至少两个电极间隔设置并与该透明导电层电连接；一显示设备，该显示设备正对且靠近触摸屏的基体设置。其中，所述的透明导电层包括至少两个重叠的碳纳米管层，每一碳纳米管层包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向排列。
与现有技术的触摸屏及显示装置相比较，本技术方案提供的触摸屏及显示装置具有以下优点：其一，透明导电层包括至少两个重叠的碳纳米管层，由于碳纳米管层具有较好的力学性能，从而使得上述的透明导电层具有较好的机械强度和韧性，故，采用上述的碳纳米管层作透明导电层，可以相应的提高触摸屏的耐用性，进而提高了使用该触摸屏的显示装置的耐用性。其二，上述碳纳米管层中的碳纳米管薄膜包含多个碳纳米管，且上述的碳纳米管在每一碳纳米管薄膜中定向排列，且相邻的两个碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向排列。故，采用上述的碳纳米管层作透明导电层，可使得透明导电层具有均匀的阻值分布，从而提高触摸屏及使用该触摸屏的显示装置的分辨率和精确度。
附图说明
图1是本技术方案实施例的触摸屏的结构示意图。
图2是沿图1所示的线II-II’的剖视图。
图3是本技术方案实施例的透明导电层的碳纳米管薄膜的扫描电镜图。
图4是本技术方案实施例的显示装置的结构示意图。
图5是本技术方案实施例的显示装置的工作原理示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本技术方案的触摸屏及显示装置。
请参阅图1和图2，触摸屏20包括一基体22、一透明导电层24、一防护层26及至少两个电极28。基体22具有一第一表面221以及与第一表面221相对的第二表面222。透明导电层24设置在基体22的第一表面221上；上述至少两个电极28分别设置在透明导电层24的每个角处或边上，且与透明导电层24形成电连接，用以在透明导电层24上形成等电位面。防护层26可直接设置在透明导电层24以及电极28上。
所述基体22为一曲面型或平面型的结构。该基体22由玻璃、石英、金刚石或塑料等硬性材料或柔性材料形成。所述基体22主要起支撑的作用。
所述透明导电层24包括至少两个重叠的碳纳米管层，每一碳纳米管层包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向排列。
进一步地，上述每一碳纳米管层可以是一个碳纳米管薄膜或多个平行且无间隙的铺设的碳纳米管薄膜。在每一个碳纳米管层中，碳纳米管沿同一方向排列。可以理解，由于上述的碳纳米管层中的碳纳米管薄膜可以平行且无间隙的铺设，故，上述碳纳米管层的的长度和宽度不限，可根据实际需要制成具有任意长度和宽度的碳纳米管层。此外，由于上述碳纳米管层中的碳纳米管薄膜还可重叠设置，故，上述碳纳米管层的厚度也不限，可根据实际需要制成具有任意厚度的碳纳米管层。
进一步地，上述的每个碳纳米管层中的每一碳纳米管薄膜都包括多个首位相连且择优取向排列的碳纳米管束，相邻的碳纳米管束之间通过范德华力连接。由于碳纳米管薄膜具有一定的韧性，可以弯折，故本技术方案实施例中的碳纳米管薄膜可为平面结构也可为曲面结构，从而本技术方案提供的透明导电层24及触摸屏20也可为曲面结构或平面结构。
碳纳米管薄膜的长度和宽度与生长碳纳米管阵列的基底的尺寸有关。具体地，基底的尺寸越大，形成碳纳米管阵列的尺寸就越大，故，最终形成的碳纳米管薄膜的尺寸也越大；反之，基底的尺寸越小，最终形成的碳纳米管薄膜的尺寸也越小。
本实施例中采用4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列，该碳纳米管薄膜的厚度为0.5纳米～100微米。当碳纳米管薄膜中的碳纳米管为单壁碳纳米管时，该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米。当碳纳米管薄膜中的碳纳米管为双壁碳纳米管时，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米。当碳纳米管薄膜中的碳纳米管为多壁碳纳米管时，该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。
本技术方案实施例透明导电层24制备方法主要包括以下步骤：
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。
本技术方案实施例提供的碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列或多壁碳纳米管阵列。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。该碳纳米管阵列与上述基底面积基本相同。
本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。
