JP2009169944A - タッチパネル及びそれを利用するディスプレイ - Google Patents

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開利 姜
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亮 劉
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Abstract

【課題】本発明は、タッチパネルに関し、特にカーボンナノチューブフィルムを利用するタッチパネルに関し、正確性や応答性が向上し、光透過性が高いタッチパネルを提供する。
【解決手段】本発明のタッチパネルは、基板と、前記基板に設置された透明な導電構造体と、それぞれ前記透明な導電構造体に接続され、相互に所定の距離で離隔して設置された少なくとも二つの電極と、を含む。前記二つの電極の少なくとも一方は、カーボンナノチューブ構造体を含む。本発明は前記タッチパネルを利用するディスプレイも提供する。
【選択図】図2

Description

本発明は、タッチパネルに関し、特にカーボンナノチューブ構造体を利用するタッチパネルに関する。
タッチパネルは、画面に指やペンなどで直接触れることで機械を操作する装置であり、LCDなど表示装置、PDAなど携帯装置、銀行のATMやPOSなど多くの装置で用いられている。タッチパネルに対して、タッチした位置の検出を電気的に行うものとして、抵抗膜方式や静電容量方式などがある。一方、電気を用いないものとして、超音波方式や赤外遮光方式、画像認識方式などがある。
静電容量方式は、指で触れることで表示パネルの表面電荷の変化を捕らえることによる位置検出方法である。現在の静電容量方式のタッチパネルは、ガラス基板と、前記ガラス基板に設置される透明な導電構造体と、前記透明な導電構造体の四隅に設置される金属電極と、を含む。前記四つの金属電極により、前記基板に等電位面が形成される。即ち、タッチパネル表面全体に低圧の電界を形成し、タッチした指によりその部分の電界を放電して、前記金属電極に微弱な電流が発生する。前記金属電極の電流の比率を計算することで触れた位置を検出することができる。
一般に、前記ガラス基板はソーダ石灰ガラスからなる。前記透明な導電構造体は、ITO(インジウムスズ酸化物)又はATO(三酸化アンチモン)などの透明な材料からなる。前記金属電極は、それぞれ低抵抗の金属(例えば、銀であり)を印刷することにより形成される。さらに、前記透明な導電性層に封止膜を設置する。前記封止膜は、液体のガラスを硬化又は緻密化処理することにより形成される。
Kaili Jiang、Qunqing Li、Shoushan Fan、"Spinning continuous carbon nanotube yarns"、Nature、2002年、第419巻、p.801
現在主流の方式では、全面がITO(Indium Tin Oxide)の透明導電性薄膜で構成されるために、構造が単純となり、剥離や磨耗、断線などがおきにくいために、寿命が長く、透過率も高く改善された。しかし、ITO(Indium Tin Oxide)はスパッタリング法、イオンプレーティング、塗布法などの方法により成膜されるので、製造方法が複雑である。また、ITO薄膜は、機械的及び化学的性能が良好でなく、膜質の均一性が低いという欠点がある。また、ITO薄膜の光透過性が低いので、明るい環境で表示パネルに表示される画面が見にくくなる。従って、現在のタッチパネルは、正確性や応答性が低く、光透過性が低いという課題がある。
前記課題を解決するために、正確性や応答性が向上し、光透過性が高いタッチパネルを提供することが必要である。
本発明のタッチパネルは、基板と、前記基板に設置された透明な導電構造体と、それぞれ前記透明な導電構造体に接続され、相互に所定の距離で離隔して設置された少なくとも二つの電極と、を含む。前記二つの電極の少なくとも一方は、カーボンナノチューブ構造体を含む。
前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。
前記カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブフィルムを含み、
前記複数のカーボンナノチューブフィルムが、隙間がなく平行に並列している。
前記カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記複数のカーボンナノチューブフィルムが、積層されている。
前記カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブフィルムを有する場合、隣接するカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが、それぞれ0°〜90°の角度で交叉して設置されている。
前記のカーボンナノチューブ構造体が、カーボンナノチューブが同じ方向、又は異なる方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブフィルムからなる。
単一の前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。
単一の前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが、前記カーボンナノチューブフィルムの表面と成す角度が0°〜15°である。
