CN107085466B - 触敏装置、包括其的显示装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了触敏装置、包括其的显示装置及其制造方法。触敏装置包括由电活性聚合物形成的具有多个纳米孔的电活性层和设置在电活性层的至少一个表面上的电极。在不进行拉伸工艺或转态工艺的情况下电活性层也具有β相结构和改善的压电性。

Description

触敏装置、包括其的显示装置及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月31日提交的韩国专利申请第10-2015-0191610号的优先权，其公开内容通过引用整体并入，如同在本文中充分阐述的。
技术领域
本公开涉及触敏装置、包括该触敏装置的显示装置及制造该触敏装置的方法。本公开的一个方面提供了包括由电活性聚合物形成的电活性层的触敏装置、包括该触敏装置的显示装置及制造该触敏装置的方法。
背景技术
近来，通过触摸显示装置来输入信息的触摸型显示装置是普遍使用的，原因是使用各种显示装置(包括液晶显示装置和有机发光显示装置)的用户对这种装置的需求增加。响应于此，关于向用户提供直接和多种触摸反馈的触觉器件的使用的研究正在进行。在相关技术中，触觉器件通常附接至显示面板的后表面。因此，难以提供响应于用户的触摸的即时且微小的反馈。因此，通过将触觉器件设置在显示面板上方来提供对用户的触摸敏感的各种直接反馈受到关注。
在相关技术中，振动电机例如偏心旋转质量(ERM)或线性谐振致动器(LRA)用作显示装置中的触觉器件。然而，由于振动电机配置成使整个显示装置振动，所以需要增加这种装置的尺寸以增加振动的强度。此外，难以调节振动电机的频率以调节振动的水平，并且响应速度非常低，这是成问题的。此外，偏心旋转质量和线性谐振致动器由不透明材料形成，因此难以将偏心旋转质量和线性谐振驱动器设置在显示面板上方。
为了解决上述问题，形状记忆合金(SMA)和电活性陶瓷(EAC)认为是用于触觉器件的潜在材料。然而，形状记忆合金(SMA)的响应速度低，寿命短，并且由不透明材料形成。另一方面，电活性陶瓷(EAC)对外部冲击的耐久性低，并且容易因外部冲击而破裂。电活性陶瓷也是不透明的。此外，难以制造具有薄的电活性陶瓷的触觉器件。
发明内容
本公开的一个示例性目的是提供一种触敏装置、包括该触敏装置的显示装置及制造该触敏装置的方法，所述触敏装置包括由在不进行拉伸工艺或转态工艺的情况下具有β相结构的电活性聚合物形成的电活性层。
本公开的另一个示例性目的是提供一种具有改善的驱动位移和振动强度的触敏装置、包括该触敏装置的显示装置及制造该触敏装置的方法。
本公开的一个示例性实施方案是一种触敏装置，其包括：包含电活性聚合物的具有多个纳米孔的电活性层；和设置在所述电活性层的至少一个表面上的电极。
在另一个示例性实施方案中，电活性聚合物是铁电聚合物。
在另一个示例性实施方案中，电活性聚合物是聚偏二氟乙烯(PVDF)基聚合物。
在另一个示例性实施方案中，多个纳米孔以相对于电活性层的平面方向布置。
在另一个示例性实施方案中，多个纳米孔各自在平面方向上的孔径大于在厚度方向上的孔径。
在另一个示例性实施方案中，电活性层的孔隙率为30％至60％。
在另一个示例性实施方案中，电活性层的密度为800kg/m3至1400kg/m3。
在另一个示例性实施方案中，电活性聚合物是纳米晶体且具有β相结构。
在另一个示例性实施方案中，触敏装置还包含折射率匹配材料，其中所述折射率匹配材料存在于多个纳米孔中。
在另一个示例性实施方案中，折射率匹配材料的折射率为1.2至1.6。
在另一个示例性实施方案中，折射率匹配材料为选自包括以下组中的一种或更多种：聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(P(VDF-TrFE-CTFE))、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯(P(VDF-TrFE-CFE))、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-TrFE-HFP))、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-二氟氯乙烯(P(VDF-TrFE-CDFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯-三氟氯乙烯(P(VDF-TFE-CTFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯-氟氯乙烯(P(VDF-TFE-CFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-TFE-HFP))和聚偏二氟乙烯-四氟乙烯-二氟氯乙烯(P(VDF-TFE-CDFE))。
本公开的另一个示例性实施方案是一种显示装置，其包括：显示面板；和触敏装置，其中所述触敏装置包括包含电活性聚合物的具有多个纳米孔的电活性层和设置在所述电活性层的至少一个表面上的电极。
