CN105552208B - 一种压电发电装置及其制备方法和显示装置 - Google Patents

一种压电发电装置及其制备方法和显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压电发电装置及其制备方法和显示装置，属于显示技术领域，其可解决现有的压电发电装置中导电层无法均匀包覆纳米线，且导电层成本高昂、不透明的问题。本发明的压电发电装置，在第一纳米线的表面包覆碳纳米管层，碳纳米管的导电性能好，其具有极高的长径比和优异的力学及电学性能；采用碳纳米管作为导电层，各第一纳米线之间的缝隙处以及靠近第一电极的第一纳米线表面均能均匀包覆碳纳米管。本发明的压电发电装置适用于各种显示装置，尤其适用于触控显示装置。

Description

一种压电发电装置及其制备方法和显示装置
技术领域
本发明属于显示技术领域，具体涉及一种压电发电装置及其制备方法和显示装置。
背景技术
氧化锌(ZnO)纳米压电发电装置的出现首次实现了半导体和压电体双重性能的耦合，为从纳米器件跨越到纳米系统提供具体的技术路线，能够有效地收集生物体内甚至自然界中一直被忽略的微量机械能，来满足纳米器件正常运转所需的能量。
现有技术中的ZnO纳米压电发电装置如图1所示，上电极10受到向下的力后，上电极10的ZnO纳米线30与下电极40上的ZnO纳米线30相对运动，压力使纳米线接触变形产生压电效应，上电极10的ZnO纳米线30表面的导电层20失去电子产生正电荷，下电极40上的ZnO纳米线30携带负电荷，这样的电势差产生电流，流入外部电路，在外电路形成电信号。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：导电层20一般由金(Au)构成，即上电极10的ZnO纳米线30外面需要包覆Au实现导电，但是由于ZnO纳米线30阵列密集排布，溅射Au金属导电层20时，Au颗粒不易均匀包裹每根上电极10的ZnO纳米线30周围，致使远离上电极10的ZnO纳米线30表面的Au颗粒覆盖程度远大于靠近上电极10的ZnO纳米线30的Au颗粒覆盖程度，这将不利于正电荷的产生；而且用Au做导电层20，存在成本高昂、不透明的问题。
发明内容
本发明针对现有的压电发电装置中导电层无法均匀包覆纳米线，且导电层成本高昂、不透明的问题，提供一种压电发电装置及其制备方法和显示装置。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
一种压电发电装置，包括：相对设置的第一电极和第二电极；
所述第一电极和第二电极相对的面分别设有阵列排布的多根第一纳米线、阵列排布的多根第二纳米线；
其中，所述第一纳米线的表面设有碳纳米管层；
所述第一纳米线、第二纳米线均由压电材料构成。
优选的是，所述第一纳米线的长度方向垂直于所述的第一电极所在的面，所述第二纳米线的长度方向垂直于所述的第二电极所在的面。
优选的是，所述第一电极的材料包括氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、碳纳米管以及石墨烯中的任意一种或几种，所述第二电极的材料包括氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、碳纳米管以及石墨烯中的任意一种或几种。
优选的是，所述第一纳米线由氧化锌构成，所述第二纳米线由氧化锌构成。
优选的是，所述碳纳米管层的碳纳米管的功函数为4.5-5eV。
优选的是，所述第一电极设于第一柔性基底上；所述第二电极设于第二柔性基底上。
优选的是，所述柔性基底包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)材料。
本发明还提供一种压电发电装置的制备方法，包括以下步骤：
采用压电材料在第一电极靠近第二电极的面上形成阵列排布的多根第一纳米线；
在所述第一纳米线的表面形成碳纳米管层；
采用压电材料在第二电极靠近第一电极的面上形成阵列排布的多根第二纳米线。
优选的是，通过电化学沉积形成所述阵列排布的多根第一纳米线。
优选的是，所述通过电化学沉积形成所述阵列排布的多根第一纳米线包括以下步骤：
将第一电极、对电极和参比电极放置于电解液中，
给第一电极施加电压，并向电解液中靠近第一电极的位置通入氧气，第一电极的靠近第二电极的面上形成第一纳米线。
优选的是，所述电解液包括3毫摩尔每升醋酸锌、0.1摩尔每升的氯化钾和水。
