2.2.5 碳纳米管技术

1991年，日本NEC公司的饭岛澄男发现了碳纳米管。从2007年开始，清华大学范守善团队把碳纳米管陆续应用于触控屏。

1.碳纳米管材料特性

碳纳米管是由单层或多层石墨层，卷曲成直径1～50nm的中空柱状体，主要分成多层/多壁碳纳米管（Multi-wall Nanotubes, MWNT）及单层/单壁碳纳米管（Single-wall Nanotubes, SWNT）两种形式。碳纳米管可以分为半导体性碳纳米管和金属性碳纳米管，这与管结构形成时的六元环螺旋度有关。碳纳米管中六元环的边和卷的轴所形成的角度不一样，就可能是半导体，也可能是导体。SWNT可依直径与旋度之差异区分为金属性与半导体性，其电阻率分别约为5.1×10-6Ω·m（与金属铜相当）、1×10-4Ω·m（与锗相当）。在触控屏的应用上，以电阻率低且透光率高的金属性单层碳纳米管为主。

单壁管典型直径在0.6～2nm，多壁管最内层直径可达0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为2～100nm。单壁碳纳米管（SWCNT）具有良好的导电性、高结构稳定性、高柔韧性、低折射率和低雾度等优异的光、电、力学性能，被认为是新型透明导电材料的理想候选。

在电特性方面，单层CNT的载流子迁移率在室温环境下理论上为10万～20万cm2/V·s，实测值也达到3万cm2/V·s，是硅的20～100倍。对大电流的功率承受能力是铜的1000倍。碳纳米管的导热性高，特别是沿着轴向的导热性。碳纳米管的导热率是硅的20～30倍，约是铜和银的10倍。碳纳米管的抗拉强度很高，而且柔性也很好。在机械特性方面，破坏强度达到钢铁的20倍以上。比表面积为1300～2600m2/g，在相同表面的材料中最轻。碳纳米管与石墨烯的物理特性比较见表2-10。其中，迁移率是在300K条件下的载流子迁移率的理论值，单层碳纳米管的比表面积是外部值。

表2-10 碳纳米管与石墨烯的物理特性比较

范守善团队在超顺排的碳纳米管边上起一个头，把直立的碳纳米管拉躺下，使200μm高的纳米管一根一根接上抽成一条线。只要起的头够宽，就抽成一张膜。在“超顺排碳纳米管阵列”中，直接干法抽取可以得到如图2-23所示的碳纳米管透明导电膜。在8英寸硅衬底上，碳纳米管大约生长到200μm高，质量是400mg。把它拉成膜，可以拉300m。

碳纳米管拉成的膜，导电是各向异性的。两个方向的导电性，目前可以做到相差100倍。碳纳米管触控屏就是利用了其各向异性的特性。这个膜也是透明的，它的透明是占空比上的透明。虽然碳纳米管是均匀的，但是管与管之间有空档，这个空档大概占到90%，纳米管只占10%左右，如图2-24所示。另外，这个膜可以贴合到任何衬底上。用于触控屏，除了透光率，它的机械特性也非常好，弯曲几百万次都没有任何问题。

图2-23 超阵列提拉法制备碳纳米管透明导电薄膜示意图

图2-24 碳纳米管阵列SEM形貌及TEM微观结构图

2.碳纳米管薄膜在触控屏中的应用

在实际应用中，碳纳米管薄膜的方块电阻一般在1～3kΩ/□，远高于单根SWCNT的方阻理论预测值，传统ITO薄膜的方块电阻在几十到几百欧姆。这主要是因为SWCNT间的接触电阻较大及SWCNT的聚集成束效应。通常制备得到的SWCNT样品中含有1/3的金属性碳管和2/3的半导体碳管。金属性和半导体碳管间的肖特基势垒大大抑制了载流子的传输，并增加了接触电阻。另外，直径仅为1～2nm的SWCNTs通常聚集成直径几十纳米的管束以降低表面能，管束内部的SWCNT对导电性几乎没有贡献，但却吸收光使得薄膜的透光率降低。所以，碳纳米管很难直接用作触控屏的感测电极，急需研制可与ITO媲美的改性高性能SWCNT透明导电薄膜。碳纳米管薄膜本身由碳元素构成，其电阻率基本上与石墨相当，很难大幅降低。

碳纳米管的导电性与纳米管的金属性成正比，与散射中心和石墨化成反比。在大直径、高纯度、低石墨化和更多的金属性纳米管条件下有较好的导电性。

碳纳米管应用在触控屏上时，先把碳纳米管膜铺在基材上，然后在两边印好电极即可，完全不用做光刻等昂贵的工艺。利用碳纳米管膜的横向和纵向导电性的差异，一层薄膜就可以同时判断触摸点的XY坐标。碳纳米管薄膜具有导电各向异性，垂直于拉膜方向的电阻比沿着拉膜方向的电阻大100倍，将电极放在拉膜方向的两端，不同电极之间就被天然的高阻分开。触控屏的寻址方式采用新算法：纵向坐标用相邻电极对的信号强度来计算，横向坐标用一对电极内部的相对信号强度来计算。