TW201227433A - Touch pen - Google Patents

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201227433 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及一種觸控筆,尤其涉及一種應用於觸摸屏的 觸控筆。 【先前技術】 [0002] 近年來,伴隨著移動電話與觸摸導航系統等各種電子設 備的高性能化和多樣化的發展,在液晶等顯示設備的前 面安裝透光性的觸摸屏的電子設備逐步增加。這樣的電 子設備的使用者通過觸摸屏,一邊對位於觸摸屏背面的 顯示設備的顯示内容進行視覺確認,一邊利用手指或筆 等方式按壓觸摸屏來進行操作。由此,可以操作電子設 備的各種功能。 [0003] 按照觸摸屏的工作原理和傳輸介質的不同,先前的觸摸 屏分為四種類型,分別為電阻式、電容式、紅外線式以 及表面聲波式。其中電容式觸摸屏因敏感度較高、所需 觸碰力度較小而應用較為廣泛。 〇 [0004] 先前的電容式觸摸屏包括一個透明導電層,該透明導電 層連接有複數個電極。使用時,通常採用手指或者一個 觸控筆觸摸電容屏的表面,觸摸物與透明導電層之間形 成一接觸電容,通過外接電路感測觸撰點與觸摸屏表面 的透明導電層的各個電極之間的電信號,從而可以判斷 出觸摸點在觸摸屏上的位置。先前觸控筆的筆尖為了獲 得良好的導電性,一般由金屬材質製成。然而,通過金 屬材質製成的觸控筆的筆頭,硬度較高,容易對觸摸屏 造成損傷,並且其與觸摸屏接觸時的接觸電容以及靈敏 099146748 表單編號A0101 第3頁/共56頁 0992080316-0 201227433 [0005] [0006] [0007] [0008] [0009] [0010] 度仍有待改進。【發明内容】 有繁於此’提供-種使用時與觸摸屏之間接觸電容大、 具有較高靈敏度,並且對觸摸屏傷害較小的觸控筆實 必要。 、一 一種觸控筆,包括筆桿和筆頭,所述筆頭具有柔性及導 電性。所述筆頭使用時與觸摸屏之間形成接觸電容,所 述筆頭的表面設置有由奈米碳管組成的觸碰材料層。 與先前技術比較,由於奈米碳管具有非常好的導電性、 較大的比表面積以及較好的独,使得本發明觸控筆的 筆頭與電容_鮮接料,在單位賴面積上的接觸 電谷較大,具有較南的靈敏度。另外,由於奈米碳管的 摩擦係數比金屬更小,所以該筆頭不易損傷觸摸屏。 【實施方式】 下面將結合附圖及具體實施例對本發明觸摸屏觸控筆作 進一步的詳細說明。 請參閱圖1 ’本發明第一實施例提供一種用於觸摸屏的觸 控筆100。該觸控筆〗00包括筆桿11〇以及設置於該筆桿 110—端的筆頭120。所述筆頭120具有柔性和導電性。 本發明觸控筆1〇〇的筆桿110的作用主要係為用戶提供操 作筆頭120時的把持部位◊當所述觸控筆1〇〇為靠人體導 電性來達成觸控操作的筆時,所述筆桿11〇需要具有將人 手上的靜電荷傳遞至筆頭120的功能,即所述筆桿需 要與葦頭120電連接 <=當所述觸控筆並非靠人體導電 099146748 表單編號A0101 第4頁/共56頁 0992080316- 201227433 性來達成觸控操作的筆時,如在筆桿11〇内設置一與所述 筆頭120電連接的電容性導體的電容式觸控筆1〇〇,所述 筆桿110與筆頭120之間不必一定要導電性連接,只要保 證筆頭120與觸摸屏之間能夠形成接觸電容即可。可以理 解為,本發明觸控筆100的筆桿11〇的材料、結構、形狀 以及與筆頭12G之間的連接方式均可以根據實際需要去選 擇或者改變。本實施例中,以靠人體靜電的觸控筆1〇〇並 以筒狀金屬筆桿1 1 〇為例,來重點說明本發明觸控筆丨〇 〇 的筆頭120結構。 Ο [0011] ο [0012] 請參見圖2,所述筆桿110為空众筒狀結構,具有一個固 定端114。筆桿11〇的固定端114内部設置有内螺紋用於 安裝所述筆頭120,所述筆頭12〇擰入所述筆桿11〇的固 定端114。當筆頭12〇擰入所述筆桿11〇的固定端U4時, 筆頭120與所述筆桿電連接。可以理解,筆頭12〇與 筆桿11 0的連接方式不限於此,可以根據筆桿11 〇和筆頭 120的开>狀、結構以及材枓在先前技術中的各種連接方式 中選擇適當的方式,只要能夠保證筆桿11〇與筆頭12〇電 連接即可。 請參見圖3,所述筆頭120由一個支撐體丨21以及一個觸碰 材料層125構成。該觸碰材料層125設置於所述支撐體 121的外表面。所述支撐體121為柔性材料構成,所述觸 碰材料層125為具有柔性的導電材料構成。筆頭12〇的形 狀可以根據實際需要設計,可以為球狀,錐狀,圓臺狀 等等,本實施例中筆頭120為圓錐狀。由於筆頭120具有 柔性’在使用時,可以通過壓力控制筆頭12〇與觸摸屏之 099146748 表單編號A0101 第5頁/共56頁 0992080316-0 201227433 間的接觸面積’從而控制觸控筆1G與觸摸屏之間的接觸 電容的大小。 [0013] [0014] 所述支撐體121具有-固定部122和一主體124,所述固 定部122和所述主體124可以為—體成型的整體實心結構 所述固疋部12 2的外表面設有外螺紋,正好與所述筆桿 11〇的固定端114的内螺紋相匹配,從而可以將筆頭ι2〇 固定於筆桿110的固定端114。所述主體124的形狀可根 據實際需要設計,可以為球狀,錐狀,圓臺狀等等。所 述主體124用於5又置所述觸碰材料層】25 ’所述觸碰材料 層125可以將主體124全部覆蓋,也可以部分覆蓋。所述 觸碰材料層125至少部分覆蓋所述固定部122和主體124 的連接處,從而當筆頭12〇安裝在筆桿11〇的固定端114 後’觸碰材料層125與筆桿11〇電連接。 所述支撐體121為柔性高分子材料構成,所述柔性高分子 材料可以為赠膠、聚氨脂、聚丙蛛酸乙3旨、聚丙稀酸 丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯及聚丙费腈尊中的一種或幾 種的組合。