优选的是，所述在所述第一纳米线的表面形成碳纳米管层包括以下步骤:
直接在第一纳米线表面通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜；
向碳纳米管薄膜远离第一纳米线的一面滴加溶剂，以使碳纳米管薄膜坍塌贴合到第一纳米线表面形成碳纳米管层。
优选的是，所述通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜包括以下步骤：
将第一电极置于石英管尾部，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，升温至碳纳米管飘出，然后降温以使碳纳米管自组装生长形成碳纳米管薄膜。
优选的是，所述在所述第一纳米线的表面形成碳纳米管层包括以下步骤:
在载体上形成碳纳米管薄膜；
将形成的碳纳米管薄膜吸入高分子树脂框架；
将所述高分子树脂框架放置第一纳米线表面上；
向碳纳米管薄膜远离第一纳米线的一面滴加溶剂，以使高分子树脂框架中的碳纳米管薄膜贴合到第一纳米线表面形成碳纳米管层。
优选的是，所述在载体形成碳纳米管薄膜是通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜，包括以下步骤：
将载体置于石英管尾部，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，升温至碳纳米管飘出，然后降温以使碳纳米管自组装生长形成碳纳米管薄膜。
本发明还提供一种显示装置，包括显示面板以及上述的压电发电装置。
优选的是，所述显示装置还包括升压稳压电路和存储电池，所述升压稳压电路的一端电连接压电发电装置，所述升压稳压电路的另一端电连接存储电池。
本发明的压电发电装置，在第一纳米线的表面包覆碳纳米管层，碳纳米管的导电性能好，其具有极高的长径比和优异的力学及电学性能；采用碳纳米管作为导电层，各第一纳米线之间的缝隙处以及靠近第一电极的第一纳米线表面均能均匀包覆碳纳米管。本发明的压电发电装置适用于各种显示装置，尤其适用于触控显示装置。
附图说明
图1为现有的压电发电装置的结构示意图；
图2为本发明的实施例2的压电发电装置的结构示意图；
图3为本发明的实施例3的压电发电装置的制备方法示意图；
图4为本发明的实施例4的显示装置结构示意图；
其中，附图标记为：10、上电极；20、导电层；30、ZnO纳米线；1、第一电极；31、第一纳米线；32、第二纳米线；4、第二电极；40、下电极；5、高分子树脂框架；6、碳纳米管薄膜；7、碳纳米管层；81、上偏光片；82、彩膜；83、液晶；84、取向层；85、保护层；86、薄膜晶体管；87、基板；88、下偏光片；89、升压稳压电路；90、存储电池。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种压电发电装置，包括：相对设置的第一电极和第二电极；
所述第一电极和第二电极相对的面分别设有阵列排布的多根第一纳米线、阵列排布的多根第二纳米线；
其中，所述第一纳米线的表面设有碳纳米管层；
所述第一纳米线、第二纳米线均由压电材料构成。
本实施例的压电发电装置，在第一纳米线的表面包覆碳纳米管层，碳纳米管的导电性能好，其具有极高的长径比和优异的力学及电学性能；其中，碳纳米管是纳米级，相较于现有技术中微米级Au而言，采用碳纳米管作为导电层，各第一纳米线之间的缝隙处以及靠近第一电极的第一纳米线表面均能均匀包覆碳纳米管。本发明的压电发电装置适用于各种显示装置，尤其适用于触控显示装置。
实施例2：
本实施例提供一种压电发电装置，如图2所示，包括：相对设置的第一电极1和第二电极4；
所述第一电极1和第二电极4相对的面分别设有阵列排布的多根第一纳米线31、阵列排布的多根第二纳米线32；
其中，第一纳米线31的表面设有碳纳米管层7；
所述第一纳米线31、第二纳米线32均由压电材料构成。
本实施例的压电发电装置，在第一纳米线31的表面包覆碳纳米管层7，碳纳米管的导电性能好，其具有极高的长径比和优异的力学及电学性能；其中，碳纳米管是纳米级，相较于现有技术中微米级Au而言，如图2所示，采用碳纳米管作为导电层，各第一纳米线31之间的缝隙处以及靠近第一电极1的第一纳米线31表面均能均匀包覆碳纳米管。本发明的压电发电装置适用于各种显示装置，尤其适用于触控显示装置。
优选的是，所述第一纳米线31的长度方向垂直于所述的第一电极1所在的面，所述第二纳米线32阵列中各第二纳米线32的长度方向垂直于所述的第二电极4所在的面。
