Een touchscreen van een smartphone is een indrukwekkend stukje techniek. Het geeft informatie weer en reageert op de aanraking van een gebruiker. Maar zoals veel mensen weten, het is gemakkelijk om de belangrijkste elementen van de transparante, elektrisch geleidende lagen die zelfs het stevigste, stijve touchscreen vormen. Als flexibele smartphones, e-paper en een nieuwe generatie slimme horloges gaan slagen, ze kunnen de bestaande touchscreen-technologie niet gebruiken.

We zullen iets nieuws moeten uitvinden - iets flexibels en duurzaams, naast duidelijk zijn, lichtgewicht, elektrisch responsief en goedkoop. Veel onderzoekers zijn op zoek naar mogelijke opties. Als afgestudeerd onderzoeker aan de Universiteit van Californië, rivieroever, Ik maak deel uit van een onderzoeksgroep die deze uitdaging probeert op te lossen door gaaslagen te weven uit microscopisch kleine metaalstrengen - het bouwen van wat we metalen nanodraadnetwerken noemen.

Deze zouden belangrijke onderdelen kunnen vormen van nieuwe displaysystemen; ze zouden ook de touchscreens van bestaande smartphones nog sneller en gebruiksvriendelijker kunnen maken.

Het probleem met indiumtinoxide

Een standaard smartphone touchscreen heeft glas aan de buitenkant, bovenop twee lagen geleidend materiaal, indiumtinoxide genaamd. Deze lagen zijn erg dun, transparant voor licht en geleiden kleine hoeveelheden elektrische stroom. Het display ligt eronder.

Wanneer een persoon het scherm aanraakt, de druk van hun vinger buigt het glas heel licht, de twee lagen indiumtinoxide dichter bij elkaar te duwen. Bij resistieve touchscreens, dat verandert de elektrische weerstand van de lagen; in capacitieve touchscreens, de druk creëert een elektrisch circuit.

Indiumtinoxide is zeer geleidend, waardoor touchscreens razendsnel reageren op de aanraking van een gebruiker. Maar het is ook erg broos, waardoor het ongeschikt is voor flexibelere displays. In aanvulling, er is niet genoeg indium, grotendeels geproduceerd door raffinage van zink en looderts, om aan de steeds toenemende vraag te voldoen.

Potentiële vervangers

Elke vervanging voor indiumtinoxide moet transparant zijn, anders het zou geen zin hebben om het voor een scherm te gebruiken. Het moet ook elektriciteit goed geleiden. Enkele mogelijke vervangingen voor deze indiumtinoxidelaag zijn koolstofnanobuisjes, grafeen en geleidende polymeren

Maar elk van hen heeft zijn problemen. Koolstofnanobuisjes hebben meestal een hoge elektrische weerstand wanneer ze met elkaar in contact komen, zodat ze niet goed functioneren als mazen.

Grafeen zou uitstekend zijn - het is zeer geleidend, flexibel en transparant. Echter, er is nog geen proces op industriële schaal om voldoende grafeen te produceren om aan de vraag te voldoen. Geleidende polymeren kunnen gemakkelijk in verschillende vormen worden gegoten en zijn geleidend genoeg om te worden gebruikt in sommige fotovoltaïsche en op LED gebaseerde apparaten, maar hun neiging om licht te absorberen betekent dat ze nog niet goed genoeg zijn om te worden gebruikt als een volledig concurrerende vervanging voor indiumtinoxide.

Onderzoek naar metalen nanodraadnetwerken

Een veelbelovende vervanging voor indiumtinoxide zouden metalen nanodraadnetwerken kunnen zijn. Ze zijn gemaakt van individuele zilver- of koperdraden, tientallen tot honderden nanometers in diameter, samen geweven in een onderling verbonden mesh. Het is transparant op dezelfde manier als een hordeur - de afzonderlijke strengen van het gaas zijn zo klein dat ze het algehele zicht niet verdoezelen.

Zilvernanodraden kunnen in oplossing worden bereid door een chemische reactie tussen zilvernitraat en ethyleenglycol bij hoge temperatuur. Wanneer de oplossing wordt uitgespreid over de achterkant van een touchscreen (gemaakt van een isolerend materiaal zoals glas of flexibel plastic), de vloeistof droogt op en de nanodraden vormen knooppunten met elkaar, het maken van het net.

Het produceren van apparaten met zilveren nanodraden heeft verschillende voordelen ten opzichte van de huidige standaard, indiumtinoxide. Zilver is 50 keer beter geleidend en kan in een grotere verscheidenheid aan apparaten worden gebruikt. Het maken van zilveren nanodraad-apparaten zal naar verwachting ook goedkoper zijn.

Andere voordelen zijn duidelijk bij het vergelijken van fabricagemethoden. Indiumtinoxide wordt aangebracht op een touchscreen-oppervlak in een industrieel proces dat "sputteren, " wat inhoudt dat het indiumtinoxide effectief wordt verdampt, waarvan sommige op het touchscreen terechtkomen. Maar tot 70 procent van het materiaal komt op de wanden van de sputterkamer terecht en moet worden verwijderd voordat het opnieuw kan worden gebruikt. En indiumtinoxide kan niet rechtstreeks op flexibele plastic oppervlakken worden aangebracht, omdat sputteren veel warmte met zich meebrengt, waardoor het plastic kromtrekt.

Daarentegen, metalen nanodraden worden in een oplossing in de open lucht gemaakt en kunnen vervolgens op vellen flexibel materiaal worden gespoten met een proces dat roll-to-roll-coating wordt genoemd. Dit proces wordt sinds de jaren 80 gebruikt om componenten voor zonnepanelen te maken.

Resterende uitdagingen

Niemand is helemaal klaar om metalen nanodraadnetwerken op de smartphonemarkt te brengen. Zilver en koper corroderen wanneer ze worden blootgesteld aan lucht; onderzoekers, waaronder mijn laboratoriumgroep en vele anderen, proberen manieren te vinden om ze te coaten met geleidende polymeren of zelfs andere metalen, om ze tegen de lucht te beschermen zonder in te boeten aan transparantie of geleidbaarheid.

En een andere uitdaging die overblijft, is hoe metalen nanodraden tussen flexibele plastic platen kunnen worden ingebed. Maar een dag, misschien niet lang van nu, we zullen al dit onderzoek kunnen bundelen om volledig werkende apparaten te maken met behulp van metalen nanodraadnetwerken.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.