所述支撐體121還可以由具有較高介電常數的 柔性聚合物材料組成,該高介電常數的柔性聚合物材料 可以為膠態。所述支撐體121還可以為導電高分子材料, 導電尚分子材料具有較高的介電常數,用作支撑體121時 ’可以使筆頭120本身具有較大的電容。所述導電高分子 材料可以為聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩。本實施例中,所 述支撐體121的材料為矽橡膠。 099146748 請參見圖4 ’所述支撐體121還可以為一個空心結構的支 撑體121。可以在所述主體124的内部形成一個封閉空間 表單編號A0101 第6頁/共56 1 第6頁/共56頁 0992080316-0 [0015] 201227433 126,從而製成一個空心結構的筆頭120。當該支撐體 121為空心結構時,其壁厚可以選擇為0. 1毫米至2毫米。 當該支撐體121為空心結構時,該筆頭120的柔韌性可以 得到進一步提高。 [0016] Ο ο 請參見圖5,所述觸碰材料層125可以為螺旋帶狀形成於 所述主體124的外表面。該螺旋帶狀的觸碰材料層125的 螺旋半徑沿著筆尖向著筆桿110的方向逐漸增大。具體地 ,所述主體124的外表面可以設置有螺旋狀溝槽,該螺旋 狀溝槽的螺旋半徑由主體124的端部向固定部122螺旋延 伸,並且螺旋半徑由小到大。所述觸碰材料層125可以設 置在上述螺旋狀溝槽内,並且觸碰材料層125的厚度大於 溝槽深度,從而使得所述觸碰材料層125凸出於主體124 的外表面,用於與觸摸屏接觸。由於螺旋帶狀的觸碰材 料層125的螺旋半徑由筆頭120的筆尖向筆桿的方向逐漸 增大。使用時,隨著壓力的增大,筆頭120的彎曲程度增 大,觸碰材料層125與觸摸屏基板接觸的面積也逐漸增大 。從而可以控制與觸摸屏之間的接觸面積的大小,從而 控制筆劃的粗細。由於所述螺旋帶狀的觸碰材料層125僅 部分包覆了主體124的表面,相對於完全包覆主體124表 面,比較節省原材料。可以理解,所述主體124的表面也 可以不設置螺旋溝槽,直接將螺旋帶狀的觸碰材料層125 設置於所述主體124的表面,並且由主體的端部向固定部 122螺旋延伸,並且螺旋半徑沿著筆尖向著筆桿110的方 向由小到大。 [0017] 所述觸碰材料層125用於與觸摸屏的表面接觸,並與之形 099146748 表單編號Α0101 第7頁/共56頁 0992080316-0 201227433 成接觸電容。通過與觸摸屏接觸面積的變化而實現接觸 電容的變化,從而使得觸摸屏能夠感知出筆劃的粗細。 該觸碰材料層1 2 5的厚度可以為1微米至2毫米,該觸碰材 料層125具有導電性。為了增大該觸碰材料層125的比表 面積,該觸碰材料層1 25可以為:奈米碳管,石墨烯;奈 米碳管與柔性高分子構成的複合材料;石墨烯與柔性高 分子構成的複合材料;或者係奈米碳管與金屬構成的複 合材料構成。下面將分別介紹:奈米碳管均勻分散在柔 性高分子基體中形成的複合材料,奈米碳管結構設置於 柔性高分子基體的表面形成的複合材料,奈米碳管結構 中的每個奈米碳管表面包覆一層導電層形成的複合材料 ,以及石墨烯均勻分散在柔性高分子基體中或者設置於 柔性高分子基體表面形成的複合材料。 [0018] 請參見圖6,所述觸碰材料層125可以由一種奈米碳管高 分子複合材料構成。該奈米碳管高分子複合材料由柔性 高分子基體24以及分散於該柔性高分子基體24内的複數 奈米碳管22組成。該複數奈米碳管22均勻分散於所述柔 性高分子基體24内,並且相互連接形成導電網路。為了 實現奈米碳管22在柔性高分子基體24内形成導電網路, 該奈米碳管22的質量百分含量應大於5%。由於奈米碳管 22具有非常大的比表面積,以及較高的導電性。該筆頭 120在使用時,由於觸碰材料層125具有較大的比表面積 ,就可以存儲更多的從使用者的手部傳導來的靜電荷, 從而提高了筆頭120與觸摸屏之間的接觸電容。另外,該 摻雜有奈米碳管22的高分子複合材料構成的觸碰材料層 099146748 表單編號A0101 第8頁/共56頁 0992080316-0 201227433 125與觸摸屏構成的單位面積上的電容較大,從而更加靈 敏。而且,由於奈米碳管22係中空結構,其具有非常小 的質量,其特殊的化學鍵結構使得奈米碳管22又具有非 常高的強度以及彈性模量。除此之外,由於奈米碳管22 具有非常大的長徑比(大於1 000:1 ),奈米碳管22還具 有非常好的柔韌性,施加外力後可以很好的恢復形狀。 Ο 因此,採用奈米碳管22與柔性高分子基體24形成的高分 子複合材料構成的筆頭120,具有較輕的質量,以及較高 的耐刮擦度,從而具有較長的使用壽命。採用分散的奈 米碳管22設置於柔性高分子基體24中構成的高分子複合 材料構成的筆頭120,還可以有部分奈米碳管22從高分子 基體24的外表面露頭,從而更好的與觸摸屏接觸,另外 由於該奈米碳管複合材料相對於金屬更加柔軟,因此還 不易損傷觸摸屏。 [0019] ❹ 所述柔性高分子基體24為具有一定厚度的片材,厚度為1 微米至2毫米之間。所述柔性高分子基體24為柔性高分子 材料構成,該柔性材料導電性不限,只要具有柔性即可 。所述柔性高分子基體24的材料為柔性高分子材料,如 矽橡膠、聚氨脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯 乙烯、聚丁二烯及聚丙烯腈等中的一種或幾種的組合。 本實施例中,所述柔性高分子基體24的材料為矽橡膠。 [0020] 請參閱圖7,所述觸碰材料層125還可以由一個具有整體 結構的奈米碳管結構12設置於柔性高分子基體24的表面 形成。請參閱圖8,所述具有整體結構的奈米碳管結構12 還可以靠近柔性高分子基體24的表面設置於該柔性高分 099146748 表單編號Α0101 第9頁/共56頁 0992080316-0 201227433 子基體24之中構成。