単一の前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが、それぞれ絡み合っている。
本発明のディスプレイは、タッチパネルと、前記タッチパネルの基板に近接した表示素子と、を含む。ここで、前記タッチパネルは、基板と、前記基板に設置された透明な導電構造体と、それぞれ前記透明な導電構造体に接続され、相互に所定の距離で離隔して設置された少なくとも二つの電極と、を含む。前記二つの電極の少なくとも一方は、一つのカーボンナノチューブ構造体又は積層させた複数のカーボンナノチューブ構造体を含む。
従来技術と比べると、本発明のタッチパネルは、次の優れた点がある。第一に、カーボンナノチューブは良好な機械性能を有するので、従来の金属薄膜を代えて、カーボンナノチューブフィルムを電極として利用するタッチパネルは、良好な機械的強度及び靱性を有する。従って、前記タッチパネルの耐久性を高め、該タッチパネルを利用するディスプレイの使用寿命を延長することができる。第二に、カーボンナノチューブは良好な導電性を有するので、カーボンナノチューブフィルムを利用するタッチパネルは、均一な導電性及び高導電性を有する。第三に、前記電極及び前記透明な導電構造体はカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記電極及び前記透明な導電構造体の間に良好な電気接続が形成され、タッチパネルの応答操作の正確性を高くすることができる。
図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1及び図2を参照すると、本実施形態のタッチパネル20は、基板22と、透明な導電構造体24と、保護層26と、少なくとも二つの電極28を含む。ここで、前記基板22は、第一表面221及び該第一表面221に対向する第二表面222を含む。前記透明な導電構造体24は、前記基板22の第一表面221に設置されている。前記少なくとも二つの電極28は前記透明な導電構造体24に電気的に接続されるように、それぞれ前記透明な導電構造体24の隅又は縁部に設置されている。このように設置されば、前記透明な導電構造体24に等電位面を形成することができる。前記保護層26は、前記透明な導電構造体24及び前記電極28の上に設置されることができる。
前記基板22は透明な材料からなり、曲面型又は平板型に形成される。さらに、前記基板22は例えばカーボンナノチューブフィルムのような柔軟な薄膜であり、又は、ガラス、石英、ダイヤモンドのような透明な基板である。前記透明な導電構造体24はインジウムスズ酸化物(ITO)、カーボンナノチューブ、導電のポリマーからなる。
さらに、前記タッチパネル20の接触領域の形状に対応した形状に、前記透明な導電構造体24及び基板22を設けることができる。例えば、前記透明な導電構造体24及び基板22は矩形又は三角形に形成されることができる。本実施形態において、前記タッチパネル20の接触領域は、矩形に形成されるので、前記透明な導電構造体24及び基板22は矩形に形成されている。また、本実施形態において、前記タッチパネル20の透明な導電構造体24に均一な電位面を形成するために、それぞれ前記透明な導電構造体24の四つの隅に電極28を設置する。隣接する前記電極28は、所定の距離で離れるように設置されている。
前記電極28は少なくともカーボンナノチューブ構造体(図示せず)を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は、一枚又は複数のカーボンナノチューブフィルムを含む。単一前記のカーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブからなり、所定の厚さを有する薄膜である。該カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記カーボンナノチューブフィルムが隙間なく平行に配列されて、大型のカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。該大型のカーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブは同じ方向又は異なる方向に沿って配列されている。
また、カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記複数のカーボンナノチューブフィルムが同じ方向又はそれぞれ角度αで交叉して積層されている。ここで、該角度αは、0<α≦90°の条件を満たす。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、配向して又は配向せずにに配列されている。前記カーボンナノチューブが配向せずに配列される場合、前記カーボンナノチューブはそれぞれ絡み合い、又は前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に所定方向に配列されている。前記カーボンナノチューブが配向して配列される場合、同じ方向又は異なる方向に沿って所定方向に配列されている。
実際の条件に応じて、前記電極28に利用されるカーボンナノチューブフィルムの数量を増加又は減少することができる。単一前記のカーボンナノチューブフィルムの厚さは、0.5nm〜100μmにされることが好ましい。本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルムの長さは30cm、幅が30cm、厚さが10μmである。
