CN102073428A - 基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其包括设置于一基体表面上的透明导电层，以及与该透明导电层电连接的至少两个电极，所述透明导电层包括至少一碳纳米管薄膜层，所述碳纳米管薄膜主要由碳纳米管交织的网络组成，其中碳纳米管的用量在0.01-0.7mg/cm2；所述碳纳米管薄膜透光率为50-97％，电导率为30-500Ω/□，拉伸强度在200-2000MPa之间。本发明的优点在于：具有高透光率和柔性易弯曲等优点，且工作电压低、功耗低、灵敏度高、响应时间短，同时，其主要组件采用廉价易得的市售碳纳米管作为原料，制备工艺简单、成本低且无污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种触摸屏，尤其涉及一种基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏。
背景技术
随着信息技术的高速发展，日常生活中人们所要处理的信息量越来越大，因此提高人机对话的效率，设计新的更为便捷的输入方式迫在眉睫。触摸屏的诞生给电子领域带来了巨大的变化，人们可以通过手指接触屏幕实现对主机的操作，从而使得人机对活更加简单和快捷，同时，这种设备采用将输入设备与输出设备整合在一起的设计，加快了电子器件向微型化、便携式方向发展的步伐。
现有触摸屏主要包括电阻式、红外感应式、电容式和表面声波式触摸屏。然而这些触摸屏都存在一定的不足。譬如，电阻式触摸屏需要在外界接触下的作用力进行工作，因此长时间使用会造成触摸屏表面材料的磨损及破坏，缩短其使用寿命。红外感应式触摸屏价格昂贵、抗强光干扰性较差、外框易碎、且在表面弯曲情况下不能正常工作；而表面声波式防电磁干扰较差、跟踪速度一般、且其使用环境要求苛刻，例如，水滴和尘埃在触摸屏表面的富集会导致触摸屏反应迟钝，甚至不能正常工作。电容式触摸屏虽然具有防爆防水性好、稳定性高、无需维护等诸多优点，但是目前电容式触摸屏所使用的导电材料以ITO、FTO导电玻璃为主，这几种玻璃属于固态刚性材质，会限制了触摸屏的应用范围。且ITO和FTO导电玻璃制备过程复杂，制备过程中需采用锡和铟等贵金属，生产成本高，价格昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述触摸屏的缺点，提出一种基于碳纳米管薄膜的柔性电容式触摸屏，其具有低成本、低驱动电压、高灵敏度、快响应时间、高透光率等优点。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，包括设置于一基体表面上的透明导电层，以及与该透明导电层电连接的至少两个电极，其特征在于，所述透明导电层包括至少一碳纳米管薄膜层，所述碳纳米管薄膜主要由碳纳米管交织的网络组成，其中碳纳米管的用量在0.01-0.7mg/cm2；
所述碳纳米管薄膜透光率为50-97％，电导率为30-500Ω/□，拉伸强度在200-2000MPa之间。
进一步的讲，所述碳纳米管薄膜层是通过如下方法制备的：
S1、将市售单壁和/或双壁/多壁碳纳米管加入含1wt％-10wt％表面活性剂的水溶液，至碳纳米管浓度为0.01-50mg/ml，而后将该混合溶液超声预分散1min-10h，再以100-1000rpm的转速球磨1-7天，形成碳纳米管分散液；
S2、对该碳纳米管分散液以1000-20000rpm的速率离心处理0.1h以上，取上清液作为成膜前溶液；
S3、以水将成膜前溶液稀释1-100倍，然后进行成膜工序，其后将形成的碳纳米管薄膜与基底分离，形成自支持碳纳米管薄膜。
所述成膜前溶液还添加有浓度为0.01-10wt％的高分子水稳定剂；所述高分子水稳定剂为分子量在10000-1000000的聚乙烯醇、海藻酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的水溶性高分子中的任意一种或两种以上的组合。
优选的，该方法还可包括如下步骤：
S4、以浓度为3-8M的强酸处理所述自支持碳纳米管薄膜0.1-24h。
所述透明导电层包括层叠设置的上导电层和下导电层，上、下导电层之间设有介电层，且上导电层和下导电层还分别与至少一上电极和至少一下电极电连接，其中，至少上导电层为碳纳米管薄膜层。
