CN102129336B

CN102129336B - 基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板

Info

Publication number: CN102129336B
Application number: CN201110046794.1A
Authority: CN
Inventors: 石准; 陈新江; 王学文; 张珽; 靳健
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102129336A

Abstract

本发明涉及一种基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，包括设置于一个导电基底表面的导电层和两个以上电极，该两个电极分别与导电层和导电基底电连接，所述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市售单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或二种以上的组合交织的网络组成，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。本发明的电容式触摸板采用由市售碳纳米管制成的碳纳米管薄膜作为导电层，具有电容值高，灵敏度高、抗干扰能力强，响应速度快、功耗低，且制备工艺简单，可实现大批量、大面积制备，原料易得，成本低廉、对环境友好无污染。

Description

基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板

技术领域

本发明涉及一种触摸板，尤其涉及一种基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板。

背景技术

触摸板是借由电容感应来获知人体的手指移动情况，但对人体手指热量却并不敏感。当人的手指接触到板面时，板面上的静电场会发生改变。触摸板传感器只是一个印在板表面上的手指轨迹传导线路。而在触摸板表面下的一个特殊集成电路板会不停地测量和报告出此轨迹，从而探知人手指的动作和位置。现有的触摸板主要包括电阻式和电容式两种。其中，电阻式触摸板因需要压力才能获得相应的信号，导致操作稳定性差，且易老化、灵敏度低。与电阻式触摸板相比，电容式触摸板可实现多点触控、同时具有快速高灵敏度响应，是触摸板产品的一个新的发展趋势，正在受到越来越多企业和科研院所的关注和研究兴趣。但与传统的电阻式触摸板相比，电容式触摸板造价仍然较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，其利用价格低廉的碳纳米管薄膜代替传统的导电层，避免了传统导电层制备过程中的高温、高真空操作，大幅降低了电容式触摸板的制造成本，且该电容式触摸板灵敏度高、响应速度快，从而克服了现有技术中的不足。

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触摸板，包括设置于一个导电基底表面的导电层和两个以上电极，该两个电极分别与导电层和导电基底连接，其特征在于，所述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市售单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或二种以上的组合交织的网络组成，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，所述碳纳米管薄膜是通过如下方法制备的：

S1、将市售单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或二种以上的组合加入含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。

作为一种优选的实施方式，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。

作为又一种优选的实施方式，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。

所述电容式触摸板包括层叠设置的导电层、介电层和导电基底，导电层和导电基底分别与至少一上电极和至少一下电极连接，其中，导电层为碳纳米管薄膜层。

所述导电基底由导电材料组成，所述介电层由绝缘材料组成。

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。

所述碳纳米管薄膜是由金属性碳纳米管薄膜和/或半导体性碳纳米管组成。

所述碳纳米管薄膜中还掺杂有金属元素、氮元素、硼元素和高分子化合物中的任意一种或二种以上的组合。

所述电容式触摸板的工作电压小于0.5V。

与现有技术相比，本发明的优点在于：触摸板所使用的碳纳米管膜可以由商业化的不同种类的碳纳米管组成，包括单壁碳纳米管，双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其混合物，最大限度地降低了原材料的成本；同时碳纳米管薄膜可由完全湿化学的方法来实现大规模大面积制备，进一步有效降低了生产加工成本；触摸板中间的介电层和导电基底可以选用不同的物质，且介电层的厚度可在十个纳米到几百个微米之间进行调节，使介电层材料具有很大的可选择性，比如，选用商业化的聚合物薄膜即可满足该触摸板的性能指标；该触摸板具有较高的电容值，从而灵敏度高、抗干扰能力强；另外，该触摸板具有响应速度快、功耗低，且制备工艺简单，可实现大批量、大面积制备，成本低廉，环境友好无污染。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的剖面结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的俯视图；

图3是本发明一个较佳实施例在触摸后电容信号的变化图。

具体实施方式

本发明提出一种基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，其包括设置于一个导电基底表面的导电层和两个以上电极，该两个电极分别与导电层和导电基底电连接，该导电层包括至少一层碳纳米管薄膜层，该碳纳米管薄膜主要由市场上销售的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或二种以上的组合交织的网络组成，其中碳纳米管的用量在0.01～0.7mg/cm²；

该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、优选的，将长度在5μm以上的单壁和/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；

S3、用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用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1GPa。

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。另外，也可把抽滤后的碳纳米管薄膜和滤膜浸渍到水或含酸、碱、盐等的水溶液，致使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，所述电容式触摸板包括层叠设置的导电层、介电层和导电基底，导电层和导电基底分别与至少一上电极和至少一下电极连接，其中，导电层为碳纳米管薄膜层。

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混合物的网络所形成。

所述碳纳米管薄膜可为纯的金属性碳纳米管薄膜、纯的半导体性碳纳米管薄膜或同时含有金属性和半导体性碳纳米管的混合碳纳米管薄膜。

另外，用于制备上述碳纳米管薄膜所使用的碳纳米管可以是单纯的碳纳米管，也可以是掺杂有氮或硼、贵金属、金属以及高分子化合物的复合物。

所述介电层可以选用不同的物质担当，例如二氧化硅、聚合物薄膜、云母、陶瓷之类的绝缘材料等，该介电层厚度可在十个纳米到几百个微米之间进行调节。

所述导电基底也可以选用不同的物质，可以是金属、导电聚合物、掺杂的硅片等、甚至是碳纳米管膜本身。

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1-2，该电容式触摸板包括层叠设置的导电层1、介电层3和导电基底2，导电层和导电基底分别与至少一上电极4和至少一下电极5连接，其中，导电层为碳纳米管薄膜层。