一つの実施例として、前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法にについて説明する。ここで、一枚のカーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。
第一段階では、カーボンナノチューブアレイを提供する。超配列カーボンナノチューブアレイ(Superaligned array of carbon nanotubes,非特許文献1)であることが好ましい。
本実施形態において、化学気相堆積法(CVD)法により前記カーボンナノチューブアレイを成長させる。まず、基材を提供する。該基材としては、P型又はN型のシリコン基材、又は表面に酸化物が形成されたシリコン基材が利用される。本実施形態において、厚さが4インチのシリコン基材を提供する。次に、前記基材の表面に触媒層を堆積させる。該触媒層は、Fe、Co、Ni又はそれらの合金である。次に、前記触媒層が堆積された前記基材を、700〜900℃、空気雰囲気において30〜90分間アニーリングする。最後に、前記基材を反応装置内に置いて、保護ガスを導入すると同時に前記基材を500〜700℃に加熱して、5〜30分間カーボンを含むガスを導入する。これにより、高さが200〜400μmの超配列カーボンナノチューブアレイが成長される。前記超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行に基材に垂直に成長する複数のカーボンナノチューブからなる。前記方法により、超配列カーボンナノチューブアレイに無定形炭素又は触媒剤である金属粒子などの不純物が残らず、純粋なカーボンナノチューブアレイが得られる。
本実施形態において、前記カーボンを含むガスはアセチレンなどの炭化水素であり、保護ガスは窒素やアンモニアなどの不活性ガスである。勿論、前記カーボンナノチューブアレイを、アーク放電法又はレーザー蒸着法により得ることができる。
第二段階では、前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出す。
まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。本実施形態において、一定の幅を有するテープを利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブセグメントからなる連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。一般に、前記カーボンナノチューブを引出す方向は、前記カーボンナノチューブアレイの成長方向に垂直である。
前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブセグメントが端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。単一のカーボンナノチューブセグメントは、長さが同じ複数のカーボンナノチューブを含む。該複数のカーボンナノチューブは、相互に平行に並列し、分子間力で接合されるように配列されている。
図3は、前記カーボンナノチューブフィルムのSEM写真である。図3に示すように、前記カーボンナノチューブフィルムは、所定の方向に沿って配列し、端と端で接合される複数のカーボンナノチューブからなる一定の幅を有するフィルムである。前記カーボンナノチューブフィルムは、均一な導電性及び均一な厚さを有する。このカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、高効率又は簡単であり、工業的に実用化されている。
本実施形態において、前記カーボンナノチューブ構造体は、一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。図3及び図4を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメント143を含む。各々のカーボンナノチューブセグメント143は、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ145を含む。前記方向は、前記カーボンナノチューブを引く方向というものである。少なくとも二つの前記カーボンナノ層を角度αで交差して積み重ねることができる。ここで、該角度αは、0<α≦90°の条件を満たす。
前記カーボンナノチューブフィルムの幅は前記基材の幅により設定され、前記カーボンナノチューブフィルムの長さは基材の寸法に限定されず、必要に応じて設定可能である。本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルムの幅は1cm〜10cmに設けられ、厚さは0.01〜100μmに設けられる。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径が0.5nm〜50nmに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径が1nm〜50nmに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径が1.5nm〜50nmに設定される。