优选的，所述下导电层也可采用碳纳米管薄膜层。
所述碳纳米管膜厚度一般在10nm-50nm左右，是由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或者多种的复合所形成的。其中的单壁碳纳米管为金属性单壁碳纳米管或同时含有金属性和半导体性碳纳米管的混合单壁碳纳米管。
更为优选的，所述碳纳米管薄膜是经过氮或硼、贵金属、金属、表面活性剂及有机高分子化合物等参杂或修饰的碳纳米管薄膜。
所述下导电层还可为采用导电高分子聚合物制成的导电薄膜。
所述导电高分子聚合物可选自但不限于聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯中的任意一种或二种以上的组合。
所述介电层厚度为10nm～500μm，该介电层是采用透明高分子制成的，当然，也可采用透明金属氧化物制成。
所述透明高分子材料可选自但不限于聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛和聚乙烯中的任意一种或二种以上的组合，所述透明金属氧化物材料可选自但不限于二氧化硅、二氧化锗和氧化铝中的任意一种或二种以上的组合。
所述电极是采用Au、Pt、Ni、Ag、In和Cu中的任意一种材料或者二种以上材料的组合制成的。
与现有技术相比，本发明的积极效果在于：该电容式触摸屏采用碳纳米管薄膜为导电层和聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯等透明材质为介电层，使得触摸屏具有高透光率和柔性易弯曲等优点，且其工作电压小于0.5V，频率在100Hz～10KHz，功耗小，灵敏度高、响应时间短，更为重要的是，本发明的碳纳米管薄膜采用市售的碳纳米管作为原料，其廉价易得，从而极大地降低了器件的成本。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明一较佳实施例在触摸后的电容信号变化图。
具体实施方法
本发明提出一种基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其包括设置于一基体表面上的透明导电层，以及与该透明导电层电连接的至少两个电极，该透明导电层包括至少一碳纳米管薄膜层，所述碳纳米管薄膜主要由碳纳米管交织的网络组成，其中碳纳米管的用量在0.01-0.7mg/cm2；
所述碳纳米管薄膜透光率为50-97％，电导率为30-500Ω/□，拉伸强度在200-2000MPa之间。
进一步的讲，所述碳纳米管薄膜层是通过如下方法制备的(具体可参见本案发明人所提出的专利申请号为201010604342.6的发明专利)：
S1、将单壁和/或双壁/多壁碳纳米管加入含1wt％-10wt％表面活性剂的水溶液，至碳纳米管浓度为0.01-50mg/ml，而后将该混合溶液超声预分散1min-10h，再以100-1000rpm的转速球磨1-7天，形成碳纳米管分散液；
S2、对该碳纳米管分散液以1000-20000rpm的速率离心处理0.1h以上，取上清液作为成膜前溶液；
S3、以水将成膜前溶液稀释1-100倍，然后进行成膜工序，其后将形成的碳纳米管薄膜与基底分离，形成自支持碳纳米管薄膜，此薄膜的厚度一般在10nm-50nm左右。
需要说明的是，该自支持碳纳米管薄膜的厚度、透光率和导电率可由所含碳纳米管的量来决定。碳纳米管的用量越高，其强度越大，导电性越好，透光性却随之降低。优选地，当碳纳米管的含量为0.01mg/cm2左右时，该自支持碳纳米管薄膜透光率在97％左右，电导率可低至200Ω/□，拉伸强度可高达2GPa。
前述的表面活性剂可采用常见的离子型或非离子型表面活性剂，优选采用离子型表面活性剂(参阅《表面活性剂分散碳纳米管的进展》，化工时刊，第21卷第10期，p55-58，2007年10月)，本发明尤其优选采用但不限于十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠等，其浓度优选为1-10wt％。
前述的成膜工序可采用真空抽滤或旋涂、喷涂、印刷等成膜方式，而将碳纳米管薄膜与基底分离的方法可根据成膜工艺的不同而调整。