在另一个示例性实施方案中，显示装置还包括：在显示面板上的触摸面板，其中触敏装置设置在显示面板与触摸面板之间。
本公开的另一个示例性实施方案是一种制造触敏装置的方法，所述方法包括：由包含电活性聚合物和非晶聚合物的嵌段共聚物形成层状膜；以及通过蚀刻所述层状膜以除去所述非晶聚合物，形成包含多个纳米孔的电活性层。
在另一个示例性实施方案中，非晶聚合物是聚苯乙烯。
在另一个示例性实施方案中，所述制造触敏装置的方法还包括：用折射率匹配材料填充所述多个纳米孔。
本公开不限于上述目的，并且还包括以上没有提及但是本领域技术人员从以下描述中可以容易地理解的其他目的。
根据本公开，可提供包括压电性改善的电活性层的触敏装置，原因是在不进行拉伸工艺或转态工艺的情况下电活性层也可具有β相。此外，触敏装置的压电性和透光率可得以改善。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述将更清楚地理解本公开的上述和其他方面、特征和其他优点，在附图中：
图1A是示出根据本公开的一个示例性实施方案的触敏装置的示意性横截面图；
图1B是示出根据本公开的一个示例性实施方案，当向触敏装置施加电压时电活性层的极化的示意图；
图2A是示出根据本公开的一个示例性实施方案的触敏装置的示意性横截面图；
图2B是示出根据本公开的另一个示例性实施方案的触敏装置的示意性横截面图；
图3是根据本公开的一个示例性实施方案的制造触敏装置的方法的流程图；
图4A至图4C是示出在根据本公开一个示例性实施方案的制造触敏装置的方法中形成具有层状结构的膜的步骤的示意图；
图5是根据实施例1的电活性层放大50000的横截面的SEM图像；
图6是根据本公开的实施例1、比较例1和比较例2的触敏装置的振动加速度随驱动电压的变化的图；
图7是示出包括根据本公开一个示例性实施方案的触敏装置的显示装置的示意性分解立体图；以及
图8是示出包括根据本公开一个示例性实施方案的触敏装置的显示装置的示意性分解立体图。
具体实施方式
通过参考以下详细描述的示例性实施方案以及附图，本公开的优点和特点以及实现所述优点和特点的方法将是清楚的。然而，本公开不限于本文所公开的示例性实施方案，并且可以以多种形式实现。提供示例性实施方案仅仅是为了使本领域普通技术人员能够完全理解本公开的内容和本公开的范围。本公开将仅由所附权利要求的范围及其任何组合来限定。
附图中所示用于描述本公开的示例性实施方案的形状、尺寸、比例、角度、数字等仅仅是示例性的，并且本公开不限于此。整个说明书中相同的附图标记通常表示相同的元件。此外，在以下描述中，可能省略了相关公知技术的详细解释以简化说明并避免不必要地模糊本公开的主题。除非以下术语与术语“仅”一起使用，否则本文所使用的术语例如“包括”、“具有”和“包含”通常旨在允许添加其他部件。除非另有明确说明，否则对单数的任何引用可包括复数。
即使没有明确说明，部件也解释为包括普通误差范围。
当使用术语例如“上”、“上方”、“下方”和“旁边”描述两个部分之间的位置关系时，除非这些术语与术语“紧”或“直接”一起使用，否则在这两个部分之间可设置一个或更多个部分。
当元件或层设置在另一元件或层“上”时，另一层或另一元件可插入其间。
尽管术语“第一”、“第二”等用于描述各种部件，但是这些术语仅用于区分一个部件与另一个部件，并且这些部件不受这些术语的限制。因此，第一部件可以是本公开的技术概念中的第二部件。
为了便于描述，示出了附图中所示的每个部件的尺寸和厚度，并且不一定是按比例绘制的。
本公开的各种实施方案的特征可以部分地或全部地彼此结合或组合，并且可以在技术上以各种方式连结和操作，并且实施方案可以彼此独立地或相互关联地进行。
下文中，将参照附图详细地描述本公开的各种示例性实施方案。
图1A是示出根据本公开的一个示例性实施方案的触敏装置的示意性横截面图，图1B是示出根据本公开的一个示例性实施方案，当向触敏装置施加电压时电活性层的极化的示意图。如图1A和1B所示，触敏装置100包括电活性层110、第一电极121和第二电极122。
电活性层110的形状根据施加的电压而变化，并且在其中产生振动。电活性层110包含电活性聚合物(EAP)和纳米孔112。电活性聚合物是通过电刺激致动的聚合物材料。电活性聚合物可为介电弹性体，例如硅基、聚氨酯基和丙烯酸基弹性体；或者铁电聚合物，例如聚偏二氟乙烯基聚合物。
电活性层110的电活性聚合物可为具有天然极性的铁电聚合物。例如，铁电聚合物可为PVDF基聚合物，其聚合物的主链中包含PVDF重复单元。PVDF基聚合物是具有优异的压电性的晶态聚合物，因此适合用作根据本公开的一个示例性实施方案的触敏装置中的电活性聚合物。例如，PVDF聚合物可为PVDF均聚物或PVDF共聚物。
作为一个示例性实施方案，使用PVDF基聚合物111作为电活性聚合物的触敏装置将如下进行描述，但是本公开不限于此。
纳米孔112存在于PVDF基聚合物111中，并且无规地形成于电活性层110的表面中和表面上。纳米孔112的平均直径为几十纳米至几百纳米。