所謂所述奈米碳管結構12靠近柔性 高分子基體24的表面設置於所述柔性高分子基體24之中 ,係指該奈米碳管結構1 2在其厚度方向上完全或者部分 包埋於柔性高分子基體24中,並且當奈米碳管結構12完 全包埋於柔性高分子基體24中時,奈米碳管結構12到所 述柔性高分子基體24的一個表面的距離要小於等於10微 米’從而保證該觸碰材料層12 5係導電的。 [0021] 所述奈米碳管結構12為一自支撐結構。所謂“自支撐結 構”即該奈米碳管結構無需通過一支撐體支撐,也能保 持自身特定的形狀。該自支撐結構的奈米碳管結構12包 括複數奈米碳管22,該複數奈米碳管22通過凡得瓦力相 互吸引,從而使奈米碳管結構12具有特定的形狀。由於 該奈米碳管結構12具有自支撐性,在不通過支撐體支撐 時仍可保持層狀或線狀結構。該奈米碳管結構12中奈米 碳管22之間具有大量間隙,從而使該奈米碳管結構12具 有大量孔隙,所述柔性高分子基體24滲入該孔隙中,與 所述奈米碳管結構12緊密結合。 [0022] 在所述奈米碳管高分子複合材料中,所述柔性高分子基 體24填充於奈米碳管結構12中的孔隙當中。柔性高分子 基體24與奈米碳管結構12中的奈米碳管22緊密結合。柔 性高分子基體24包裹整個奈米碳管結構12。奈米碳管結 構12在柔性高分子基體24中保持層狀結構。柔性高分子 基體24的表面到奈米碳管結構12的垂直距離大於0微米小 於等於10微米。 [0023] 所述奈米碳管結構1 2可以為奈米碳管拉膜、奈米碳管陣 099146748 表單編號Α0ΗΠ 第10頁/共56頁 0992080316-0 201227433 列、奈米碳管絮化膜或奈米碳管碾壓膜。 [0024] Ο
請參閱圖9,所述奈米碳管拉膜為從奈米碳管陣列中直接 拉取獲得的一種奈米碳管膜。每一奈米碳管拉膜係由若 干奈米碳管組成的自支撐結構。所述若干奈米碳管為基 本沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向係指在奈米 碳管膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方 向。而且,所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平 行於奈米碳管膜的表面。進一步地,所述奈米碳管膜中 大多數奈米碳管係通過凡得瓦力首尾相連。具體地,所 述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管 中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡 得瓦力首尾相連。當然,所述奈米碳管膜中存在少數隨 機排列的奈米碳管,這些奈米碳管不會對奈米碳管膜中 大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。所述自 支撐為奈米碳管膜不需要大面積的載體支撐,而只要相 對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態 ,即將該奈米碳管膜置於(或固定於)間隔一固定距離 設置的兩個支撐體上時,位於兩個支撐體之間的奈米碳 管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過 奈米碳管膜中存在連續的通過凡得瓦力首尾相連延伸排 列的奈米碳管而實現。所述奈米碳管拉膜的厚度為0. 5奈 米~100微米,寬度與拉取該奈米碳管拉膜的奈米碳管陣 列的尺寸有關,長度不限。該奈米碳管拉膜的製備方法 請參見范守善等人於民國96年2月12曰申請的,於民國97 年8月16曰公開的第961 0501 6號台灣公開專利申請“奈 099146748 表單編號Α0101 第11頁/共56頁 0992080316-0 201227433 米碳管膜結構及其製備方法”,申請人:鴻海精密工業 股份有限公司。為節省篇幅,僅引用於此,但上述申請 所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。 由於上述奈米碳管拉膜中的奈米碳管基本定向排列,當 採用上述奈米破管拉膜構成的奈米碳管結構12應用於所 述筆頭120的觸碰材料層丨25時,該觸碰材料層丨25中, 奈米碳管可以沿著筆頭丨2〇向筆桿丨丨〇的方向定向排列, 從而提高了筆頭120向筆桿110方向的導電性,使得觸控 筆100具有更好的回應速度。 [0025] [0026] 所述奈米碳管結構12還可以為一猶奈米碳管陣列。請參 閱圖10 ’該奈米碳管陣列設置於柔性高分子基體24中, 該奈米碳管陣列中的複數奈米碳管22具有相同的排列方 向。所述奈米碳管陣列中的奈米碳管22與柔性高分子基 體24的表面角度不限,優選地,奈米碳管22沿柔性高分 子基體24表面的法線方向延伸。所述奈米碳管陣列中的 奈米碳管22根部之間的距咸大於〇小於等於丨微米。從而 在奈米碳管陣列中形成複數齔間陣,所述柔性高分子基體 24填充於到奈米碳管陣列的間隙當中,柔性高分子基體 24與奈米碳管陣列中的奈米碳管22緊密結合。柔性高分 子基體24的表面到奈米碳管陣列的表面小於等於丨〇微米 ,此時奈米碳管高分子複合材料層的表面仍具有導電性 。請參見圖11,所述奈米碳管陣列中的奈米碳管2 2可以 從高分子基體24中露頭,奈米碳管22露出高分子基體24 表面的長度小於等於10微米。 請參閱圖12,所述奈米碳管絮化膜為通過一絮化方法形 099146748 表單編號A0101 第12頁/共56頁 0992080316-0 201227433 成的奈米碳管膜,該奈米碳管絮化膜包括相互纏繞且均 勻分佈的奈米碳管。奈米碳管的長度大於10微米,優選 為2 00~9 00微米。所述奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸 引、纏繞,形成網路狀結構。所述奈米碳管絮化膜各向 同性。所述奈米碳管絮化膜中的奈米碳管為均勻分佈, 無規則排列,形成大量的孔隙結構,孔隙尺寸約小於10 微米。所述奈米碳管絮化膜的長度和寬度不限。