Un panneau tactile transparent élastique déformable à volonté

Les écrans tactiles sont devenus l’interface la plus intuitive entre l’homme et la machine. Les écrans sensibles résistifs ou capacitifs sont devenus courants dans les appareils électroniques comme les téléphones mobiles, les ordinateurs et des tas d’autres systèmes. Mais ils utilisent pour la plupart des électrodes transparentes rigides et cassantes. Des chercheurs de la Seoul National University, Séoul, en Corée du Sud, ont mis au point en utilisant un hydrogel des panneaux ioniques  qui, souples et extensibles, supportent une importante déformation.

Un hydrogel est composé d’un réseau de chaines de polymères hydrophiles extrêmement absorbants qui peuvent contenir jusqu’à 90% d’eau. Ils peuvent être obtenus à partir d’alcool polyvinylique, de polyacrylate de sodium, d’autres polymères acrylates ou d’un polymère d’acrylamide, le polyacrylamide.

Le panneau ionique tactile

Il est constitué d’un hydrogel au polyacrylamide dopé par du chlorure de lithium à une concentration de 2 moles par litre. Ce sont les ions Cl et Li qui assurent la conduction ionique. Aux contacts avec des électrodes métalliques, il se crée des doubles couches de charges électriques (DCE) équivalentes à des condensateurs (Fig.1.).

Le système de touche sensitive adopté pour l’écran tactile ionique transparent est du type capacitif. Une même tension est appliquée aux 4 coins de l’écran. Quand un conducteur, tel un doigt, touche l’écran, il met à la masse le point touché et la différence de potentiel entre ce point et les électrodes crée des courants dans celles-ci. Leur mesure permet d’obtenir les distances entre le point touché et les électrodes. La figure ci-dessous schématise ce mécanisme pour une bande tactile à une dimension :

Fig.1. Schéma de principe d'une bande tactile ionique unidimensionnelle A) Bande ionique tactile 1D de longueur L. Quand on touche la bande, comme le doigt est à la masse, un circuit se ferme entre les deux bouts de la bande et le point touché. B) Circuit électrique de la bande tactile. Les condensateurs CDCE dus aux doubles couches de charges électriques (DCE) sur les électrodes sont assimilables à des courts-circuits à cause de leur forte capacité et de la haute fréquence utilisée. La connaissance du courant I1 ou I2 fournit la distance αL entre le point touché et l'électrode du côté de A1. C) Enregistrement du courant I1 pour trois points ( α= 0,25, 0,5 et 0,75) touchés pendant 10 secondes. Reproduit de Highly stretchable, transparent ionic touch panel Chong-Chan Kim, Hyun-Hee Lee, Kyu Hwan Oh, Jeong-Yun Sun SCIENCE, 12 AUGUST 2016 • VOL 353 ISSUE 6300

Fig.1. Schéma de principe d’une bande tactile ionique unidimensionnelle
A) Bande ionique tactile 1D de longueur L. Quand on touche la bande, comme le doigt est à la masse, un circuit se ferme entre les deux bouts de la bande et le point touché.
B) Circuit électrique de la bande tactile. Les condensateurs CDCE dus aux doubles couches de charges électriques (DCE) sur les électrodes sont assimilables à des courts-circuits à cause de leur forte capacité et de la haute fréquence utilisée. La connaissance du courant I1 ou I2 fournit la distance αL entre le point touché et l’électrode du côté de A1.
C) Enregistrement du courant I1 pour trois points ( α= 0,25, 0,5 et 0,75) touchés pendant 10 secondes.
Reproduit de Highly stretchable, transparent ionic touch panel
Chong-Chan Kim, Hyun-Hee Lee, Kyu Hwan Oh, Jeong-Yun Sun
SCIENCE, 12 AUGUST 2016 • VOL 353 ISSUE 6300, avec autorisation.