也就是说，第一纳米线31、第二纳米线32的长度方向都是垂直于电极所在的面的，其中电荷沿纳米线的长度方向传播，这样当该压电发电装置用于触控屏时，用户向下触摸操作触控屏，即可使得电荷传播，产生电信号。
优选的是，所述第一电极1的材料包括氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、碳纳米管以及石墨烯中的任意一种或几种，所述第二电极4的材料包括氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、碳纳米管以及石墨烯中的任意一种或几种。
也就是说，电极的材料可以根据实际的应用进行选择，其中优选的是透明导电的材料，例如：氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、碳纳米管或石墨烯等。
优选的是，所述第一纳米线31由氧化锌构成，第二纳米线32由氧化锌构成。
也就是说，氧化锌作为纳米线的材料取材方便，工艺简单。可以在第一电极1或第二电极4上采用电化学分析仪进行定向氧化锌纳米阵列的电化学沉积。
以在第一电极1上形成第一纳米线31为例，具体的制备包括以下步骤：
制备电解液：3毫摩尔每升醋酸锌、0.1摩尔每升的氯化钾和水组成的混合液，将电解液升温至为85℃；
铂片和饱和甘汞电极分别用作对电极和参比电极，第一电极1用作工作电极，将O2鼓泡到工作电极表面附近，通过电化学分析仪给第一电极1施加–1.3V(vs.SCE)电压10s，然后将电压恒定在–1.0V(vs.SCE)。沉积2000s后，在第一电极1上将生长出定向氧化锌纳米线阵列。
其中，可以通过控制溶液中锌离子的浓度、沉积时间及溶液pH值可以得到长度、形貌不同的第一纳米线31。
此外，还可以通过电化学或者溶液腐蚀法得到第一纳米线31。
优选的是，所述碳纳米管层7的碳纳米管的功函数为4.5-5eV。
也就是说，碳纳米管功函数可通过掺杂调节范围至4.5-5eV，在该范围内，碳纳米管具有极高的长径比和优异的力学和电学性能，而且能均匀包覆第一纳米线31。
优选的是，所述第一电极1设于第一柔性基底上；所述第二电极4设于第二柔性基底上。
优选的是，所述柔性基底包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)材料。
也就是说，由于氧化铟锡质脆易碎，将其作为电极用于柔性显示中，技术上存在瓶颈。采用高分子柔性基底(如PDMS)，在PDMS上沉积一层碳纳米管，工艺简单。
实施例3：
本实施例提供一种实施例2的压电发电装置的制备方法，包括以下步骤：
在第一电极1靠近第二电极4的面上形成第一纳米线31阵列，然后在第一纳米线31阵列各第一纳米线31的表面形成碳纳米管层7；
在第二电极4靠近第一电极1的面上形成第二纳米线32阵列；
所述第一纳米线31、第二纳米线32均由压电材料构成。
本实施例的压电发电装置的制备方法操作简单，采用该方法各第一纳米线31之间的缝隙处以及靠近第一电极1的第一纳米线31表面均能均匀包覆碳纳米管。
优选的是，所述形成第一纳米线31阵列是通过电化学沉积形成第一纳米线31阵列。
优选的是，所述电化学沉积形成第一纳米线31阵列包括以下步骤：
将第一电极1、对电极和参比电极放置于60-400℃电解液中，
给第一电极1施加电压，并向电解液靠近第一电极1的位置通入氧气，第一电极1的靠近第二电极4的面上即可形成第一纳米线31阵列。
优选的是，所述电解液包括3毫摩尔每升醋酸锌、0.1摩尔每升的氯化钾和水。
也就是说，氧化锌作为纳米线的材料取材方便，工艺简单。可以在第一电极1或第二电极4上采用电化学分析仪进行定向氧化锌纳米阵列的电化学沉积。
以在第一电极1上形成第一纳米线31为例，具体的制备包括以下步骤：
制备电解液：3毫摩尔每升醋酸锌、0.1摩尔每升的氯化钾和水组成的混合液，将电解液升温至为85℃；
铂片和饱和甘汞电极分别用作对电极和参比电极，第一电极1用作工作电极，将O2鼓泡到工作电极表面附近，通过电化学分析仪给第一电极1施加–1.3V(vs.SCE)电压10s，然后将电压恒定在–1.0V(vs.SCE)。沉积2000s后，在第一电极1上将生长出定向氧化锌纳米线阵列。
优选的是，所述在所述第一纳米线31的表面形成碳纳米管层7包括以下步骤:
直接在第一纳米线31表面通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜6；
