CN109326708B - 一种基于聚氯乙烯凝胶的3d显示结构及其制作方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构及其制作方法和应用，根据PVC gel的电致变形原理，利用刚性基底电极、PVC gel薄膜和柔性上层电极膜，制作能够在电压下显示不同图形变换的3D显示结构。本发明操作简单、PVC gel在电压下响应快，变形明显。

Description

一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构及其制作方法和应用

技术领域

本发明属于智能材料与智能结构技术领域，具体涉及一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构及其制作方法和应用。

背景技术

在过去的30年里，微电子技术改变了我们的生活和工作，因此人们应该对包含数百甚至数千个组件的微机电系统(MEMS)的潜力感到好奇。微处理器在几分钟或几小时内处理化学或生物信息的能力，然而，最初的预期是，改进的半导体制造技术将很容易地适应许多其他大型集成应用程序，但是目前只有在很少的情况下才实现，比如数字微红外设备(DMD)。对于大多数其他的微驱动器应用来说，半导体技术太昂贵，没有提供足够的性能和/或必要的功能。聚合物及其廉价的制造技术可以为这一问题提供解决方案。

电活性聚合物具有质量轻、柔韧性好、驱动电压低、反应迅速和大变形等突出优点，可用于制作变形装置，是近年来崛起且具有极大应用潜力的新型智能材料。电致变形薄膜材料通常以条状或者块状整体使用，例如日本EAMEX公司开发了一种机器鱼产品，利用条状材料的弯曲变形推动鱼游动；美国环境机器人公司(ERI)利用电致变形薄膜条状材料的反复振动变形模拟鸟的飞翔动作；美国M.Shahinpoor利用多个条状电致变形薄膜材料制作微爪机构从电致变形薄膜材料的变形特点来看，其变形幅度大而驱动力小，将其用于对驱动力有一定要求的领域，并不能充分发挥其变形优势。而且对于阵列式电活性聚合物驱动器的研究开发较少，相关工艺不够完善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构及其制作方法和应用，可控性强、不受形状制约、既具有表面视觉又有物理触觉的3D显示结构。

本发明采用以下技术方案：

一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构，包括上层电极板、PVC gel薄膜和下层电极板，PVC gel薄膜置于上层电极板和下层电极板之间构成3D显示结构，施加直流电压后，PVCgel薄膜发生蠕动变形，用于显示下层电极板上的形状。

具体的，上层电极板上设置有上层电极，下层电极板上设置有基底电极；上层电极和基底电极均为阵列排布，每个上层电极均连接一个上层电极连接电路，每个基底电极均连接一个下层电极连接电路。

进一步的，阵列排布的形状包括方形、矩形、圆形或六边形。

进一步的，上层电极板的厚度大于等于500μm，基底电极为凸起状，厚度小于等于500μm。

一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构的制备方法，使用3D打印技术或者浇铸技术制作PVC gel薄膜；在PVC gel薄膜上表面采用3D打印、机加工、浇铸方式制作上层电极板，上层电极板上阵列排布有通孔，通孔内设置上层电极，然后使PVC gel薄膜与上层电极板紧密接触；再用3D打印技术、机加工、浇铸方式制备下层电极板，下层电极板上面阵列排布凸起状结构的基底电极，将下层电极板与PVC gel薄膜的下表面粘接连接。

进一步的，使用PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯混合制成混合物；然后向混合物中添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，配置成聚合物溶液用于制作PVC gel薄膜。

进一步的，PVC颗粒的聚合度为3000～4000，PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯以质量比1：(2～8)的比例混合。

进一步的，混合物与四氢呋喃的质量比为2：(3～7)。

具体的，上层电极板和下层电极板采用绝缘材料通过浇铸、3D打印方式制成；上层电极和基底电极采用炭黑、碳纳米管、石墨烯、银纳米颗粒/线掺杂的PVC凝胶导线和/或镀银纱线制作而成。