该电容式触摸板的制备工艺如下：

(1)选用碳纳米管薄膜作为导电层1。

(2)二氧化硅基底的制备：在高度掺杂的硅片2上氧化蒸镀一层厚度为20nm的SiO₂介电层3。

(3将碳纳米管膜转移至二氧化硅-硅衬底上。用铜片作为电极分别从碳纳米管薄膜和导电基底硅上引出两根导线，形成电容式触摸板。

本实施例中所涉及的碳纳米管薄膜是由如下工艺制备的：

(1)取市售的单壁碳纳米管粉体30mg(碳纳米管的平均长度在5μm～30μm)置于300mL的水中，加入30mg的SDBS，15mg的PVP。将所得到的混合物在功率为100w的超声水浴中超声1h，随后转入高能球磨机中在800rpm的速度下球磨1天得到分散的碳纳米管水溶液。所制备的单壁碳纳米管分散液进行超高速离心，离心速率为20000rpm，时间为30min。收集上层液用于以下实验。

(2)将步骤1所得的碳纳米管分散液稀释20倍，继续摇匀30min。量取上述溶液1mL，经旋涂的方式在玻璃基底上形成一层透明薄膜，将此玻璃基底置于水中，碳纳米管薄膜自动从玻璃上脱落，漂浮于液面上，形成自支持碳纳米管导电薄膜。

(3)所得到的薄膜经浓度为5M的硝酸处理12h，得到厚度约30nm，拉伸强度为2GPa，电导率为200Ω/□的透明碳纳米管薄膜。

如图3所示系本实施例在触摸时电容值的变化情况，其驱动电压是0.1V，频率是10KHz。

实施例2本实施例电容式触摸板的结构与实施例1基本相同，其制备工艺如下：

(1)选用多壁碳纳米管薄膜作为导电层：参照实施例1，取市售的多壁碳纳米管制备多壁碳纳米管薄膜作为导电层，该碳纳米管薄膜电导率在30～500Ω/□，拉伸强度在200～500MPa之间。

(2)单壁碳纳米管薄膜-聚合物衬底的制备：将单壁碳纳米管分散制备单壁碳纳米管薄膜，附在聚合物薄膜下端面上作为导电基底，聚合物薄膜作为介电层，该聚合物薄膜可选用聚乙烯醇，聚乙烯醇缩甲醛，聚乙烯，纤维素等绝缘材料。

(3)将制备的多壁碳纳米管膜转移至单壁碳纳米管薄膜-聚合物衬底上。用铜片作为电极分别从上下两个碳纳米管薄膜上引出两根导线，形成电容式触摸板。

本实施例的驱动电压是0.1V，频率是10KHz，在触摸时电容值迅速增加，增长幅度为10％-20％。

实施例3本实施例电容式触摸板的结构与实施例1、2基本相同，其制备工艺如下：

(1)选用一定质量比的单壁和多壁碳纳米管混合薄膜作为导电层：参照实施例1，取市售的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混合粉体制备混合碳纳米管薄膜作为导电层。

(2)云母-铝衬底的制备：将厚度约几十个微米的云母片层附在金属铝薄膜上，铝薄膜作为导电基底，云母片层作为介电层。

(3)将制备的混合碳纳米管膜转移至云母-铝衬底上，用铜片作为电极分别从混合碳纳米管薄膜和金属铝薄膜上引出两根导线，形成电容式触摸板。

本实施例的驱动电压是0.1V，频率是10KHz，在触摸时电容值同样迅速增加，增长幅度为5％-15％。

上述较佳实施例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予以实施，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

1.一种基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，包括设置于一导电基底表面的导电层和两个以上电极，该两个电极分别与导电层和导电基底电连接，其特征在于，所述导电层包括由至少一厚度在10-50nm的自支持碳纳米管薄膜构成的碳纳米管薄膜层，所述碳纳米管薄膜主要由市售单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或二种以上的组合交织的网络组成，其中碳纳米管的用量在0.01～0.7 mg/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；

所述导电基底采用云母-铝衬底或二氧化硅-硅基底。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，其特征在于，所述碳纳米管薄膜是通过如下方法制备的：

S1、将市售单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或二种以上的组合加入含1wt%～10wt%表面活性剂的水溶液，至碳纳米管浓度为0.01～50 mg/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；

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；

其中，将碳纳米管薄膜与基底分离的操作具体为：

将基底与附着在基底上的碳纳米管薄膜一起置于能够将基底溶解的有机溶剂中，至基底完全溶解，使碳纳米管薄膜与基底分离，所述基底包括亲水性抽滤膜；

或者，将基底与附着在基底上的碳纳米管薄膜一起浸渍于水或含酸、碱和盐中的任意一种的水溶液中，至碳纳米管薄膜从基底上脱落，所述基底至少选自亲水性抽滤膜、玻璃、云母、硅片中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，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；

4.根据权利要求2所述的基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，其特征在于，该方法还包括如下步骤：

S4、以浓度为3～8 M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触摸板，其特征在于，所述电容式触摸板包括层叠设置的导电层、介电层和导电基底，导电层和导电基底分别与至少一上电极和至少一下电极连接，其中，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触摸板，其特征在于，所述介电层由绝缘材料组成。

7.根据权利要求1或5所述的基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，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。

8.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，其特征在于，所述碳纳米管薄膜是由金属性碳纳米管薄膜和/或半导体性碳纳米管组成。

9.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，其特征在于，所述碳纳米管薄膜中还掺杂有金属元素、氮元素、硼元素和高分子化合物中的任意一种或二种以上的组合。

10.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜的电容式触摸板，其特征在于，所述电容式触摸板的工作电压小于0.5 V。