カーボンナノチューブは比表面積が高く、前記超配列カーボンナノチューブアレイには不純物がないという特性があるので、前記カーボンナノチューブフィルムは強い粘着性を有する。従って、前記透明な導電構造体24における前記カーボンナノチューブフィルムは、直接前記基板22に接着することができる。さらに、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを並列にして大型のカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。
実際の条件に応じて、有機溶剤を利用して前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬して処理することができる。前記有機溶剤は、メタノール、アルコール、アセトンである。本実施形態において、アルコールを利用して前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬することにより、前記カーボンナノチューブフィルムは、該アルコールの表面張力作用で、強く前記基板又は前記透明な導電構造体24の表面に接着することができる。前記電極28が複数のカーボンナノチューブ構造体を含む場合、前記製造方法によるカーボンナノチューブフィルムを同じ方向又は異なる方向に沿って積層させることができる。前記電極28を、例えば、銀ペーストで直接前記透明な導電構造体24に接着させることができる。
さらに、前記透明な導電構造体24及び前記電極28を保護するために、前記透明な導電構造体24及び前記電極28の表面に保護層26を設置することができる。該保護層26は透明な材料、例えば、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、ベンゾシクロブテン(BCB)、樹脂膜、アクリル樹脂などのいずれか一種からなる。さらに、前記保護層26は、表面硬化処理によるプラスチック膜(例えば、PET)であってもよい。所定の方法で前記保護層を加工することにより、該保護層26は防反射又は防眩性などの性能を有することができる。本実施形態において、前記保護層は二酸化ケイ素からなり、硬度が7H(Hは、ロックウェル硬さ試験において、基準荷重における圧子の侵入深さを示すもの)に達する。前記保護層26を導電性の銀ペーストで直接前記透明な導電構造体24に接着させることができる。
さらに、電磁妨害(Electromagnetic Interference,EMI)を防止するために、前記基板22の第二表面222に、遮蔽層25を設置することができる。該遮蔽層25はインジウムスズ酸化物(ITO)又はアンチモン含有酸化スズ(ATO)、CNTを含む物からなる。本実施形態において、前記遮蔽層25は、カーボンナノチューブフィルムを含む。該カーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブが配向して又は配向せずに配列することができる。前記カーボンナノチューブフィルムを電気的に接地させることにより、前記タッチパネル20を電磁妨害がない雰囲気において動作させることができる。
図5を参照すると、本実施形態は、前記タッチパネル20を利用するディスプレイ100を提供する。該ディスプレイ100は、前記タッチパネル20と、表示素子30と、第一制御素子40と、中央処理装置(CPU)50と、第二制御素子60と、を含む。前記タッチパネル20は前記表示素子30に近接して設置され、また、外部回路(図示せず)で前記第一制御素子40に電気的に接続されている。支持体108を利用して、前記表示素子30を前記タッチパネル20から所定の距離で離隔させて、前記タッチパネル20の基板22の第二表面222に相対して設置させている。従って、前記表示素子20及び前記基板22の間に、空間106が形成されている。勿論、前記表示素子30を、例えば、接着剤で前記タッチパネル20の基板22に組み合わせることができる。前記表示素子30は、液晶表示装置、電界放出装置、プラズマ表示装置、電子放出ディスプレイ、真空蛍光表示装置又は陰極線管などの表示装置のいずれか一種であることができる。前記タッチパネル40は前記中央処理装置50と電気的に接続されている。前記中央処理装置50は、前記表示素子30を制御するために前記第二制御素子60に電気的に接続されている。
さらに、前記表示素子30が所定の距離で離隔して前記タッチパネル20の基板22に対向して設置される場合、前記タッチパネル20の基板22に設置される遮蔽層25の、前記基板22から遠い方の表面に、硬化層104を形成することができる。該硬化層104は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、ベンゾシクロブテン(BCB)、樹脂膜、アクリル樹脂などのいずれか一種からなる。前記硬化層104は絶縁層として利用でき、外力(例えば、電気力)で前記表示素子30に与えられる損傷を防止することができる。前記硬化層104及び前記空間106を設けるので、前記表示素子30が強い力で損傷することを防止することができる。なお、前記表示素子20及び前記タッチパネル20を直接組み合わせる場合、前記硬化層104を隙間がなく前記表示素子20の表面に設置することができる。
前記ディスプレイ100に例えば5Vの電圧を印加する場合、前記タッチパネル20の透明な導電構造体24に微弱な電流を流して、等電位面を形成する。使用者はディスプレイ100に表示された情報を読みながら、指70で前記ディスプレイ100の表面に設置された前記タッチパネル20を押す。この時、前記指70が触れる位置で、前記タッチパネル20の4隅に設置される電極28から流れる電流が前記指70から人体に流れて、電荷量が変化する。それぞれの前記電極28からの電流の比率を計算することにより、前記触れた位置を測定することができる。この測定データを前記中央処理装置50に伝送する。前記中央処理装置50は前記測定データを接収して処理した後、前記表示制御素子60へ前記測定データを伝送する。これによって、前記ディスプレイ100における所定の場所に、必要な情報を表示することができる。