一种电子、光学或光电器件，包含基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构，所述器件包括盲文显示器、基于图形识别的装置或三维图形显示器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构，PVC gel薄膜置于上层电极板和下层电极板之间构成3D显示结构，施加直流电压后，PVC gel薄膜发生蠕动变形，用于显示下层电极板上的形状，利用PVC gel的变形原理，结构简单，易于制作。

进一步的，阵列式排布可以通过控制连接线路控制不同的单元变形，从而可以显示多种组合形状。

进一步的，阵列排布为方形、矩形、圆形或六边形，能够根据要显示的不同图案显示不同的组合形状。

进一步的，将上下层电极板尽可能设置的比较薄，可以使整个结构的厚度比较小。

本发明还公开一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构的制备方法，结构简单，可以通过控制连接线路，对不同的阵列单元施加电压，实现不同变形单元的组合变形。

进一步的，通过对不同比例的PVC溶液的配置，可以得到不同柔软度的PVC gel薄膜。

进一步的，采用导电的柔性材料，可以使整个结构柔性，可以应用在曲面等结构上。

综上所述，本发明操作简单、PVCgel在电压下响应快，变形明显，通过3D显示结构可以显示不同形状的图案。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明PVC gel在电场变形的变形示意图；

图2为本发明上层电极板结构示意图；

图3为本发明下层电极板结构示意图；

图4为本发明3D显示结构安装示意图；

图5为本发明基底电极图像变形结构示意图；

图6为阵列制作图形编码装置示意图。

其中，1.上层电极板；2.上层电极；3.PVC gel薄膜；4.下层电极板；5.基底电极；6.上层电极连接电路；7.下层电极连接电路。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

PVC gel是基于一种电刺激响应的一种聚合物，能够在电场作用下发生左右偏转或者上下运动的变形。设计一种成像阵列系统，制作能够显像的3D显示器，使其既具有表面视觉又有物理触觉。我们设计的阵列式3D显像结构通过其电活性聚合物层PVC gel的不同变形组合从而改变显示器的表面结构。本发明可用于盲文显示，图形防伪，3D图形显示等领域，具有广泛的应用价值。

请参阅图1，本发明提供了一种基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构，根据PVC gel的电致变形原理，由上层电极板1、PVC gel薄膜3和下层电极板4叠加组成，PVC gel薄膜3设置在上层电极板1和下层电极板4之间，上层电极板1上开有通孔，在上层电极板1的通孔以及下层电极板的对应区域均设置导电电极，通过施加直流电压后PVC gel薄膜3会向下层电极板4的基底电极5发生蠕动变形，从而产生不同的表面形状，如图5所示。

请参阅图2和图3，通孔阵列设置在上层电极板1上，阵列排布的形状包括方形、矩形、圆形或六边形，每个通孔内均涂覆有上层电极2，每个上层电极2均连接一个上层电极连接电路6；下层电极板4上对应上层电极2设置有具有特定形状的基底电极5，每个基底电极5均连接一个下层电极连接电路7。

其中，上层电极板1的厚度大于等于500μm，基底电极5的形状为凸起状，厚度小于等于500μm。

请参阅图4，上层电极2位于上层电极板1的通孔内，PVC gel薄膜3的上表面与上层电极板1的下侧接触，PVC gel薄膜3的下表面与下层电极板4上设置的基底电极5接触。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

3d显示结构的制作

制作PVC gel薄膜3使用的PVC溶液，使用3D打印技术或者浇铸技术制作PVC gel薄膜3；采用浇铸等方式制作上层电极板1，上层电极板1上设阵列排布有通孔，通孔内涂覆有上层电极2，使PVC gel薄膜3与上层电极板1紧密接触；用直写3D打印技术打印下层电极板4，下层电极板4上设置有具有凸起形状的基底电极5，将基底电极5与PVC gel薄膜3的下表面粘接连接。

使用聚合度在3000～4000的PVC颗粒，与塑化剂己二酸二丁酯(DBA)以质量比1：(2～8)的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物质量与四氢呋喃的质量比为2：(3～7)，配置成聚合物溶液用于制作PVC gel薄膜3；