請參閱 圖12,由於在奈米碳管絮化膜中,奈米碳管相互纏繞, Ο 因此該奈米碳管絮化膜具有很好的柔韌性,且為一自支 撐結構,可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述奈米 碳管絮化膜的面積及厚度均不限,厚度為1微米〜1毫米, 優選為100微米。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法請參 見范守善等人於民國96年5月11曰申請的,於民國97年 11月16日公開的第200844041號台灣公開專利申請“奈 米碳管薄膜的製備方法”,申請人:鴻海精密工業股份 有限公司。為節省篇幅,僅引用於此,但上述申請所有 技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。 ❹ [0027] 所述奈米碳管碾壓膜為通過碾壓一奈米碳管陣列形成的 奈米碳管膜。該奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳 管,奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列。奈 米碳管也可以係各向同性的。所述奈米碳管碾壓膜中的 奈米碳管相互部分交疊,並通過凡得瓦力相互吸引,緊 密結合,使得該奈米碳管結構具有很好的柔韌性,可以 彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜 中的奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸引,緊密結合, 099146748 表單編號Α0101 第13頁/共56頁 0992080316-0 201227433 使奈米碳管碾壓膜為一自支撐的結構。所述奈米碳管碾 壓膜可通過碾壓一奈米碳管陣列獲得。所述奈米碳管碾 壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的生長基底的表 面形成一夾角/5,其中,泠大於等於〇度且小於等於15度 (〇曰15 ),該夾角/5與施加在奈米碳管陣列上的壓 力有關,壓力越大,該夾角越小,優選地,該奈米碳管 碾壓膜中的奈米碳管平行於該生長基底排列。依據碾壓 的方式不同,該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管具有不同 的排列形式。請參閱圖13,當沿同一方向碾壓時,奈米 碳管沿一固定方向擇優取向排列。請參閱圖14,當沿不 同方向碾壓時,奈米碳管沿不同方向擇優取向排列。當 從奈米碳管陣列的上方垂直碾壓奈米碳管陣列時,奈米 碳管礙壓膜係各向同性的。該奈米碳管财奈米碳 管的長度大於50微米。 [0028] 该奈米碳官碾壓膜的面積和厚度不限,可根據實際需要 選擇,如被加熱物體所要加熱的時間。該奈米碳管碾壓 膜的面積與奈米碳管陣列的尺寸基本相同。該奈米碳管 礙壓膜厚度與奈米碳管陣列的高度以及碼壓的壓力有關 ’可為1微米〜1毫米。可以理解,奈米碳管陣列的高度越 大而施加的壓力越小,則製備的奈米碳管礙壓膜的厚度 越大,反之,奈米碳管陣列的高度越小而施加的壓力越 大,則製備的奈米碳管㈣膜的厚度越小。所述奈米碳 管礙壓膜之中的相鄰的奈米碳管之間具有間隙從 而在奈米碳官礙壓膜中形成複數孔隙,孔隙的尺寸約小 於10微米。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法請參見范 099146748 表單編號A0101 第Μ頁/共56頁 0992080316-0 201227433 [0029] Ο [0030]
守善等人於民國96年6月29日申請的,於民國98年1月1 日公開的第200900348號台灣公開專利申請“奈米碳管 薄膜的製備方法”,申請人:鴻海精密工業股份有限公 司。為節省篇幅,僅引用於此,但上述申請所有技術揭 露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。 所述奈米碳管結構12還可以由一個或複數奈米碳管線152 構成。當所述奈米碳管結構12為一個奈米碳管線152組成 時,該一個奈米碳管線152可以彎折設置於所述柔性高分 子基體24的表面,形成一個具有一定面積的平面形狀的 奈米碳管結構12。請參見圖15,當奈米碳管結構12包括 複數根奈米碳管線152時,該複數根奈米碳管線152可以 相互平行設置。請參見圖16,當奈米碳管結構12包括複 數根奈米碳管線152時,該複數根奈米碳管線152還可以 相互交叉形成網狀的奈米碳管結構12。該奈米碳管線152 可以為非扭轉的奈米碳管線或者係扭轉的奈米碳管線。 請參閱圖17,所述非扭轉的奈米碳管線包括複數沿奈米 碳管線長度方向排列並首尾相連的奈米碳管。優選地, 該非扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段,該複數 奈米碳管片段之間通過凡得瓦力首尾相連,每一奈米碳 管片段包括複數相互平行並通過凡得瓦力緊密結合的奈 米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻 性及形狀。該非扭轉的奈米碳管線長度不限,直徑為0. 5 奈米~100微米。 所述扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將所述奈米碳管 拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖18,該扭轉的 099146748 表單編號Α0101 第15頁/共56頁 0992080316-0 [0031] 201227433 奈米碳管線包括複數繞奈米碳管線轴向螺旋排列的奈米 碳管。優選地,該扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管 片段,該複數奈米碳管片段之間通過凡得瓦力首尾相連 ,每一奈米碳管片段包括複數相互平行並通過凡得瓦力 緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度 、厚度、均勻性及形狀。