哈尔滨工业大学：新型透明可拉伸水凝胶的自愈半导体触控面板

摘要

随着人机交互越来越重要，可拉伸性、生物相容性和自愈行为将在下一代触控面板中发挥更重要的作用，以实现与人体的融合。然而，由于大多数触控面板的电极是由缺乏自愈能力的硬脆材料构成，因此仍然存在深刻的挑战。在此，哈尔滨工业大学杨帆副研究员、王荣国教授团队展示了一种采用电容式触摸传感系统的半导体触摸面板，该系统基于聚（N,N'-二甲基丙烯酰胺）-二氧化钛纳米复合水凝胶作为透明导体。

该面板表现出高拉伸性、柔软性、低寄生电容、高分辨率、快速响应和损坏时的即时功能恢复。该面板被拉伸到超过 1100% 的面积应变，并且仍然可以作为输入设备运行而不会牺牲其功能。此外，面板边缘附近的畸变，由于电有限元方法模拟证明的电阻非线性，在通过3D打印优化四端子图案后变得更弱。表皮触控面板贴在人体皮肤上，能写字、下棋、玩游戏，表现出强大的性能和自愈能力。相关论文以题为Skin-inspired self-healing semiconductive touch panel based on novel transparent stretchable hydrogels发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。

主图

复合水凝胶的形成和表征

图 1 制备过程的示意图，包括简单的两步过程：DMAA 预聚物的生成和混合物的制备。

图 2 纳米复合水凝胶的表征。(a) 具有不同 TiO2 负载量的纳米复合水凝胶的 SEM 微观结构：(1) 0 wt%、(2) 35 wt%、(3) 70 wt% 和 (4) 110 wt%。(b) 在 25°C 下对不同 TiO2 负载量的水凝胶进行动态振荡频率扫描。(c) 在可见光照射下水凝胶的光电流响应。（d 和 e）当水凝胶薄膜附着在假肢手指、手臂和腿上时，它会动态适应高度非线性的表面，并分别适应手指、手臂和腿的运动。

复合水凝胶的自修复性能

图 3 含有 70 wt% TiO2的纳米复合水凝胶的流变恢复、宏观、机械和电愈合特性。

半导体触控条的工作原理

图 4 半导体触控面板的一维传感原理。

二维半导体触控面板中的位置感测

图 5 2D半导体触控面板的工作原理。

拉伸状态下的半导体触控面板演示

图 6 可拉伸半导体触控面板。(a 和 b) 半导体触控面板的面积被等双轴拉伸超过 1100%。(c) 在拉伸状态下的半导体触控面板仍然可以操作，而不会牺牲其功能。(d) 不同拉伸状态的电流由 A1 电流表测量。(e) 研究了拉伸面板上四个手指位置的 A1 电流。

表皮触控面板的设计

图 7 柔性、可穿戴、透明、自愈的表皮触控面板。(a) 通过利用 VHB 基板作为介电材料来设计表皮触控面板，以便将面板安装在曲面上并使面板与身体绝缘。(b) 面板附在手臂上。(c) 连接前后的电流是通过 A1 电流表测量的。(d) 测量四个测试位置的 A1 电流，以评估贴在人体皮肤上后的位置灵敏度。(e-g) 进行了许多应用程序，例如写字 (e)、下棋 (f) 和玩愤怒的小鸟 (g)，以证明表皮触控面板能够识别各种动作，包括滑动、拖动、按住 , 并点击。

总结

该团队展示了一种基于新型自修复纳米复合水凝胶的半导体触控面板，它具有高拉伸性、柔软性、高分辨率、自修复能力、低寄生电容、快速响应时间和损坏后快速功能恢复。水凝胶网络由二氧化钛纳米粒子交联的 PDMAA 链组成，并表现出优异的自愈性能，如其流变恢复、宏观、机械和电学表征所证明的那样，无需任何外部刺激。制造好的 1D 触控条和 2D 触控面板在原始状态和高度拉伸状态下都能显示快速而精确的触控感应。此外，由电气有限元方法证明的电阻非线性引起的面板边缘变形在通过3D打印使用四端子图案优化后显示较弱。以半导体触摸屏为基础构建了高性能、柔性、可穿戴、自愈的表皮触摸屏，可成功地任意贴合在弯曲的人体皮肤上，用于书写文字、下棋和游戏，甚至在切割然后愈合的状态。

参考文献：

doi.org/10.1039/D1TA01892B

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