基底电极5采用导电材料通过浇铸、3D打印等方式制作出特定的形状；导电的柔性材料包括但不限于：炭黑、碳纳米管、石墨烯、银纳米颗粒/线等掺杂的PVC凝胶导线，镀银纱线等。

然后利用直写3D打印技术打印下层电极板4，下层电机板4上具有凸起形状的基底电极5；最后将基底电极5和PVC gel薄膜3的下表面通过边缘粘接，组成三层结构，施加电压时，PVC gel薄膜3会带动上层阵列电极1向基底电极5电蠕动变形，基底电极5上凸起部分会显像出来。

实施例2

阵列显示结构制作盲文显示器：

首先采用实施例1中所述方法，制作阵列变形结构；给相应的单元通电，使PVC gel薄膜发生蠕变变形产生凸点，如图5所示，显示英文盲文文字z。

实施例3

阵列制作图形编码装置：

采用实施例2中所述方法，将阵列规模扩大化，制作如图6所示的大规模阵列单元。当通过计算机编码给其中部分阵列单元施加驱动电压，相应的点单元被驱动产生凸起，从而形成一特定的阵列图形，这一图形可被用于基于图形识别的防伪和钥匙。

采用实施例1或者2中所述方法，制作单元随材料膜整体变形的大规模阵列；采用不同单元形状和阵列分布方式；施加不同幅值的电压，能够获得更为复杂的图形，提高被仿制的难度。

本发明制作的电极，导电性良好并且比较柔软，可以进行弯曲、拉伸、扭转、对折等动作，因此不受结构形状的制约。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种制备基于聚氯乙烯凝胶3D显示结构的方法，其特征在于，基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构，包括上层电极板(1)、PVC gel薄膜(3)和下层电极板(4)，上层电极板(1)上设置有上层电极(2)，下层电极板(4)上设置有基底电极(5)；上层电极(2)和基底电极(5)均为阵列排布，阵列排布的形状包括方形、矩形、圆形或六边形，每个上层电极(2)均连接一个上层电极连接电路(6)，每个基底电极(5)均连接一个下层电极连接电路(7)，上层电极板(1)的厚度大于等于500μm，基底电极(5)为凸起状，厚度小于等于500μm，PVC gel薄膜(3)置于上层电极板(1)和下层电极板(4)之间构成3D显示结构，施加直流电压后，PVC gel薄膜(3)发生蠕动变形，用于显示下层电极板(4)上的形状，具体步骤如下：

使用3D打印技术或者浇铸技术制作PVC gel薄膜(3)，使用PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯混合制成混合物；然后向混合物中添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，配置成聚合物溶液用于制作PVC gel薄膜(3)，PVC颗粒的聚合度为3000～4000，PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯以质量比1：(2～8)的比例混合，混合物与四氢呋喃的质量比为2：(3～7)；在PVC gel薄膜(3)上表面采用3D打印、机加工、浇铸方式制作上层电极板(1)，上层电极板(1)上阵列排布有通孔，通孔内设置上层电极(2)，然后使PVC gel薄膜(3)与上层电极板(1)紧密接触；再用3D打印技术、机加工、浇铸方式制备下层电极板(4)，下层电极板(4)上面阵列排布凸起状结构的基底电极(5)，将下层电极板(4)与PVC gel薄膜(3)的下表面粘接连接。

2.根据权利要求1所述的基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构的制备方法，其特征在于，上层电极板(1)和下层电极板(4)采用绝缘材料通过浇铸、3D打印方式制成；上层电极(2)和基底电极(5)采用炭黑、碳纳米管、石墨烯、银纳米颗粒/线掺杂的PVC凝胶导线和/或镀银纱线制作而成。

3.一种电子、光学或光电器件，包含权利要求1所述方法制备的基于聚氯乙烯凝胶的3D显示结构，所述器件包括盲文显示器、基于图形识别的装置或三维图形显示器。

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