該扭轉的奈米碳管線長度不限 ,直徑為0. 5奈米〜100微米。所述奈米碳管線及其製備方 法請參見范守善等人於民國91年11月05日申請的,於民 國97年11月21日公告的第1 303239號台灣公告專利 “一 種奈米碳管繩及其製造方法”,專利權人:鴻海精密工 業股份有限公司,以及於民國98年7月21日公告的第 1 31 2337號台灣公告專利“奈米碳管絲及其製作方法”, 專利權人:鴻海精密工業股份有限公司。為節省篇幅, 僅引用於此,但上述申請所有技術揭露也應視為本發明 申請所揭露的一部分。 [0032] 進一步地,可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米 碳管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作 用下,處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通 過凡得瓦力緊密結合,使扭轉的奈米碳管線的直徑及比 表面積進一步減小,從而使其密度及強度進一步增大。 [0033] 由於該奈米碳管線為採用有機溶劑或機械力處理上述奈 米碳管拉膜獲得,該奈米碳管拉膜為自支撐結構,故該 奈米碳管線也為自支撐結構。另外,由於該奈米碳管線 中相鄰奈米碳管間存在間隙,故該奈米碳管線具有大量 孔隙,孔隙的尺寸約小於10微米。 099146748 表單編號A0101 第16頁/共56頁 0992080316-0 201227433 圃請參見圖19,本實施例中,所述觸碰材料層⑵還^以為 上述奈米碳管結構1 2與導電材料所形成的多孔奈米破管 複合材料構成。所述多孔奈米碳管複合材料中的奈米破 管緒構12料其結構*變,該奈米碳管結構12中的每一 根奈米碳s 22表面均包覆_導電材料層226。所述多孔奈 米破管複合材料中的包覆有導電材料層226的奈米破管22 之間存在間隙,因此,該多孔奈米碳管複合材料包括複 數微孔225。所述微孔m的孔徑小於等於5微米。 〇 [0035]所述導電材料層226可以為一導電聚合物層,該導電聚合 物廣的材料可以為聚笨胺、聚料、㈣吩、聚乙快、 聚對苯及聚對笨撑乙稀中的-種或幾餐。所述導電聚合 物層的厚度優選為3〇奈米〜i5〇奈米之間。本實施例中, 所述導電聚合物層的厚度為5〇奈米〜9〇奈米。所述導電聚 合物層在所述的奈米碳管與導電聚合物材料構成的複合 膜中的質量百分含量優選為2〇%〜8〇%。本實施例中,所述 導電聚合物層為聚笨胺層,且所述導電聚合物層包覆在 Q 上述的無序奈米碳管網狀結構表面。聚苯胺的介電係數 比較问,因此該多孔奈米碳管複合材料也具有較高的介 電係數,從而使得由該多孔奈米碳管複合材料構成的筆 頭120在與觸摸屏接觸時具有較大的電容。 [0036] 所述導電材料層226的材料還可以為單質金屬或金屬合金 ,所述單質金屬可以為銅、銀或金。該導電材料層226的 厚度為卜20奈米。本實施例中,該導電材料層226的材料 為銀,厚度約為5奈米。 [0037] 订選擇地,在奈米碳管22和導電材料層226之間可進一步 099146748 表單編號A0101 第Π頁/共56頁 〇992 201227433 包括一顏層。所述潤濕層的作用為使導電材料層226與 奈米碳官22更好的結合。該潤濕層的材料可以為鎳、鈀 或鈦等與奈米碳管22潤濕性好的金屬或它們的合金,該 潤濕層的厚度為卜1 〇奈米。 [0038] [0039] [0040] 可選擇地’為使潤濕層和導電材料層m更好的結合,在 潤濕層和導電材料層之間可進—步包括_過渡層。該過 渡層的材料可以為與潤濕層材料及導電層材料均能較好 結合的材料,該過渡層的厚度為卜1〇奈米。 所述奈米碳管複合㈣層中,奈米鮮結構12與導電材 料複合之後,該多孔奈米碳管複舍材料具有更好的導電 性能,在與觸摸屏接觸時傳輪電荷的速度較快,因此, 可以提高觸摸屏觸控筆10的反應速度。由於多孔奈米碳 管複合材料層中包括複數微孔225,使多孔奈米碳管複合 材料具有較大的比表面積,從而可以更多地存儲由使用 者的手傳遞過來的靜電荷,從而在與觸摸屏接觸時可以 . : 產生較大的接觸電容,因此可以樣高觸摸屏的靈敏度。 可以理解,本發明第一實施例的筆頭12〇的觸碰材料層 125,還可以由純奈米碳管組成。該筆頭12〇表面的觸碰 材料層125可以由上述奈米碳管結構〗2包裹於所述主體 124的表面形成。具體地,可以將奈米碳管結構12纏繞在 所述主體12 4的外表面,並由粘結劑與主體I 2 4粘結在一 起’並且使奈米碳管結構12至少部分覆蓋所述固定部122 ’從而與筆桿110電連接。由於奈米碳管結構12中的奈米 碳管具有較大的比表面積,該奈米碳管結構12也具有較 大的比表面積。當所述奈米碳管結構12與觸摸屏接觸時 099146748 表單編號A010] 第18頁/共56頁 0992080316-0 201227433 ,可以產生較大的接觸電容,使該觸控筆1〇具有較高的 莖敏度。另外,奈米碳管比較光滑,具有較小的摩擦係 數’在使用時不會對觸摸屏的螢幕造成傷害。 [0041] ❹ Ο 請參見圖20 ’所述觸碰材料層125還可以通過由石墨烯28 分散於所述柔性高分子基體24材料中形成的石墨烯高分 子複合材料構成。該石墨烯28均勻分散於所述柔性高分 子基體24中。所述石墨烯高分子複合材料中,還可以有 部分石墨烯24還可以從所述柔性高分子基體24中露頭, 從而露出所述觸碰材料層125的表面。所述石墨烯28在該 柔性南分子基體24中的體積百分电為10¾至6 〇 %。請參見 圖21 ’所述石墨烯28係由複數六元環型的碳原子構成的 片層狀結構《所述石墨烯28的厚度条於等於1〇〇奈米,本 實施例中’石墨烯28的厚度為〇· 5奈米至1 〇〇奈米。石墨 烯28具有良好的導電性能,其在室溫下傳遞電子的速度 非常快。石墨烯28還具有較大的比表面積,並具有柔性 。