本発明のタッチパネルは、次の優れた点がある。第一に、カーボンナノチューブは良好な機械性能を有するので、従来の金属薄膜を代えて、カーボンナノチューブフィルムを電極として利用するタッチパネルは、良好な機械的強度及び靱性を有する。従って、前記タッチパネルの耐久性を高め、該タッチパネルを利用するディスプレイの使用寿命を延長することができる。第二に、カーボンナノチューブは良好な導電性を有するので、カーボンナノチューブフィルムを利用するタッチパネルは、均一な導電性及び高導電性を有する。第三に、前記電極及び前記透明な導電構造体はカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記電極及び前記透明な導電構造体の間に良好な電気接続が形成され、タッチパネルの応答操作の正確性を高くすることができる。
本発明の実施形態のタッチパネルの模式図である。 図1のII−II線に沿った、本発明の実施形態のタッチパネルの断面図である。 本発明の実施形態のカーボンナノチューブフィルムのSEM写真である。 本発明の実施形態のカーボンナノチューブセグメントを示す図である。 本発明の実施形態のタッチパネルを利用するディスプレイの動作原理を示す図である。
符号の説明
100 ディスプレイ
104 硬化層
106 空間
143 カーボンナノチューブセグメント
145 カーボンナノチューブ
20 タッチパネル
22 基板
221 第一表面
222 第二表面
24 透明な導電構造体
25 遮蔽層
26 保護層
28 電極
30 表示素子
40 第一制御素子
50 中央処理装置
60 第二制御素子

Claims (10)

  1. 基板と、前記基板に設置された透明な導電構造体と、それぞれ前記透明な導電構造体に接続され、相互に所定の距離で隔てて設置された少なくとも二つの電極と、を含み、
    前記二つの電極の少なくとも一方は、カーボンナノチューブ構造体を含むことを特徴とするタッチパネル。
  2. 前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含むことを特徴とする、請求項1に記載のタッチパネル。
  3. 前記カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブフィルムを含み、
    前記複数のカーボンナノチューブフィルムが、隙間がなく平行に並列していることを特徴とする、請求項1又は2に記載のタッチパネル。
  4. 前記カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブフィルムを含み、
    前記複数のカーボンナノチューブフィルムが、積層されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のタッチパネル。
  5. 前記カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブフィルムを有し、
    隣接するカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが、それぞれ0°〜90°の角度で交叉して設置されていることを特徴とする、請求項1に記載のタッチパネル。
  6. 前記のカーボンナノチューブ構造体が、カーボンナノチューブが同じ方向、又は異なる方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブフィルムからなることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のタッチパネル。
  7. 単一の前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のタッチパネル。
  8. 単一の前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが、前記カーボンナノチューブフィルムの表面と成す角度が0°〜15°であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のタッチパネル。
  9. 単一の前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが、それぞれ絡み合っていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のタッチパネル。
  10. タッチパネルと、前記タッチパネルの基板に接近する表示素子と、を含み、
    前記タッチパネルは、
    基板と、前記基板に設置された透明な導電構造体と、それぞれ前記透明な導電構造体に接続され、相互に所定の距離で隔てて設置された少なくとも二つの電極と、を含み、
    前記二つの電極の少なくとも一方は、一つのカーボンナノチューブ構造体又は積層させた複数のカーボンナノチューブ構造体を含むことを特徴とするディスプレイ。
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