Science重磅：高弹性透明离子触摸面板

2016年8月12日，韩国首尔国立大学Jeong-Yun Sun（通讯作者）等人在Science上发表了一篇关于离子触摸面板的研究文章，文章题为“Highly stretchable, transparent ionic touch panel”。

【成果简介】

人机交互变得越来越重要，为实现人机一体化，触摸面板需具有伸缩性和生物相容性。然而，大多数触摸面板是基于基于硬脆性电极开发的。

韩国首尔国立大学Jeong-Yun Sun等人展示了一款基于含氯化锂(LiCl)盐的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶离子触摸面板。水凝胶是一种亲水性聚合物网，具有可拉伸、生物兼容、透明，此外，由于水凝胶含有大量的水，可溶解离子，从而可作为离子导体。

该面板具有以下三大优良特性：1）柔软有弹性，可承受较大的变形；2）可自由地传输光信息，因为水凝胶是透明的，其具有98%的可见光透过率；3）可在1000%的平面应力下工作而不会丧失其功能特性。通过书写文字、弹钢琴和玩游戏，研究者展示了触摸屏在皮肤上的应用。

【图文导读】

图1： 离子型触摸条工作原理图

（A）一维离子触摸条示意图。当有手指触摸面板时，由于手指接地，使形成闭合回路，电流从面板两端流至触摸点。注：触摸点用归一化的距离α表示 ，触摸条最左端：α=0；触摸条最左端：α=1。

（B）离子触摸条电路图。

（C）不同触摸位置（α= 0.25、0.5、0.75）时A1电流。当被一个手指触摸时，有额外的触摸电流流过。触摸点逐渐接近A1电极时，A1的电流大小增加。当触摸带不再被接触时，电流返回到基准值。注：基准电流是通过在面板和环境之间形成的寄生电容器的漏电流。

（D）触摸期间A1、A2的平均电流，触摸条被从左到右每隔1cm接触一次。离子接触条的分辨率受电流表的分辨率的限制，若用纳安级别的电流变，触摸条分辨率可达10−4 m。

（E）输出电流和接触点的距离（α）在被拉伸2倍后依然保持线性关系。相比于未拉伸前，基准电流和接触电流均增大，这是因为触摸条被拉伸导致面积变大，寄生电容也相应增大。

图2：二维离子触摸屏中的位置传感

（A）离子触摸面板示意图。触摸点用归一化的距离α、β表示 ，触摸屏左下角位置坐标：(α，β) = (0，0)；触摸屏右上角位置坐标：(α，β) = (1，1)。

（B）触摸时的等效电路图。

（C）面板在工作时保持透明、稳定。触摸点TP#1 ~ TP#4用来展现触摸屏位置探测的灵敏度。

（D）TP#1 ~ TP#4被顺序触摸时，四个电流表电流随时间曲线。

（E）用于触摸面板和电脑联系的控制面板框图。注：触摸点位置坐标可根据A1~A2电流转换

（F）在触摸面板上绘制线人。在显示屏#1上显示出标准轨迹，再将触摸面板粘贴与显示屏上。当手指沿着标准轨迹绘制线人时，所绘线人被检测到并通过控制面板转换到计算机中。显示屏#2显示控制面板输出线人轨迹。注：为保证绝缘，显示屏#1与触摸面板之间粘有一层1mm厚PMMA。

（H、I）靠近边缘处，触摸面板表现出变形。当在面板上绘制两同心正方形时，外侧正方形表现出更严重变形（扭曲）。

（J）有限元仿真模型。触摸面板四角均施加同相1V电压，触摸点（α，β）接地以作为边界条件。注：有限元仿真目的是为探究上述变形原因。

（K、L）K、L分别为位置图。2维面板电阻的非线性导致了变形。注：将方程（1）与（2）修正为非线性方程可减小变形。

图3：弹性触摸面板

（A、B）离子触控面板面积被拉伸至1000%。圆形聚丙烯酰胺水凝胶膜黏在双轴拉伸器上，水凝胶膜的直径从D = 4 cm增大到D = 12.5 cm。

（C）被拉伸的触控面板作为输入设备与计算机相连。

（D）拉伸前、后电流表A1电流。基准电流随面板的拉伸而增大，但对触摸电流影响不大。

（E）电流表A1在面板受拉时的不同触摸位置的电流。

（F、G）对水凝胶进行循环次数为100次的机电稳定性试验。

（H）水凝胶在不同循环次数(1、10、50、100)后的电阻。注：随着循环次数增加，电阻约有增加，并在时，最大变化达到25%。作者认为，在循环试验中电阻的增加可能是由凝胶中的水分蒸发所致，因为循环试验后，凝胶的重量从9.6下降到7.54克。

（I）水凝胶的单轴拉伸测试。

图4：柔软透明的表皮触摸面板

（A）在VHB（厚度：1mm）基底上开发的表皮触摸屏。VHB本身是一种粘合剂，可不使用额外的胶水使面板与手臂相连，同时也具有隔离皮肤功能。

（B）被连接到手臂上的触摸板。

（C）与手臂相连前、后，触摸板A1电流。注：电荷从VHB基底泄露，导致与手臂相连后基准电流增大。

（D）与手臂相连后的位置灵敏度测试。与手臂相连后，电流和触摸点位置之间的相关性没有受到影响。

（E~G）表皮触摸面板可检测如拍打、拿、拖、刷等运动。成功实现写字（E）、弹钢琴（F）、玩象棋（G）等功能。

文献链接：Highly stretchable, transparent ionic touch panel（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf8810）

本文由材料人电子电工学术组李小依供稿，材料牛编辑整理。

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