向碳纳米管薄膜6远离第一纳米线31的一面滴加溶剂，以使碳纳米管薄膜6坍塌贴合到第一纳米线31表面形成碳纳米管层7。
也就是说，通过化学气相沉积直接在第一纳米线31表面形成碳纳米管薄膜6，然后将碳纳米管薄膜6固定，使之牢固的贴在第一纳米线31表面。
优选的是，所述通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜6包括以下步骤：
将第一电极1置于石英管尾部，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，升温至碳纳米管飘出，然后降温以使碳纳米管自组装生长形成碳纳米管薄膜6。
具体的，升温至1000-2000℃可以使得碳纳米管飘出，降温至室温碳纳米管自组装生长形成碳纳米管薄膜6。由于碳纳米管是纳米级，相较于现有技术中微米级Au而言，碳纳米管可以搭接成二维连续的蜘蛛网状结构，均匀包覆于第一纳米线31表面并无缝覆盖第一电极1的各个区域。
优选的是，所述在所述第一纳米线31的表面形成碳纳米管层7包括以下步骤:
在载体上通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜6；
将形成的碳纳米管薄膜6吸入高分子树脂框架5；
将所述高分子树脂框架5放置第一纳米线31表面上；
向碳纳米管薄膜6远离第一纳米线31的一面滴加溶剂，以使高分子树脂框架5中的碳纳米管薄膜6贴合到第一纳米线31表面形成碳纳米管层7。
上述的直接在第一纳米线31表面通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜6的方法若操作不当容易在氧化锌电极上留下有机残留物，会对后续电子传输有影响。在此，本发明创造性的给出一种间接利用载体(例如高分子树脂)形成碳纳米管层7的方法。
具体的，如图3所示，利用一块固化的高分子树脂(如PDMS)制作支撑框架，将中间挖空，留出比第一电极1面积略大的中空区域，由于高分子树脂框架5的一面具有稍许粘性，四周边框能够将薄膜沾起，用镊子将高分子树脂框架5夹起，轻放到第一电极1上，滴加酒精后，碳纳米管薄膜6会沿高分子树脂的边框区域整齐裂开，待干燥后将高分子树脂框架5取走，中空区域的薄膜留下紧覆在第一电极1表面，由此，碳纳米管薄膜6被转移到第一电极1上。碳纳米管均匀包覆于第一纳米线31表面并无缝覆盖第一电极1的各个区域。
优选的是，所述通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜6包括以下步骤：
将载体置于石英管尾部，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，升温至碳纳米管飘出，然后降温以使碳纳米管自组装生长形成碳纳米管薄膜6。
显然，上述各实施例的具体实施方式还可进行许多变化；例如：高分子树脂框架5可以采用其它材料，电化学沉积的电解液可以根据不同需要进行调整。
实施例4：
本实施例提供了一种显示装置，其包括上述任意一种压电发电装置和显示面板。
如图4所示，所述显示面板包括上偏光片81、彩膜82、液晶83、取向层84、保护层85、薄膜晶体管86、基板87、下偏光片88。其中，压电发电装置可以用胶水胶连固定在显示面板上部。
优选的是，所述显示装置还包括升压稳压电路89和存储电池90，所述升压稳压电路89的一端电连接压电发电装置，所述升压稳压电路89的另一端电连接存储电池90。
压电发电装置的第一纳米线31和第二纳米线32受到压力从而接触变形，发生极化，第一纳米线31的导电层(即碳纳米管层7)失去电子产生正电荷，第二纳米线32携带负电荷，这样就会在外电路形成电信号，即压电效应通过第一电极1和第二电极4实现电能的输出；升压稳压电路89控制压电发电装置的输出调整为稳定的与存储电池90充电电压基本相同的稳定电压。
优选的是，所述显示装置还可以包含整流器、放大器等；实现充电电压与压电发电装置的升压电压叠加供电。
所述显示装置可以为：电子纸、手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种压电发电装置，其特征在于，包括：相对设置的第一电极和第二电极；
所述第一电极和第二电极相对的面分别设有阵列排布的多根第一纳米线、阵列排布的多根第二纳米线；
其中，所述第一纳米线的表面设有碳纳米管层；
所述第一纳米线、第二纳米线均由压电材料构成；