举例而言，若采用真空抽滤成膜方式，其方案具体为：取稀释后的碳纳米管分散液以易溶于有机溶剂的纤维素混纤膜之类的亲水性抽滤膜抽滤成膜，制得附着在滤膜基底上的碳纳米管薄膜。相应的，去除该基底的较好方法是：将碳纳米管薄膜置于上述有机溶剂中至基底完全溶解。当然，也可采用水或含酸、碱、盐等的水溶液浸渍至碳纳米管薄膜与亲水性薄膜脱离。
若采用印刷、涂覆等成膜方式，其方案具体为：采用旋涂、喷涂等方式将稀释后的碳纳米管分散液于具有玻璃、云母、硅片等具有平整表面的材料上成膜。相应的，去除该基底的较好方法是：采用水或含酸、碱、盐等的水溶液浸渍至碳纳米管薄膜从基底上脱落。
所述成膜前溶液还添加有浓度为0.01-10wt％的高分子水稳定剂；所述高分子水稳定剂为分子量在10000-1000000的聚乙烯醇、海藻酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的水溶性高分子中的任意一种或两种以上的组合。
优选的，该方法还可包括如下步骤：S4、以浓度为3-8M的强酸(如，硝酸、盐酸等等)处理所述自支持碳纳米管薄膜0.1-24h，如此，可大大提高碳纳米管超薄膜的导电性，令其达到通用透明玻璃ITO的导电水平。
更进一步地讲，前述透明导电层可包括层叠设置的上导电层和下导电层，上、下导电层之间设有介电层，且上导电层和下导电层还分别与至少一上电极和至少一下电极电连接，其中，至少上导电层为碳纳米管薄膜层。
优选的，所述下导电层也可采用碳纳米管薄膜层。
所述碳纳米管膜可由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或者多种的复合形成。其中的单壁碳纳米管为金属性单壁碳纳米管或同时含有金属性和半导体性碳纳米管的混合单壁碳纳米管。优选的，所述碳纳米管可采用通过羟基(-OH)、羧基(-COOH)、氨基(-NH2)功能化的碳纳米管、高分子聚合物功能化的碳纳米管、金属纳米粒子功能化的碳纳米管、金属氧化物功能化的碳纳米管及生物分子功能化的碳纳米管。
所述下导电层还可以是采用导电高分子聚合物制成的导电薄膜。
所述导电高分子聚合物可选自但不限于聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯中的任意一种或二种以上的组合。
所述介电层厚度为10nm～500μm，该介电层优选采用透明高分子制成的，当然，也可采用透明金属氧化物制成。
所述透明高分子材料可选自但不限于聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛和聚乙烯中的任意一种或二种以上的组合，所述透明金属氧化物材料可选自但不限于二氧化硅、二氧化锗和氧化铝中的任意一种或二种以上的组合。
所述电极是采用Au、Pt、Ni、Ag、In和Cu中的任意一种材料或者二种以上材料的组合制成的。
以下结合附图及若干较佳实施例对本发明的技术方案作详细说明。
实施例1参阅图1，该电容式柔性透明触摸屏包括分别与上电极和下电极连接的碳纳米管薄膜1、2，碳纳米管薄膜间的介电层3，上电极4和下电极5，碳纳米管薄膜与介电层紧密接触。该触摸屏制备方法如下：将单壁碳纳米管薄膜置于聚苯二甲酸乙二酯衬底(介电层)之上，然后在衬底的另一面再做一层单壁碳纳米管薄膜，使用导电Cu胶带分别在两层单壁碳纳米管薄膜上做上、下电极，从电极上引出两根导线，形成电容式柔性透明触摸屏，其结构如图1所示。由于碳纳米管薄膜和介电层衬底有好的透光率且柔性可弯曲，因此，所制备的触摸屏具有较高的透光率并可柔性弯曲。
在0.1V的工作电压下、10KHz的工作频率下、空气氛围中，测量该电容式触摸屏的电容值为575-585pF，当用手指触摸时，电容值快速增加至650-670pF，测量结果如图2所示，结果表明该触摸屏具有高灵敏度和很短的响应时间。
实施例2
该电容式柔性透明触摸屏的结构与实施例1相近，其制备方法为：将单壁碳纳米管薄膜至于聚苯二甲酸乙二酯衬底之上，然后在衬底的另一面再做一层聚苯胺导电聚合物薄膜，使用导电Cu胶带分别在碳纳米管薄膜和聚苯胺导电薄膜上制备上、下电极，制得透明柔性触摸屏。经测试，该透明柔性触摸屏与实施例1相近，亦具有高灵敏度、快响应时间、高透光率的优点。
实施例3