因此’採用石墨烯28與柔性高分子基體24構成的石墨 烯高分子複合材料也具有很大的比表面積和導電性,因 此採用上述材料構成的筆頭120也與觸摸屏構成的單位面 積上的電容較大’並具有5較好的導電性,該筆頭120具有 更高的靈敏度。 [0042] 本實施例中’採用化學分散法製備石墨烯28的原材料。 化學分散法係將氧化石墨與水按照lmg : lmL的比例混合 ,用超聲波振盪至溶液清晰無顆粒狀物質,加入適量肼 在10(TC回流24h,產生黑色顆粒狀沉澱,過濾、烘乾即 得石墨烯粉末。採用分散的石墨烯28設置於柔性高分子 099146748 表單編號A0101 第19頁/共56頁 0992080316-0 201227433 土體24中構成的石墨稀高分子複合材料構成的筆頭n :可有部分石墨烯28從筆頭的外表面露頭,從而更好的 屏接觸。並且’石墨稀28較光滑具有較小的摩 擦係數,在使用時不會對觸摸屏的螢幕造成傷害。 [0043] [0044] 月參見圖22 ’本發明第-實施例中的觸碰材料層125還可 以由所述石墨烯28覆蓋在柔性高分子基體24的表面構成 ,墨烯層280形成。該石墨烯層28〇的厚度為1〇〇奈米到】 微米。該石墨烯層280中的石墨烯28的排列方式可以為相 互又疊設置、並列設置或者相互重合設置。石墨烯具有 良好的導電性能,其在室溫下傳遞電子的速度非常快。 所述石墨烯層280的厚度為單層石墨烯的厚度至1毫米。 本實施例中,採用化學分散法製備石墨烯材料。化學分 散法係將氧化石墨與水按照lmg : lmL的比例混合,用超 聲波振盪至溶液清晰無顆粒狀物質,加入適量肼在10〇。(: 回流24h,產生黑色顆粒狀沉澱,過濾、烘乾即得石墨烯 粉末。制得石墨烯28之後,麻柔性高分子基體24放入石 墨烯粉末中’由於石墨烯2g為奈米材料,本身具有一定 的粘附力,可以粘附在柔性高分子基體24的表面,形成 石墨烯層280。可以理解,石墨烯28也可以通過粘結劑固 定於柔性高分子基體24的表面形成石墨烯層28〇。 可以理解,所述觸碰材料層125還可以由所述石墨烯“直 接覆蓋在主體124的表面形成的石墨烯材料層構成。該石 墨烯材料層的厚度為100奈米到i微米。該石墨烯層令的 石墨烯的排列方式可以為相互交疊設置、並列設置或者 相互重合設置。石墨烯具有良好的導電性能,其在室溫 099146748 表單編號A0101 第20頁/共56頁 0992080316-0 201227433 下傳遞電子的速度非常快。所述石墨烯的厚度為0.5奈米 至1 0 0奈米。 [0045] 請參見圖23,本發明第二實施例提供一種觸控筆200,該 觸控筆200包括筆桿110以及筆頭220。本實施例與第一 實施例的觸控筆100的主要區別在於,該觸控筆200的筆 頭220為由同一種材料構成的實心結構。所述筆頭220的 材料可以選自上述第一實施例中組成觸碰材料層125的材 料中除了純石墨烯以外的任一材料,觸碰材料層125的具 0 體材料可以參見第一實施例的詳細記載,這裏不再贅述 〇 [0046] 當本發明第二實施例中的觸控筆200的筆頭220為純奈米 碳管組成時,其可以採用壓模的方法製成。具體地,可 將第一實施例中的奈米碳管結構12作為原材料,放置於 一模具中。將其熱壓成型,從而獲得一種由純奈米碳管 組成的筆頭220。由於所述奈米碳管結構12係由複數奈米 碳管通過凡得瓦力相互連接形成的完整結構,並且還包 〇 括大量的微孔。因此,採用純奈米碳管組成的筆頭也包 括大量的微孔。由於奈米碳管具有很好的導電性,以及 柔性,使得該筆頭220也具有較好的導電性和柔性。筆頭 220存在大量的微孔,微孔的直徑小於10微米,從而使得 該筆頭220具有較大的筆表面積,從而能夠存儲更多的電 荷,具有較大的電容。另外,為了提高筆頭220到筆桿 110之間的導電能力,還可以將該由純奈米碳管組成的筆 頭220中的奈米碳管沿著筆頭220向筆桿110的方向,也 就係筆桿110的軸向排列,由於奈米碳管的軸向具有較高 099146748 表單編號A0101 第21頁/共56頁 0992080316-0 201227433 的導電性,從而該筆頭22 0向筆桿110的方向上具有較高 的導電性,從而該筆頭2 2 0具有更好的回應速度。所述奈 米碳管可以為單壁,雙壁或多壁奈米碳管,優選為多壁 奈米碳管。 [0047] 請參見圖24,本實施例中,該筆頭220的形狀除了第一實 施例中所述的任一形狀外,還可以通過線狀導電材料組 裝成毛筆形狀。所述毛筆狀筆頭220的材料可為複數奈米 碳管線狀結構25彙集成束狀形成。所述複數奈米碳管線 狀結構25可以通過粘結劑相互粘在一起形成所述筆頭220 。所述筆頭220具有一個固定部222,以及一個觸碰部 224。所述固定部222用於固定所述筆頭220於筆桿110, 觸碰部224用於接觸觸摸屏。 [0048] 具體地,上述每個奈米碳管線狀結構25都有一個固定端 252,以及一個與所述固定端252遠離的觸碰端254。所 述複數奈米碳管線狀結構25的固定端252都相互對齊並通 過粘結劑粘附在一起,從而形成所述固定部222。所述複 數奈米碳管線狀結構25的長度分佈具有一定的規律,由 筆頭220的中心軸沿著筆頭的半徑向外,依次減小。上述 分佈規律保證了筆頭為毛筆形狀。所述複數奈米碳管線 狀結構25遠離固定端252的部分為觸碰端254,複數奈米 碳管線狀結構25的觸碰端254通過粘結劑粘附在一起後形 成筆頭220的觸碰部224。本實施例中,所述筆頭220的 固定部222直接插入筆桿110固定端114,並通過導電粘 結劑將筆頭220粘附在筆桿110的固定端114。 [0049] 該奈米碳管線狀結構25可以為圖17中的非扭轉的奈米碳 099146748 表單編號Α0101 第22頁/共56頁 0992080316-0 201227433 管線,或圖18中的扭轉的奈米碳管線。該奈米碳管線狀 結構25還可以為在上述非扭轉的奈米碳管線和扭轉的奈 米碳管線的基礎上形成的奈米碳管複合線。