例如，PVDF基聚合物111和纳米孔112以电活性层110的平面方向布置。如图1A所示，PVDF基聚合物111和纳米孔112无规组装以具有部分层状结构，其中纳米孔112延伸以在平面方向上具有较大的尺寸并在厚度方向上具有较小的尺寸，使得PVDF基聚合物111和纳米孔112在某些部分中出现层状结构。包含纳米孔112和PVDF基聚合物111的电活性层110可由包含作为晶态聚合物的PVDF基聚合物111和非晶聚合物的嵌段共聚物形成。在形成包含PVDF基聚合物111和非晶聚合物的嵌段共聚物膜并且具有层状结构之后，将非晶聚合物除去以形成纳米孔112。形成具有纳米孔的电活性层110的一个示例性方法将在下文中参考图3进行描述。
本公开的层状结构是由具有不同性质的两种或更多种材料彼此接触而形成的层状结构。通过在与其厚度方向垂直的方向上纵向部分地层压两种材料形成了层状结构。相对于电活性层110的厚度方向是垂直于电活性层110的表面的方向，并且相对于电活性层110的平面方向是平行于电活性层110的表面的方向。
纳米孔112在平面方向上的孔径大于纳米孔112在厚度方向上的孔径。纳米孔112在相对于电活性层110的厚度方向上的孔径d1为10nm至150nm，而纳米孔112在相对于电活性层110的平面方向上的孔径d2为几十纳米至几千纳米。即，纳米孔112具有在平面方向上延伸的形状，而不是典型的球形形状。由于纳米孔112在平面方向上的延伸形状，电活性层110的压电性可得到显著改善。此外，纳米孔112之间在厚度方向上的距离d3可为20nm至150nm。
当使用PVDF均聚物时，需要进行拉伸工艺或转态工艺以赋予聚合物介电常数和压电性。当进行拉伸工艺时，PVDF均聚物的主链伸长以消除与碳原子连接的氟基团之间的空间位阻并且确保其中所有氟基团均为反式类型的β相的空间。然而，当PVDF均聚物被拉伸时，粗糙度增加，从而使透光率降低并使雾度显著增加。此外，具有β相的PVDF基均聚物包括沿着主链具有许多电子的反式和旁式氟基团(-F)的混合物。在这种β相结构中，偶极矩彼此抵消，并且极化强度低。
在PVDF共聚物如P(VDF-TrFE)或P(VDF-CFE)的情况下，不需要拉伸工艺，但是需要转态工艺以赋予共聚物压电性，这不同于PVDF均聚物。为了对PVDF共聚物进行转态工艺，需要施加高于矫顽场的电场，因此，初始驱动电压不期望地高。
在另一些PVDF共聚物如P(VDF-TrFE-CTFE)或P(VDF-TrFE-CFE)的情况下，即使由于低的初始驱动电压而不需要转态工艺，极化强度也是非常低的。
然而，如上所述，晶态PVDF基聚合物111与非晶聚合物的嵌段共聚物用于电活性层110的制备。PVDF基聚合物111的晶体生长在空间上受到非晶聚合物(其随后被除去以产生纳米孔112)的阻碍。因此，电活性层110的PVDF基聚合物111具有分子有序排列距离短的β相结构，而不是分子有序排列距离长的β相结构，原因是晶态PVDF单元的尺寸小。换言之，在触敏装置100的PVDF基聚合物111的情况下，在使用晶态PVDF基聚合物111与非晶聚合物的共聚物形成电活性层110期间形成了纳米级晶体结构。因此，仅形成纳米级的β相结构。因此，在电活性层110的PVDF基聚合物111中，氟基团在一个方向上取向，而不必进行单独的拉伸工艺或转态工艺，并且所得极化强度高于常规的PVDF基聚合物。
触敏装置100的电活性层110即使在不进行拉伸工艺或转态工艺的自然状态下也具有高的极化强度和优异的压电性。此外，与对常规PVDF基聚合物进行转态工艺的情况相比，可以通过施加低驱动电压而不单独进行转态工艺来赋予电活性层110的压电性能，原因是PVDF基聚合物111具有纳米晶体结构。
促使常规PVDF基聚合物的压电性能所需的转态电压与矫顽场值成比例。因此，当PVDF基聚合物(例如在PVDF基聚合物111中)的晶体尺寸小时，矫顽场值低，并且可以在低电压下对PVDF基聚合物111进行转态工艺。换言之，由于纳米尺寸晶体结构的低矫顽场，仅通过施加驱动触敏装置的初始驱动电压而不单独进行转态工艺就可实现通过进行转态工艺获得的相同效果。将参考图1B对向电活性层110施加电压之后电活性层110的极化进行描述。
如图1B所示，当向电活性层110施加电压以驱动触敏装置时，不仅在电活性层110上方和下方形成电荷132和131，而且在PVDF基聚合物111与纳米孔112之间的界面141和142上也形成电荷132和131。在这种情况下，即使触敏装置100具有单个电活性层110，如图1B所示，由于纳米孔112，在电活性层110中也形成大量电荷，其量级类似于当层压多个电活性层110时形成的电荷分布，由此显著改善极化强度。
包含纳米孔112的电活性层110的孔隙率为30％至60％。当电活性层110的孔隙率满足上述范围时，形成以平面方向布置的纳米孔112，并且电活性层110具有纳米级β相结构而不单独进行拉伸工艺。因此，电活性层110的压电性能可得到改善。
电活性层110的密度可为800kg/m3至1400kg/m3。通常，通过PVDF基聚合物的共挤出制造的PVDF膜的密度为约2000kg/m3。相比之下，触敏装置100的电活性层110的孔隙率为30％至60％，这导致与其中未形成纳米孔112的PVDF膜相比显著低的800kg/m3至1400kg/m3的密度。