可以理解，本实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法。也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。
步骤二：采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管薄膜。其具体包括以下步骤：(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片断；(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管片断，以形成一连续的碳纳米管薄膜。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段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片断分别与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束。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。
步骤三：制备两个碳纳米管层，并重叠设置，从而形成透明导电层24。
取上述制备的两个碳纳米管薄膜分别作一碳纳米管层，即每一碳纳米管层包括一个碳纳米管薄膜。重叠设置上述的两个碳纳米管层，并使得到上述两个碳纳米管层中的定向排列的碳纳米管沿同一方向排列。可以理解，由于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，故，可以使得上述的两个碳纳米管层之间的碳纳米管都沿着平行于碳纳米管薄膜的拉伸方向排列。
请参阅图3，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。该直接拉伸获得的定向排列的碳纳米管薄膜比无序的碳纳米管薄膜具有更好的均匀性，即具有更均匀的厚度以及更均匀的导电性能。同时该直接拉伸获得碳纳米管薄膜的方法简单快速，适宜进行工业化应用。
可以理解，由于本实施例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。因此，该碳纳米管薄膜作为透明导电层24可直接粘附在基体22的一个表面上。
另外，可使用有机溶剂处理上述粘附在基体22上的碳纳米管层。具体地，可通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管层表面浸润整个碳纳米管层。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，本实施例中采用乙醇。所述至少两个碳纳米管层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，每一碳纳米管层中的平行的碳纳米管片断会部分聚集成碳纳米管束，因此，该碳纳米管薄膜可牢固地贴附在基体表面，且表面体积比减小，粘性降低，具有良好的机械强度及韧性。
可以理解，所述透明导电层24和基体22的形状可以根据触摸屏20的触摸区域的形状进行选择。例如触摸屏20的触摸区域可为具有一长度的长线形触摸区域、三角形触摸区域及矩形触摸区域等。本实施例中，触摸屏20的触摸区域为矩形触摸区域。
对于矩形触摸区域，透明导电层24和基体22的形状也可为矩形。为了在上述的透明导电层24上形成均匀的电阻网络，需在该透明导电层24的四个角处或四边上分别形成四个电极28。上述的四个电极28可由金属材料形成。具体地，在本实施例中，基体22为玻璃基板，所述四个电极28为由银或铜等低电阻的导电金属镀层或者金属箔片组成的条状电极28。上述电极28间隔设置在上述的透明导电层24同一表面的四个边上。可以理解，上述的电极28也可以设置在透明导电层24的不同表面上或基体的一个表面上，其关键在于上述电极28的设置能使得在透明导电层24上形成等电位面即可。本实施例中，所述电极28设置在透明导电层24的远离基体的一个表面上。所述电极28可以采用溅射、电镀、化学镀等沉积方法直接形成在透明导电层24上。另外，也可用银胶等导电粘结剂将上述的四个电极28粘结在透明导电层24上。
可以理解，所述的金属电极28亦可设置于透明导电层24与基体22之间，且与透明导电层24电连接，并不限于上述的设置方式和粘结方式。只要能使上述的电极28与透明导电层24上之间形成电连接的方式都应在本发明的保护范围内。
进一步地，为了延长透明导电层24的使用寿命和限制耦合在接触点与透明导电层24之间的电容，可以在透明导电层24和电极之上设置一透明的防护层26，防护层26可由氮化硅、氧化硅、苯丙环丁烯(BCB)、聚酯膜或丙烯酸树脂等形成。该防护层26具有一定的硬度，对透明导电层24起保护作用。可以理解，还可通过特殊的工艺处理，从而使得防护层26具有以下功能，例如减小炫光、降低反射等。