该电容式柔性透明触摸屏的结构及其制备方法与实施例1基本相同，但其采用聚乙烯醇代替聚苯二甲酸乙二酯作为介电层。经测试，该透明柔性触摸屏与实施例1相近，亦具有高灵敏度、快响应时间、高透光率的优点。
上述实施方法只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的认识能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或者修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，包括设置于一基体表面上的透明导电层，以及与该透明导电层电连接的至少两个电极，其特征在于，所述透明导电层包括至少一碳纳米管薄膜层，所述碳纳米管薄膜主要由碳纳米管交织的网络组成，其中碳纳米管的用量在0.01-0.7mg/cm2；
所述碳纳米管薄膜透光率为50-97％，电导率为30-500Ω/□，拉伸强度在200-2000MPa之间。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其特征在于，所述碳纳米管薄膜层是通过如下方法制备的：
S1、将市售单壁和/或双壁/多壁碳纳米管加入含1wt％-10wt％表面活性剂的水溶液，至碳纳米管浓度为0.01-50mg/ml，而后将该混合溶液超声预分散1min-10h，再以100-1000rpm的转速球磨1-7天，形成碳纳米管分散液；
S2、对该碳纳米管分散液以1000-20000rpm的速率离心处理0.1h以上，取上清液作为成膜前溶液；
S3、以水将成膜前溶液稀释1-100倍，然后进行成膜工序，其后将形成的碳纳米管薄膜与基底分离，形成自支持碳纳米管薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其特征在于，所述成膜前溶液还添加有浓度为0.01-10wt％的高分子水稳定剂；所述高分子水稳定剂为分子量在10000-1000000的聚乙烯醇、海藻酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的水溶性高分子中的任意一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求2所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，，其特征在于，该方法还包括如下步骤：
S4、以浓度为3-8M的强酸处理所述自支持碳纳米管薄膜0.1-24h。
5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其特征在于，所述透明导电层包括层叠设置的上导电层和下导电层，上、下导电层之间设有介电层，且上导电层和下导电层还分别与至少一上电极和至少一下电极连接，其中，至少上导电层为碳纳米管薄膜层。
6.根据权利要求5所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其特征在于，所述下导电层采用碳纳米管薄膜层。
7.根据权利要求5所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其特征在于，所述下导电层采用导电高分子聚合物制成的导电薄膜。
8.根据权利要求7所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其特征在于，所述导电高分子聚合物为聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯中的任意一种或二种以上的组合。
9.根据权利要求5所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其特征在于，所述介电层厚度为10nm～500μm，该介电层是采用透明高分子或透明金属氧化物制成的。
10.根据权利要求1或5所述的基于碳纳米管薄膜的电容式柔性透明触摸屏，其特征在于，所述电极是采用Au、Pt、Ni、Ag、In和Cu中的任意一种材料或者二种以上材料的组合制成的。
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