向电活性层110施加电场的多个电极设置在电活性层110的至少一个表面上，以通过电刺激引起振动或弯曲。在图1A所示的触敏装置100中，第一电极121设置在电活性层110的下表面上，并且第二电极122沉积在电活性层110的上表面上，但是本公开不限于此。
第一电极121和第二电极122由导电材料形成。例如，第一电极121和第二电极122由以下材料形成：金属材料，如金(Au)、铜(Cu)、钛(Ti)、铬(Cr)、钼(Mo)、铝(Al)或铝-铜合金(Al-Cu合金)；或者非金属导电材料，如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(4-苯乙烯磺酸)(PSS)、聚吡咯或聚苯胺。此外，第一电极121和第二电极122可以是通过使弹性体和碳导电脂、碳黑或碳纳米管(CNT)混合而制造的软电极，以适用于触敏装置100的平滑和重复驱动。第一电极121和第二电极122可由相同材料或不同材料形成。
使用各种方法(包括溅射法、印刷法或狭缝式涂布法)将第一电极121和第二电极122设置在电活性层110的两个表面上。当第一电极121和第二电极122由相同材料形成时，可以将第一电极121和第二电极122同时设置在电活性层110的表面上。
向第一电极121和第二电极122施加外部电压以形成电场。为了在电活性层110中形成电场，可以向第一电极121和第二电极122施加不同电平的电压或具有相反电特性的电压。例如，当向第一电极121施加正(+)电压时，向第二电极122施加负(-)电压或接地电压。或者，当向第一电极121施加负(-)电压时，可向第二电极122施加正(+)电压或接地电压。所产生的电场方向根据施加到第一电极121上的电压的电特性和施加到第二电极122上的电压的电特性而变化。
可以向第一电极121和第二电极122施加AC电压或DC电压。当向第一电极121和第二电极122施加AC电压时，电活性层110可周期性地移动以产生振动。当向第一电极121和第二电极122施加DC电压时，电活性层110可弯曲以产生振动。
如上所述，根据本公开的一个示例性实施方案的触敏装置100包括由PVDF基聚合物111形成的具有多个纳米孔112的电活性层110，由此显著改善电活性层的压电性。因此，触敏装置100的驱动位移显著改善，并且驱动电压降低。换言之，通过包含纳米孔112，触敏装置100解决了与标准PVDF基聚合物的使用相关的问题。
图2A是示出根据本公开的一个示例性实施方案的触敏装置的示意性横截面图。触敏装置是基于用户与触敏装置的接触来向用户传送触觉反馈的器件。
如图2A所示，触敏装置200a包括电活性层110、多个第一电极221和多个第二电极222。图2A所示的触敏装置200a与图1A所示的触敏装置100相同，不同之处在于电极221或222的配置不同。因此，将省略其类似描述。
如图2A所示，将向电活性层110施加电场的多个电极设置在电活性层110的两个表面上。多个电极包括多个第一电极221和多个第二电极222。多个第一电极221和多个第二电极222由导电材料形成。为了确保触敏装置200a的透光率，多个第一电极221和多个第二电极222可由透明导电材料形成。例如，多个第一电极221和多个第二电极222可由例如ITO、IZO、石墨烯、金属纳米线和透明导电氧化物(TCO)的透明导电材料形成。此外，多个第一电极221和多个第二电极222可由其中金属材料以网状的形式设置的金属网形成，以便基本上是透明的。然而，形成多个第一电极221和多个第二电极222的材料不限于上述实例，并且可包括多种透明导电材料。
多个第一电极221设置在电活性层110的一个表面上，并且多个第二电极222设置在电活性层110的相对表面上。例如，如图2A所示，可将多个第一电极221设置在电活性层110的下表面上，并将多个第二电极222设置在电活性层的上表面上，但是本公开不限于这种布置。多个第一电极221与多个第二电极222彼此重叠。例如，如图2A所示，多个第一电极221与多个第二电极222在一对一的基础上重叠，但是本公开不限于此。其中多个第一电极221与多个第二电极222重叠的特定区域可以定义为一个触觉单元。在此，触觉单元是向用户传送触觉反馈的最小单元，并且每个触觉单元可以独立地传送触觉反馈。
在一些示例性实施方案中，多个第一电极221在第一方向上延伸，并且多个第二电极222在与第一方向相交的第二方向上延伸。多个第一电极221与多个第二电极222相交的交叉区域可定义为触觉单元。
触敏装置200a包括在电活性层110的两个表面上的多个电极221和222，由此形成多个触觉单元。因此，电活性层110可以在每个触觉单元中独立地振动。触敏装置200a可以通过向多个电极221和222独立地施加各种电压来向用户传送各种反馈。
如上所述，触敏装置200a包括由PVDF基聚合物111形成的具有多个纳米孔112的电活性层，由此显著改善电活性层110的压电性。因此，触敏装置200a的振动强度得以改善，使得可以向用户传送强的触觉反馈。
