Science重磅：高彈性透明離子觸摸面板

2016年8月12日，韓國首爾國立大學Jeong-Yun Sun（通訊作者）等人在Science上發表了一篇關于離子觸摸面板的研究文章，文章題為“Highly stretchable, transparent ionic touch panel”。

【成果簡介】

人機交互變得越來越重要，為實現人機一體化，觸摸面板需具有伸縮性和生物相容性。然而，大多數觸摸面板是基于基于硬脆性電極開發的。

韓國首爾國立大學Jeong-Yun Sun等人展示了一款基于含氯化鋰(LiCl)鹽的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠離子觸摸面板。水凝膠是一種親水性聚合物網，具有可拉伸、生物兼容、透明，此外，由于水凝膠含有大量的水，可溶解離子，從而可作為離子導體。

該面板具有以下三大優良特性：1）柔軟有彈性，可承受較大的變形；2）可自由地傳輸光信息，因為水凝膠是透明的，其具有98%的可見光透過率；3）可在1000%的平面應力下工作而不會喪失其功能特性。通過書寫文字、彈鋼琴和玩游戲，研究者展示了觸摸屏在皮膚上的應用。

【圖文導讀】

圖1： 離子型觸摸條工作原理圖

（A）一維離子觸摸條示意圖。當有手指觸摸面板時，由于手指接地，使形成閉合回路，電流從面板兩端流至觸摸點。注：觸摸點用歸一化的距離α表示 ，觸摸條最左端：α=0；觸摸條最左端：α=1。

（B）離子觸摸條電路圖。

（C）不同觸摸位置（α= 0.25、0.5、0.75）時A1電流。當被一個手指觸摸時，有額外的觸摸電流流過。觸摸點逐漸接近A1電極時，A1的電流大小增加。當觸摸帶不再被接觸時，電流返回到基準值。注：基準電流是通過在面板和環境之間形成的寄生電容器的漏電流。

（D）觸摸期間A1、A2的平均電流，觸摸條被從左到右每隔1cm接觸一次。離子接觸條的分辨率受電流表的分辨率的限制，若用納安級別的電流變，觸摸條分辨率可達10?4 m。

（E）輸出電流和接觸點的距離（α）在被拉伸2倍后依然保持線性關系。相比于未拉伸前，基準電流和接觸電流均增大，這是因為觸摸條被拉伸導致面積變大，寄生電容也相應增大。

圖2：二維離子觸摸屏中的位置傳感

（A）離子觸摸面板示意圖。觸摸點用歸一化的距離α、β表示 ，觸摸屏左下角位置坐標：(α，β) = (0，0)；觸摸屏右上角位置坐標：(α，β) = (1，1)。

（B）觸摸時的等效電路圖。

（C）面板在工作時保持透明、穩定。觸摸點TP#1 ~ TP#4用來展現觸摸屏位置探測的靈敏度。

（D）TP#1 ~ TP#4被順序觸摸時，四個電流表電流隨時間曲線。

（E）用于觸摸面板和電腦聯系的控制面板框圖。注：觸摸點位置坐標可根據A1~A2電流轉換

（F）在觸摸面板上繪制線人。在顯示屏#1上顯示出標準軌跡，再將觸摸面板粘貼與顯示屏上。當手指沿著標準軌跡繪制線人時，所繪線人被檢測到并通過控制面板轉換到計算機中。顯示屏#2顯示控制面板輸出線人軌跡。注：為保證絕緣，顯示屏#1與觸摸面板之間粘有一層1mm厚PMMA。

（H、I）靠近邊緣處，觸摸面板表現出變形。當在面板上繪制兩同心正方形時，外側正方形表現出更嚴重變形（扭曲）。

（J）有限元仿真模型。觸摸面板四角均施加同相1V電壓，觸摸點（α，β）接地以作為邊界條件。注：有限元仿真目的是為探究上述變形原因。

（K、L）K、L分別為位置圖。2維面板電阻的非線性導致了變形。注：將方程（1）與（2）修正為非線性方程可減小變形。

圖3：彈性觸摸面板

（A、B）離子觸控面板面積被拉伸至1000%。圓形聚丙烯酰胺水凝膠膜黏在雙軸拉伸器上，水凝膠膜的直徑從D = 4 cm增大到D = 12.5 cm。

（C）被拉伸的觸控面板作為輸入設備與計算機相連。

（D）拉伸前、后電流表A1電流。基準電流隨面板的拉伸而增大，但對觸摸電流影響不大。

（E）電流表A1在面板受拉時的不同觸摸位置的電流。

（F、G）對水凝膠進行循環次數為100次的機電穩定性試驗。

（H）水凝膠在不同循環次數(1、10、50、100)后的電阻。注：隨著循環次數增加，電阻約有增加，并在時，最大變化達到25%。作者認為，在循環試驗中電阻的增加可能是由凝膠中的水分蒸發所致，因為循環試驗后，凝膠的重量從9.6下降到7.54克。

（I）水凝膠的單軸拉伸測試。

圖4：柔軟透明的表皮觸摸面板

（A）在VHB（厚度：1mm）基底上開發的表皮觸摸屏。VHB本身是一種粘合劑，可不使用額外的膠水使面板與手臂相連，同時也具有隔離皮膚功能。

（B）被連接到手臂上的觸摸板。

（C）與手臂相連前、后，觸摸板A1電流。注：電荷從VHB基底泄露，導致與手臂相連后基準電流增大。

（D）與手臂相連后的位置靈敏度測試。與手臂相連后，電流和觸摸點位置之間的相關性沒有受到影響。

（E~G）表皮觸摸面板可檢測如拍打、拿、拖、刷等運動。成功實現寫字（E）、彈鋼琴（F）、玩象棋（G）等功能。

文獻鏈接：Highly stretchable, transparent ionic touch panel（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf8810）

本文由材料人電子電工學術組李小依供稿，材料牛編輯整理。

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