所述第一纳米线的表面的碳纳米管层通过以下方法形成:
直接在第一纳米线表面通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜；向碳纳米管薄膜远离第一纳米线的一面滴加溶剂，以使碳纳米管薄膜坍塌贴合到第一纳米线表面形成碳纳米管层；
或者
在载体上形成碳纳米管薄膜；将形成的碳纳米管薄膜吸入高分子树脂框架；将所述高分子树脂框架放置第一纳米线表面上；向碳纳米管薄膜远离第一纳米线的一面滴加溶剂，以使高分子树脂框架中的碳纳米管薄膜贴合到第一纳米线表面形成碳纳米管层。
2.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，所述第一纳米线的长度方向垂直于所述的第一电极所在的面，所述第二纳米线的长度方向垂直于所述的第二电极所在的面。
3.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，所述第一电极的材料包括氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、碳纳米管以及石墨烯中的任意一种或几种，所述第二电极的材料包括氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、碳纳米管以及石墨烯中的任意一种或几种。
4.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，所述第一纳米线由氧化锌构成，所述第二纳米线由氧化锌构成。
5.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，所述碳纳米管层的碳纳米管的功函数为4.5-5eV。
6.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，所述第一电极设于第一柔性基底上；所述第二电极设于第二柔性基底上。
7.一种压电发电装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用压电材料在第一电极靠近第二电极的面上形成阵列排布的多根第一纳米线；
在所述第一纳米线的表面形成碳纳米管层；
采用压电材料在第二电极靠近第一电极的面上形成阵列排布的多根第二纳米线；
所述在所述第一纳米线的表面形成碳纳米管层包括以下步骤:
直接在第一纳米线表面通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜；向碳纳米管薄膜远离第一纳米线的一面滴加溶剂，以使碳纳米管薄膜坍塌贴合到第一纳米线表面形成碳纳米管层；
或者
在载体上形成碳纳米管薄膜；将形成的碳纳米管薄膜吸入高分子树脂框架；将所述高分子树脂框架放置第一纳米线表面上；向碳纳米管薄膜远离第一纳米线的一面滴加溶剂，以使高分子树脂框架中的碳纳米管薄膜贴合到第一纳米线表面形成碳纳米管层。
8.根据权利要求7所述的压电发电装置的制备方法，其特征在于，通过电化学沉积形成所述阵列排布的多根第一纳米线和多根第二纳米线。
9.根据权利要求7所述的压电发电装置的制备方法，其特征在于，所述通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜包括以下步骤：
将第一电极置于石英管尾部，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，升温至碳纳米管飘出，然后降温以使碳纳米管自组装生长形成碳纳米管薄膜。
10.根据权利要求7所述的压电发电装置的制备方法，其特征在于，所述在载体形成碳纳米管薄膜是通过化学气相沉积形成碳纳米管薄膜，包括以下步骤：
将载体置于石英管尾部，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，升温至碳纳米管飘出，然后降温以使碳纳米管自组装生长形成碳纳米管薄膜。
11.一种显示装置，包括显示面板，其特征在于，还包括权利要求1-6任一项所述的压电发电装置。
12.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置还包括升压稳压电路和存储电池，所述升压稳压电路的一端电连接压电发电装置，所述升压稳压电路的另一端电连接存储电池。
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