图2B是示出根据本公开的另一个示例性实施方案的触敏装置的示意性横截面图。图2B所示的触敏装置200b与图2A所示的触敏装置200a相同，不同之处在于折射率匹配材料250填充纳米孔112。因此，将省略其类似描述。
触敏装置200b有利地设置在靠近用户输入触摸的位置，以向用户传送更直接的触觉反馈。因此，触敏装置200b有利地设置在显示面板上方。当触敏装置200b设置在显示面板上方时，需要优异的透光率，以便不降低显示装置的效率和所得图像的质量。
如图2B所示，触敏装置200b包括电活性层110、多个第一电极221、多个第二电极222和填充形成在电活性层110中的纳米孔112的折射率匹配材料250。在没有折射率匹配材料250的情况下，由于占据纳米孔112的空气与PVDF基聚合物111的反射率的差异，入射到电活性层110上的光在纳米孔112与PVDF基聚合物111之间的界面处反射。由于反射光的量增加，电活性层的透光率降低，并且难以将电活性层设置在显示面板上。因此，用折射率匹配材料填充纳米孔112。
折射率匹配材料具有与PVDF基聚合物111相似的折射率，由此减少了PVDF基聚合物111与纳米孔112之间的界面处反射的光的量。
通常，PVDF基聚合物的折射率为1.4至1.5。因此，通过注入折射率为1.2至1.6(与PVDF基聚合物111相似)的折射率匹配材料250，显著减小了折射率为1.0的空气与PVDF基聚合物111之间的折射率的差异。因此，电活性层110的透光率可得以改善。
此外，折射率匹配材料250可用作绝缘体，以防止设置在电活性层110的两个表面上的多个电极221与222之间的短路。例如，在电活性层110的两个表面上形成多个电极221和222的过程期间，可将电极材料渗入纳米孔112。在这种情况下，多个第一电极221和多个第二电极222可能彼此连接，由此引起短路。可通过用折射率匹配材料250填充纳米孔112来防止这种短路。
折射率匹配材料250可为具有高介电常数的电活性聚合物，以改善电活性层110的介电常数。当向具有纳米孔112中填充有高介电常数的电活性聚合物的电活性层110施加电场时，折射率匹配材料250可与PVDF基聚合物111一起移动或振动。因此，与包括仅具有PVDF基聚合物的电活性层的触敏装置相比，触敏装置200b可以在低驱动电压下产生具有高强度的振动。
如上所述，折射率匹配材料250可为这样的化合物：其折射率与PVDF基聚合物111相似，并且具有高介电常数以在低驱动电压下被致动。例如，在1kHz下测量的折射率匹配材料250的介电常数可为10.0或更高。当折射率匹配材料250的介电常数为10.0或更高时，在形成于电活性层110的两个表面上的电极221和222之间产生电场时，包含折射率匹配材料250的纳米孔112可与电活性层110一起产生足够高强度的振动。
折射率匹配材料250可为PVDF共聚物或PVDF三元共聚物。优选的是折射率与电活性层110的PVDF基聚合物111相似且介电常数高的PVDF共聚物或PVDF三元共聚物。例如，PVDF共聚物可为包含偏二氟乙烯(VDF)单体和PVDF三元共聚物的共聚物。在这种情况下，与VDF单体共聚的另一种单体可为选自以下的一种或更多种单体：三氟乙烯(TrFE)、三氟氯乙烯(CTFE)、四氟乙烯(TFE)、氟氯乙烯(CFE)、六氟丙烯(HFP)、六氟丙烯和全氟甲基乙烯基醚(PMVE)，但不限于此。例如，PVDF共聚物或PVDF三元共聚物可选自P(VDF-CTFE)、P(VDF-CFE)、P(VDF-HFP)、P(VDF-CDFE)、P(VDF-TrFE-CTFE)、P(VDF-TrFE-CFE)、P(VDF-TrFE-HFP)、P(VDF-TrFE-CDFE)、P(VDF-TFE-CTFE)、P(VDF-TFE-CFE)、P(VDF-TFE-HFP)、和P(VDF-TFE-CDFE)。
折射率匹配材料250可涂覆在电活性层110的一个表面上以填充纳米孔112。
虽然未在图2B中示出，但是折射率匹配材料250不仅填充所有多个纳米孔112，而且在电活性层110的至少一个表面上形成另外的涂层。即，折射率匹配材料250在电活性层110上形成单独的涂层以用作辅助电活性层。或者，可在电活性层110的两个表面上形成包含折射率匹配材料250的涂层，并且可在涂层的两个表面上形成多个电极221和222，以制造触敏装置。在这种情况下，当向多个电极221和222施加电压时，可使电活性层110和设置在电活性层110的上表面和下表面上的包含折射率匹配材料250的涂层致动或振动。
此外，虽然在图2B中示出了所有纳米孔112均填充有折射率匹配材料250，但是本公开不限于此，并且一些纳米孔可能未被填充。
图3是根据本公开的一个示例性实施方案的制造触敏装置的方法的流程图，并且图4A至图4C是示出在根据本公开一个示例性实施方案的制造触敏装置的方法中形成具有层状结构的膜的步骤的示意图。由于通过以下所讨论的制造方法制造的触敏装置与触敏装置100基本相同，因此省略其类似描述。
首先，在步骤S310中形成电活性聚合物和非晶聚合物的嵌段共聚物。形成嵌段共聚物的步骤可以包括在电活性聚合物的末端形成氯基团并与非晶聚合物结合。