該奈米碳管 複合線為聚合物材料滲入奈米碳管線的奈米碳管之間的 間隙中組成,所述聚合物可包括聚丙烯腈(Polyacrylonitrile, PAN) 、 聚乙稀醇 (polyvinyl alcohol, PVA) 、 聚丙稀 (Polypropylene, PP) 、 聚苯 乙烯(Polystyrene, PS)、聚氣乙烯(Polyvinyl-chlorid, PVC)及聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethyl-ene terephthalate,PET)中的任意一種或任意組合 。上述奈米碳管複合線的製備方法可以參看參見范守善 等人於民國99年7月9日申請的,申請號為99122581號台 灣專利申請“奈米碳管複合結構的製備方法”,申請人 :鴻海精密工業股份有限公司。為節省篇幅,僅引用於 此,但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術 揭露的一部分。 [0050] 另外,上述奈米碳管複合線還可以為奈米碳管具有扭轉 或者非扭轉結構的奈米碳管金屬複合線,該奈米碳管金 屬複合線為在上述非扭轉的奈米碳管線和扭轉的奈米碳 管線的基礎上形成的奈米碳管金屬複合線,上述奈米碳 管金屬複合線中的奈米碳管的排列趨勢與所述非扭轉的 奈米碳管線和扭轉的奈米碳管線相同,全部奈米碳管或 者部分奈米碳管的表面包覆有金屬材料層。上述奈米碳 管金屬複合線的結構以及製備方法可以參看范守善等人 於民國97年月7日申請,民國98年9月16日公開的,公開 099146748 表單編號A0101 第23頁/共56頁 0992080316-0 201227433 號為200939249的台灣專利申請“絞線的製備方法”, 申請人:鴻海精密工業股份有限公司。還可以參看范守 善等人於民國97年3月07日申請的,民國98年9月16日公 開的,公開號為200938481的台灣專利申請“絞線”, 申請人:鴻海精密工業股份有限公司,僅引用於此,但 上述申請所揭露的技術内容也應視為本發明申請技術揭 露的一部分。 [0051] 請參見圖25,本發明第三實施例提供一種觸控筆300,該 觸控筆300包括筆桿110以及筆頭320。本實施例與第一 實施例的主要區別在於,所述筆頭320為同一種材料構成 的空心結構。該筆頭320具有一個固定部322以及一個觸 碰部324。所述固定部322用於將筆頭320固定於所述筆 桿110,所述觸碰部324用於接觸觸摸屏。 [0052] 所述固定部322和所述觸碰部324可以一體成型組成所述 筆頭320。所述固定部322為外表面設有外螺紋,其外螺 紋正好與所述筆桿110的固定端114的内螺紋相匹配,從 而可以將筆頭120固定於筆桿110的固定端114。所述觸 碰部324為柔性導電材料圍成,觸碰部324定義一個封閉 空間326。所述柔性導電材料環繞該封閉空間326形成一 個中空的觸碰部324。該觸碰部324的形狀不限,可以根 據實際需要設計,可以為球狀,錐狀,圓臺狀等等。本 實施例中,構成所述筆頭320的固定部322以及觸碰部 324的柔性導電材料與第一實施例中的觸碰材料層125的 材料完全相同。所述觸碰材料層125的具體材料已經在第 一實施例中得到了詳細的記載,這裏不再贅述。 099146748 表單編號A0101 第24頁/共56頁 0992080316-0 201227433 [0053] s μ ^外,所述筆頭的封閉空間326令還可以加入具有較 巧介電常數的液體’如水、離子錢。用於提高所述筆 頭的觸控部324的電容。 剛與先前技術比較,*於伽米管具有非常好的導電性, 以及較大的比表面積,以及柔性。本發明的觸控筆的筆 碩表面設置由碳納米管級成的導電層,使得本發明觸控 筆的筆頭具有較高的比表面積,以及導電性,從而在與 =携屏的導電層接觸時,使得該筆頭在單位面積上的電 〇 容較大,具有較高的靈敏度。另外,由於碳納米管比金 屬具有更小的摩擦係數,所以該筆頭不易損傷觸摸屏。 闺,综上所述,本發明破已符合發明專利之要件,遂依法提 出專利申請。惟,以上所述者僅為本發明之較佳實施例 ’自不能以此關本案之巾料利_。舉凡熟悉本案 技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化, 皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 ❹ 陶]11為本發明第—實蘭提供的觸控筆的結構示意圖。 陳]圖2為本發明第-實施例提供的觸控筆的筆桿的結構示意 圖。 [〇〇58]圖3為本發明第一實施例觸控筆的筆頭的的剖示圖。 剛圖4為本發明第-實施例觸控筆的空心結構的筆頭的示意 圖。 [_圖5為本發明第-實施例的觸控筆的具有螺旋帶狀觸碰材 料層的筆頭的結構示意圖。 画讎 表單蝙號顧 第25腾56頁 〇992〇8〇316_〇 201227433 [0061] 圖6為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭使用的奈米 碳管高分子複合材料的示意圖。 [0062] [0063] [0064] [0065] [0066] [0067] [0068] [0069] [0070] 圖7為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所使用的一 種具有奈米碳管結構的奈米碳管複合材料的結構示意圖 〇 圖8為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所使用的另 一種具有奈米碳管結構的奈米碳管複合材料的結構示意 圖。 圖9為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所使用的奈 米碳管拉膜的掃描電鏡照片。 圖10為圖8中的奈米碳管結構為奈米碳管陣列時,觸控筆 的筆頭的觸碰材料層的結構示意圖。 圖11為奈米碳管陣列中的奈米碳管露出柔性高分子基體 的表面的觸碰材料層的結構不意圖。 圖1 2為本發明第一實施例提供的解控筆的筆頭所使用的 一種奈米碳管絮化膜的掃描電鏡照片。 