在本实施例中，在形成有电极28的透明导电层24上设置一二氧化硅层用作防护层26，该防护层26的硬度达到7H(H为洛氏硬度试验中，卸除主试验力后，在初试验力下压痕残留的深度)。可以理解，防护层26的硬度和厚度可以根据需要进行选择。所述防护层26可以通过导电银胶直接粘结在透明导电层24上。
此外，为了减小由显示设备产生的电磁干扰，避免从触摸屏20发出的信号产生错误，还可在基体22的第二表面222上设置一屏蔽层25。该屏蔽层25可由铟锡氧化物薄膜(ITO)、锑锡氧化物薄膜(ATO)或碳纳米管薄膜等透明导电材料形成。所述的碳纳米管薄膜可以是定向排列的或其它结构的碳纳米管薄膜。本实施例中，该屏蔽层25的具体结构可与透明导电层24相同。该碳纳米管薄膜作为电接地点，起到屏蔽的作用，从而使得触摸屏20能在无干扰的环境中工作。
请参阅图4及图2，本技术方案实施例提供一显示装置100，该显示装置100包括一触摸屏20，一显示设备30。该显示设备30正对且靠近触摸屏20的基体第二表面222设置。进一步地，上述的显示设备30与触摸屏20间隔设置或集成设置。
显示设备30可以为液晶显示器、场发射显示器、等离子显示器、电致发光显示器、真空荧光显示器及阴极射线管等显示设备中的一种。
请参阅图5及图2，进一步地，当显示设备30与触摸屏20间隔一定距离设置时，可在触摸屏20的屏蔽层25远离基体22的一个表面上设置一钝化层104，该钝化层104可由氮化硅、氧化硅、苯丙环丁烯、聚酯膜、丙烯酸树脂硅等材料形成。该钝化层104与显示设备30的正面间隔一间隙106设置。具体地，在上述的钝化层104与显示设备30之间设置两个支撑体108。该钝化层104作为介电层使用，所述钝化层104与间隙106可保护显示设备30不致于由于外力过大而损坏。
当显示设备30与触摸屏20集成设置时，可将上述的支撑体108直接除去，而将钝化层104直接设置在显示设备30上。即，上述的钝化层104与显示设备30之间无间隙地接触设置。
另外，上述的显示装置100进一步包括一触摸屏控制器40、一显示设备控制器60及一中央处理器50。其中，触摸屏控制器40、中央处理器50及显示设备控制器60三者通过电路相互连接，触摸屏控制器40连接电极28，显示设备控制器60连接显示设备30。
本实施例触摸屏20及显示装置100在应用时的原理如下：触摸屏20在应用时可直接设置在显示设备30的显示面上。触摸屏控制器40根据手指等触摸物70触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入，并将该信息传递给中央处理器50。中央处理器50通过显示器控制器60控制显示设备30显示。
具体地，在使用时，透明导电层24上施加一预定电压。电压通过电极28施加到透明导电层24上，从而在该透明导电层24上形成等电位面。使用者一边视觉确认在触摸屏20后面设置的显示设备30的显示，一边通过手指或笔等触摸物70按压或接近触摸屏20的防护层26进行操作时，触摸物70与透明导电层24之间形成一耦合电容。对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走了一部分电流。这个电流分别从触摸屏20上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，触摸屏控制器40通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。之后，触摸屏控制器40将数字化的触摸位置数据传送给中央处理器50。然后，中央处理器50接受上述的触摸位置数据并执行。最后，中央处理器50将该触摸位置数据传输给显示器控制器60，从而在显示设备30上显示接触物70发出的触摸信息。
本技术方案实施例提供的显示装置100具有以下优点：其一，透明导电层24包括至少两个重叠设置的碳纳米管层，由于碳纳米管层具有较好的力学性能，从而使得上述的透明导电层24具有较好的机械强度和韧性，故，采用上述的碳纳米管层作透明导电层24，可以相应的提高触摸屏20的耐用性，进而提高了使用该触摸屏的显示装置100的耐用性。其二，上述碳纳米管层中的碳纳米管薄膜包含多个碳纳米管，且上述的碳纳米管在每一碳纳米管薄膜中定向排列，且相邻的两个碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向排列。故，采用上述的碳纳米管层作透明导电层24，可使得透明导电层具有均匀的阻值分布，从而提高触摸屏20及使用该触摸屏的显示装置100的分辨率和精确度。其三，采用本技术方案制备碳纳米管层，由于可直接铺设在基体22上形成透明导电层24，无需溅射和加热等工艺，故，降低了触摸屏20和显示装置100的制作成本，简化了制作工艺。
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 (21)