在这种情况下，电活性聚合物可为有利地形成层状结构的晶态聚合物，例如压电性和结晶度优异的PVDF基聚合物。在下述制造方法中，使用了PVDF基聚合物，但本公开不限于此。
非晶聚合物可为选自包括以下组中的一种：聚苯乙烯(PS)、聚丁二烯、聚异丁烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚三氟氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯，但不限于此。在该实施方案中，使用聚苯乙烯作为非晶聚合物。
随后，在步骤S320中，使嵌段共聚物形成为具有层状结构的膜。
将由PVDF基聚合物和非晶聚合物形成的嵌段共聚物粉末溶解在有机溶剂如二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基亚砜(DMSO)中以形成包含嵌段共聚物的溶液。随后，使用喷涂法、丝网印刷法、喷墨法、旋涂法或溶液浇铸法将包含嵌段共聚物的溶液涂覆在基板上，然后干燥，以形成具有层状结构的嵌段共聚物膜。
对经浇铸并且然后干燥之后的嵌段共聚物进行重结晶过程。PVDF基聚合物形成纳米晶体层，而非晶聚合物形成非晶态层。因此，嵌段共聚物形成其中PVDF基聚合物和非晶聚合物交替层压的层状结构。
层状膜的晶体形状可根据PVDF基聚合物和非晶聚合物的含量而改变，将参照图4A至4C对其进行描述。
图4A是示出具有层状结构的嵌段共聚物膜的概念图。如图4A所示，嵌段共聚物具有其中PVDF基聚合物A和非晶聚合物B作为交替层而共聚的形状。在该示例性实施方式中，PVDF基聚合物和非晶聚合物以4:6至7:3的体积分数包含在内。当满足PVDF基聚合物和非晶聚合物的上述范围时，共聚物可具有层状结构。
相比之下，图4B和4C是示出包含柱状结构的嵌段共聚物膜的概念图。当PVDF基聚合物的体积分数为0.4或更小时，如图4B所示，形成其中PVDF基聚合物C作为由非晶聚合物D包围的芯而存在的柱状嵌段共聚物。在这种情况下，PVDF基聚合物的量显著减少，由此降低了膜的极化强度和压电性。
当PVDF基聚合物的体积分数为0.7或更高时，也形成柱状嵌段共聚物，但是在这种情况下，非晶聚合物E作为由PVDF基聚合物F包围的芯而存在。当非晶聚合物E形成圆筒的芯时，非晶聚合物E的含量太小。因此，在PVDF基聚合物的晶体生长期间，不受到非晶聚合物E的空间限制，并且由PVDF基聚合物形成的晶体的尺寸增加，使得PVDF基聚合物不形成纳米级的β相，由此降低电活性层的介电常数。
随后，在步骤S330中，通过对膜进行蚀刻以除去非晶聚合物来形成包含多个纳米孔的电活性层。
使用酸性溶液(例如硝酸盐溶液)蚀刻具有层状结构的膜。通过蚀刻过程除去非晶聚合物以形成纳米孔112，并保留PVDF基聚合物111。在这种情况下，蚀刻过程的时间和温度可根据期望的层状膜的类型和尺寸适当地设定。例如，蚀刻过程的温度可设定为高于非晶聚合物的玻璃化转变温度(Tg)。
随后，在步骤S340中，将折射率匹配材料涂覆到电活性层上以填充纳米孔。
折射率匹配材料用于降低电活性层的光反射率，改善透光率，并防止由纳米孔引起的电极之间形成短路。将折射率匹配材料的溶液涂覆在电活性层上。折射率匹配材料可填充电活性层的所有孔或者仅填充一些孔。或者，可将折射率匹配材料施加在电活性层的至少一个表面上，以形成单独的涂层。可使用喷涂法、丝网印刷法、喷墨法、旋涂法或溶液浇铸法将折射率匹配材料涂覆到电活性层上。
如有必要，可省略通过用折射率匹配材料涂覆电活性层来填充纳米孔的步骤。
随后，可在电活性层的至少一个表面上形成电极。
可通过溅射法、印刷法或狭缝式涂布法等在电活性层上形成电极。可以在电活性层的两个表面或仅一个表面上形成电极。此外，当通过直接在电活性层的表面上涂覆纳米线和介电弹性体的混合物来形成电极时，可通过单独的过程在电活性层的相反表面上形成另外的电极。
尽管已参照图3、图4A至4C描述了制造触敏装置100的方法，但是触敏装置200a和200b也可以通过上述方法制造。
下文中，将参考以下实施例来描述本公开，但是本公开的范围不限于此。
制备例1：4-(氯甲基)-过氧化苯甲酰
将4-(氯甲基)苯甲酸溶解于0℃无水DCM中，并添加到包含二甲基甲酰胺(DMF)和少量草酰氯的溶剂中。在室温下反应2小时之后，获得黄色残余物，将其立即溶解于正己烷/Et2O溶剂中。将制备的溶液滴入过氧化锂的含水溶液中并快速搅拌。在室温下反应2小时之后，将制备的溶液在氯仿中稀释并在水中洗涤。然后，获得了通过干燥过程而结晶的4-(氯甲基)-过氧化苯甲酰。
Figure GDA0002257272450000151
制备例2：氯封端的PVDF的制备
在向制备例1中制备的4-(氯甲基)-过氧化苯甲酰中添加引发剂之后，添加145g偏二氟乙烯(VDF)单体，然后在20巴和90℃下进行聚合40分钟。然后，将反应混合物冷却，获得氯封端的PVDF。
制备例3：PS-PVDF-PS嵌段共聚物的制备
使制备例2中制备的氯封端的PVDF和苯乙烯以6:4的体积分数在110℃下聚合5小时。然后，使PS-PVDF-PS嵌段共聚物从反应混合物中结晶并干燥。