圖13為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所採用的 一種包括沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管的奈米碳 管碾壓膜的掃描電鏡照片。 圖14為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所使用的 另一種包括沿不同方向擇優取向排列的奈米碳管的奈米 碳管碾壓膜的掃描電鏡照片。 圖15係本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所使用複 099146748 表單編號A0101 第26頁/共56頁 0992080316-0 201227433 數根平行設置奈米碳管線形成的奈米碳管結構設置於柔 性高分子基體表面形成的觸碰材料層的示意圖。 [0071] 圖16係本發明第一實施例的觸控筆的筆頭所使用複數根 交叉設置奈米碳管線形成的奈米碳管結構設置於柔性高 分子基體表面形成的觸碰材料層的示意圖。 [0072] 圖17為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所使用的 一種非扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。 [0073] 圖18為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所使用的 一種扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。 [0074] 圖19為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭使用的由 奈米碳管和導電材料形成的多孔奈米碳管複合材料的結 構示意圖。 [0075] 圖20為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭使用的石 墨烯高分子複合材料的結構示意圖。 [0076] 圖21為本發明第一實施例提供的觸控筆的筆頭所使用的 石墨稀的結構不意圖。 [0077] 圖22為本發明第一實施例提供的觸控筆的觸碰材料層的 一種結構示意圖。 [0078] 圖23為本發明第二實施例的觸控筆的結構示意圖。 [0079] 圖24為本發明第二實施例的觸控筆的筆頭的結構示意圖 [0080] 圖25為本發明第三實施例的觸控筆的結構示意圖。 0992080316-0 099146748 表單編號A0101 第27頁/共56頁 201227433 【主要元件符號說明】 [0081] 觸控筆:100,200,300 [0082] 奈米碳管結構:12 [0083] 筆桿:110 [0084] 固定端:114 [0085] 筆頭:120,220,320, [0086] 支撐體:121 [0087] 固定部:122,222,322 [0088] 主體:124 [0089] 觸碰材料層:125 [0090] 封閉空間:126,326 [0091] 奈米碳管:22 [0092] 柔性高分子基體:24 [0093] 奈米碳管線狀結構:25 [0094] 石墨焊.2 8 [0095] 奈米碳管線:152 [0096] 觸碰部:224,324 [0097] 微孔:225 [0098] 導電材料層:226 [0099] 固定端:252 099146748 表單編號A0101 0992080316-0 第28頁/共56頁 201227433 [0100] 觸碰端: [0101] 石墨烯層 254 :280
099146748 表單編號A0101 第29頁/共56頁 0992080316-0

Claims (1)

  1. 201227433 七 申請專利範圍: 種觸控筆’包括筆桿和筆頭,所述筆頭具有柔性及導電 所述筆頭使用時與觸摸屏之間形成接觸電容,其 =於’所述筆頭的表面設置有由奈米碳管組成的觸碰㈣ 如申請專利範圍第i項所述的觸控筆,其中,所述筆頭固 :於所述筆桿,核筆桿具有導電性,並與所述筆頭 接0 .如申請專利範圍第2項所述_控筆,其中,所述觸碰材 料層與所述筆桿電連接。 •如申請專利範圍第1項所述的觸控筆,其中,所述筆頭包 括-支撑體,所述觸碰材料層設置於該支擇體的表面、。 .如申請專利範圍第4項所述的觸控筆,其中,所述支樓體 的材料為石夕橡膠、聚氨脂、聚丙稀酸乙輯、聚丙烯酸丁醋 、聚苯乙稀、聚丁二稀及聚丙稀腈中的—種或幾種的組合 〇 .如申請專利範圍第1項所述的摊筆V其中,所述觸碰材 料層為由複數個奈米碳管組產的自支揮的奈米碳管結構。 .如申請專利範圍第6項所述的觸控筆,其中,所述奈米碳 管結構中的奈米碳管之間通過范德華力相互吸引、纏繞, 形成網路狀結構。 .如申請專利範圍第7項所述的觸控筆,其中,所述奈米礙 S总構中具有大量孔隙結構,孔隙結構的尺寸小於丨〇微米 •如申請專利範圍第6項所述的觸控筆,其中,所述奈米碳 099146748 表單編號A0101 第30頁/共56頁 0992080316-0 201227433 管結構中的奈米碳管首尾相連沿由筆頭向筆桿的方向定向 排列。 10 .如申請專利範圍第6項所述的觸控筆,其中,所述奈米碳 管結構由至少一個奈米碳管線組成,所述奈米碳管線由複 數個奈米碳管沿該奈米碳管線的軸向通過范德華力首尾相 連組成。 11 .如申請專利範圍第4項所述的觸控筆,其中,所述觸碰材 料層為螺旋帶狀,並螺旋纏繞所述支撐體的表面。 12 .如申請專利範圍第11項所述的觸控筆,其中,所述螺旋帶 狀的觸碰材料層的螺旋半徑由筆尖向筆桿的方向逐漸增大 〇 13.如申請專利範圍第1項所述的觸控筆,其中,所述筆桿為 金屬材料製成的空心筒狀結構。 099146748 表單編號A0101 第31頁/共56頁 0992080316-0
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