1.一种触摸屏，包括
一基体；一透明导电层，该透明导电层设置于上述基体的一表面；以及至少两个电极，该至少两个电极间隔设置并与该透明导电层电连接，其特征在于，所述透明导电层由至少两个重叠的碳纳米管层组成，每一碳纳米管层仅包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向排列。
2.如权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述碳纳米管层为一碳纳米管薄膜或多个平行无间隙铺设的碳纳米管薄膜。
3.如权利要求2所述的触摸屏，其特征在于，所述碳纳米管薄膜进一步包括多个碳纳米管束片段，每个碳纳米管束片段具有大致相等的长度且每个碳纳米管束片段由多个相互平行的碳纳米管束构成，碳纳米管束片段两端通过范德华力相互连接。
4.如权利要求2所述的触摸屏，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的厚度为0.5纳米～100微米。
5.如权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
6.如权利要求5所述的触摸屏，其特征在于，所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。
7.如权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述至少两电极为金属镀层或者金属箔片。
8.如权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述至少两个电极间隔地设置于透明导电层远离基体的一表面上。
9.如权利要求8所述的触摸屏，其特征在于，所述至少两个电极通过一导电银胶设置在透明导电层上。
10.如权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述触摸屏进一步包括一防护层，该防护层设置于透明导电层的远离基体的一个表面上。
11.如权利要求10所述的触摸屏，其特征在于，所述防护层的材料为氮化硅、氧化硅、苯丙环丁烯、聚酯膜或丙烯酸树脂。
12.如权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述触摸屏是平面触摸屏或者曲面触摸屏。
13.如权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述基体的材料为玻璃、石英、金刚石或塑料。
14.如权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述触摸屏进一步包括一屏蔽层，该屏蔽层设置于上述基体远离透明导电层的一表面上，该屏蔽层为铟锡氧化物薄膜、锑锡氧化物薄膜或碳纳米管薄膜。
15.如权利要求14所述的触摸屏，其特征在于，所述碳纳米管薄膜包括多个碳纳米管，上述的多个碳纳米管在上述的碳纳米管薄膜中定向排列。
16.一种显示装置，包括
一触摸屏，该触摸屏包括一基体；一透明导电层，该透明导电层设置于上述基体的一表面；以及至少两个电极，该至少两个电极间隔设置并与该透明导电层电连接；
一显示设备，该显示设备正对且靠近触摸屏的基体远离透明导电层的一表面设置，
其特征在于，所述的透明导电层由至少两个重叠的碳纳米管层组成，每一碳纳米管层仅包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向排列。
17.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述显示设备为液晶显示器、场发射显示器、等离子显示器、电致发光显示器、真空荧光显示器及阴极射线管中的一种。
18.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述显示设备与触摸屏间隔设置或集成设置。
19.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述触摸屏进一步包括一钝化层，该钝化层设置于触摸屏和显示设备之间，与触摸屏相接触设置，与显示设备间隔设置。
20.如权利要求19所述的显示装置，其特征在于，所述钝化层的材料为氮化硅、氧化硅、苯丙环丁烯、聚酯膜或丙烯酸树脂。
21.如权利要求20所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置进一步包括一触摸屏控制器、一显示设备控制器及一中央处理器，其中，触摸屏控制器、中央处理器及显示设备控制器三者通过电路相互连接，触摸屏控制器连接触摸屏的电极，显示设备控制器连接显示设备。
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