Figure GDA0002257272450000152
实施例1
将10重量％的制备例3中制备的PS-PVDF-PS嵌段共聚物(PVDF:PS＝6:4，体积分数)溶解在DMF中。将制备的溶液旋涂，然后在120℃下干燥30分钟，以制备具有层状结构的PS-PVDF-PS嵌段共聚物膜。然后，将所制备的嵌段共聚物膜浸入98％的硝酸盐溶液中5分钟，以通过蚀刻过程除去聚苯乙烯，并形成厚度为10μm且具有多个纳米孔的电活性层。然后，将用作折射率匹配材料的PVDF-TrFE-CFE三元共聚物涂覆在电活性层上并干燥，以形成最终厚度为35μm的电活性层。
比较例1
在使用PVDF均聚物形成PVDF均聚物膜之后，对PVDF均聚物膜进行单轴拉伸。对经拉伸的PVDF膜进行100V/μm的转态工艺以形成厚度为40μm的电活性层。
比较例2
在PVDF-TrFE-CFE三元共聚物的溶液浇铸之后，干燥PVDF-TrFE-CFE三元共聚物以形成厚度为27μm的电活性层。
实验例1：电活性层的横截面特性
使用SEM以50000的放大率对根据实施例1制备的电活性层的横截面进行成像。SEM图像示于图5中。
如图5所示，在实施例1中的电活性层上形成了纳米孔x，并且纳米孔x和PVDF基聚合物y以相同的方向布置。即，形成了层状结构。此外，纳米孔x在厚度方向上的孔径为约50nm至100nm，并且纳米孔x之间的距离为约20nm至100nm。
实验例2：振动加速度的测量
在实施例1、比较例1和比较例2中制备的电活性层的两个表面上沉积上电极和下电极，以制造触敏装置。然后，测量当以100kHz的频率向上电极施加100V、200V、300V、400V和500V的电压并向下电极施加接地电压时的振动加速度。其结果示于图6。
如图6所示，在100V至400V的电压范围内，实施例1的振动加速度高于比较例1和比较例2的振动加速度。即，触敏装置的驱动位移和振动强度在相同电压均大。同时，为了实现0.5G的振动加速度，需要在比较例1中施加约750V的驱动电压，并且需要在比较例2中施加约390V的驱动电压。相比之下，根据实施例1的触敏装置仅所需315V的驱动电压来实现0.5G的振动加速度。因此，实施例1的触敏装置的驱动电压和相应的功率消耗低。
图7是示出包括根据本公开一个示例性实施方案的触敏装置的显示装置700的结构的示意性分解立体图。如图7所示，显示装置700包括下盖710、触敏装置100、显示面板720、触摸面板730和上盖740。
下盖710设置在显示面板720下方以覆盖显示面板720、触敏装置100和触摸面板730的下部。下盖710保护显示装置700的内部部件免受外部冲击或外来物质或水分的渗透。例如，下盖710可由通过热形成且具有良好的可加工性的材料(如塑料)形成，但是不限于此。随着近年来柔性显示装置的积极发展，下盖710可由可以根据显示装置700的形状变形而变形的材料形成。例如，下盖710可由材料例如具有延展性的塑料形成。
触敏装置100设置在下盖710上并且在显示面板720下方。由于触敏装置100的具体部件基本上与图1A所示的触敏装置100相同，因此，省略其类似描述。与使用常规PVDF基聚合物的触敏装置相比，触敏装置100具有改善的驱动位移，即，改善的弯曲性能和降低的驱动电压。显示面板720是指用于显示图像且设置在显示装置700中的面板。作为显示面板720，可使用各种显示面板，如有机发光显示面板、液晶显示面板或电泳显示面板。显示面板720可为这样的有机发光显示器件：其允许有机发光层通过使电流流到有机发光层上并发射具有特定波长的光来发光。有机发光显示器件至少包括阴极、有机发光层和阳极。
有机发光装置还可配置成具有延展性和柔性。即，有机发光显示装置是具有延展性且包括柔性基板的柔性有机发光显示器件。柔性有机发光显示器件可通过施加外力而在多个方向和角度上发生变形。
触摸面板730设置在显示面板720上。触摸面板730是检测用户在显示装置700上的触摸输入并提供触摸坐标的面板。
触摸面板730根据其被布置的位置来分类。例如，触摸面板730可为附加型(add-ontype)，其中触摸面板附着在显示面板720的上表面上；单元型(on-cell type)，其中触摸面板设置在显示面板720上；以及内嵌式(in-cell type)，其中触摸面板集成在显示面板720中。此外，触摸面板730可通过其操作方法来分类。例如，触摸面板739可为电容型、电阻型、表面声波型、红外线型等。
上盖740设置在触摸面板730上以覆盖触敏装置100、显示面板720和触摸面板730的上部。上盖740可以执行与下盖710相同的功能。此外，上盖740可由与下盖710相同的材料形成。
虽然未在图7中示出，但是可使用粘合层来粘合下盖710、触敏装置100、显示面板720、触摸面板730和上盖740。光学透明粘合剂(OCA)或光学透明树脂(OCR)可以用作粘合层，但是本公开不限于此。
图8是示出包括根据本公开一个示例性实施方案的触敏装置的显示装置的示意性分解立体图。如图8所示，显示装置800包括触敏装置200a或200b而不是触敏装置100，并且触敏装置200a和200b设置在显示面板720上。其他部分与图7所示的显示装置700相同，并且省略其类似描述。
触敏装置200a和200b设置在显示面板720上并且在触摸面板730下方。触敏装置200a和200b的具体部件基本上类似于图2A和2B中所示的触敏装置200a和200b的部件，并且省略其类似描述。
根据本公开的一个示例性实施方案的触敏装置200a和200b包括由电活性聚合物形成的具有多个纳米孔的电活性层，使得与使用常规电活性聚合物的触敏装置相比，压电性显著改善，并且振动强度也得到改善。此外，用折射率匹配材料填充纳米孔以显著改善触敏装置的透光率。因此，触敏装置可设置在显示面板上，并且可以向用户传送直接和强的触觉反馈。
尽管通过参照附图对本公开的示例性实施方案进行了详细描述，但是本公开不限于此，并且可以以多种不同形式实施而不脱离本公开的技术概念。提供本公开的示例性实施方案仅是出于说明的目的，而不旨在限制本公开的技术精神。本公开的保护范围应解释为基于任何所附权利要求及其组合，并且在其范围内等同的所有技术概念应解释为落入本公开的范围。

Claims (18)

1.一种触敏装置，包括：
包含电活性聚合物的具有多个纳米孔的电活性层；
折射率匹配材料，其中所述折射率匹配材料存在于所述多个纳米孔中；和
设置在所述电活性层的至少一个表面上的电极。
2.根据权利要求1所述的触敏装置，其中所述电活性聚合物为铁电聚合物。
3.根据权利要求2所述的触敏装置，其中所述电活性聚合物为聚偏二氟乙烯(PVDF)基聚合物。
4.根据权利要求1所述的触敏装置，其中所述多个纳米孔以相对于所述电活性层的平面方向布置。
5.根据权利要求1所述的触敏装置，其中所述多个纳米孔中的每一个在平面方向上的孔径大于在厚度方向上的孔径。
6.根据权利要求1所述的触敏装置，其中所述电活性层的孔隙率为30％至60％。
7.根据权利要求1所述的触敏装置，其中所述电活性层的密度为800kg/cm3至1400kg/cm3。
8.根据权利要求1所述的触敏装置，其中所述电活性聚合物是纳米晶体且具有β相结构。
9.根据权利要求1所述的触敏装置，其中所述折射率匹配材料的折射率为1.2至1.6。
10.根据权利要求1所述的触敏装置，其中所述折射率匹配材料为选自包括以下组中的一种或更多种：聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(P(VDF-TrFE-CTFE))、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯(P(VDF-TrFE-CFE))、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-TrFE-HFP))、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-二氟氯乙烯(P(VDF-TrFE-CDFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯-三氟氯乙烯(P(VDF-TFE-CTFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯-氟氯乙烯(P(VDF-TFE-CFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-TFE-HFP))和聚偏二氟乙烯-四氟乙烯-二氟氯乙烯(P(VDF-TFE-CDFE))。
11.一种显示装置，包括：
显示面板；和
根据权利要求1至10中任一项所述的触敏装置。
12.根据权利要求11所述的显示装置，还包括：
在所述显示面板上的触摸面板，
其中所述触敏装置设置在所述显示面板与所述触摸面板之间或设置在所述显示面板下方。
13.一种制造触敏装置的方法，所述方法包括：
由包含电活性聚合物和非晶聚合物的嵌段共聚物形成层状膜；
通过蚀刻所述层状膜以除去所述非晶聚合物，形成包含多个纳米孔的电活性层；以及
用折射率匹配材料填充所述多个纳米孔。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述嵌段共聚物包含体积分数为4:6至7:3的所述电活性聚合物和所述非晶聚合物。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述电活性聚合物为PVDF基聚合物。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述非晶聚合物为聚苯乙烯。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述折射率匹配材料的折射率为1.2至1.6。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述电活性层的孔隙率为30％至60％，以及密度为800kg/cm3至1400kg/cm3。
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