Le passage à deux dimensions est aisé. Il est schématisé sur la figure 2 ci-dessous. On a 4 électrodes au lieu de 2. La détermination des 4 courants passant dans A1, A2, A3 et A4 donne la position (α, β) du point touché. Une carte contrôleur sert de générateur, traite ces courants et transmet leurs valeurs à un ordinateur.

Fig.2. Détection de la position du point touché sur un écran tactile ionique à 2 dimensions. A)Panneau tactile ionique à 2 dimensions avec ses électrodes. A1, A2, A3 et A4 sont 4 ampèremètres das lesquels passent des courants I1, I2, I3 et I4 respectivement. B) Démonstration de son fonctionnement : l'écran 1 auquel est attaché un panneau ionique tactile isolé par une feuille plastique présente un dessin de bonhomme en pointillé. Quand un doigt suit le contour de ce dessin sur le panneau tactile, le dessin est détecté et transmis à l'ordinateur par le contrôleur. le dessin est alors reproduit sur l'écran 2. Reproduit de Highly stretchable, transparent ionic touch panel Chong-Chan Kim, Hyun-Hee Lee, Kyu Hwan Oh, Jeong-Yun Sun SCIENCE, 12 AUGUST 2016 • VOL 353 ISSUE 6300

Fig.2. Détection de la position du point touché sur un écran tactile ionique à 2 dimensions.
A) Panneau tactile ionique à 2 dimensions avec ses électrodes. A1, A2, A3 et A4 sont 4 ampèremètres das lesquels passent des courants I1, I2, I3 et I4 respectivement.
B) Démonstration de son fonctionnement : l’écran 1 auquel est attaché un panneau ionique tactile isolé par une feuille plastique présente un dessin de bonhomme en pointillé. Quand un doigt suit le contour de ce dessin sur le panneau tactile, le dessin est détecté et transmis à l’ordinateur par le contrôleur. le dessin est alors reproduit sur l’écran 2.
Reproduit de Highly stretchable, transparent ionic touch panel
Chong-Chan Kim, Hyun-Hee Lee, Kyu Hwan Oh, Jeong-Yun Sun
SCIENCE, 12 AUGUST 2016 • VOL 353 ISSUE 6300, avec autorisation.

 

Ce panneau transparent peut donc être facilement placé sur un écran afficheur.

Effet de l’étirement du panneau tactile

Pour prouver la stabilité du panneau tactile quand on le déforme, on a utilisé un panneau circulaire de 4 cm de diamètre qu’on a étiré simultanément dans deux directions perpendiculaires jusqu’à atteindre 12,5 cm. Ceci représente une augmentation de 10 fois sa surface. On remarque alors que les courants I1, I2, I3 et I4 au repos augmentent à la déformation d’une même valeur, mais que quand on touche un point (α, β), les variations des courants au touché  ont la même valeur qu’au repos. On peut donc utiliser l’écran tactile quelle que soi sa déformation.

Fig.3. Panneau tactile étirable A)Le panneau avant étirement. Les 4 électrodes sont reliées aux ampèremètres A1, A2, A3 et A4. B) Le panneau étiré d'un facteur 10 en surface C) Le panneau étiré est connecté à un ordinateur et on y dessine une étoile dont on voit le tracé sur l'écran de sortie. Reproduit de Highly stretchable, transparent ionic touch panel Chong-Chan Kim, Hyun-Hee Lee, Kyu Hwan Oh, Jeong-Yun Sun SCIENCE, 12 AUGUST 2016 • VOL 353 ISSUE 6300

Fig.3. Panneau tactile étirable
A) Le panneau avant étirement. Les 4 électrodes sont reliées aux ampèremètres A1, A2, A3 et A4.
B) Le panneau étiré d’un facteur 10 en surface
C) Le panneau étiré est connecté à un ordinateur et on y dessine une étoile dont on voit le tracé sur l’écran de sortie.
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SCIENCE, 12 AUGUST 2016 • VOL 353 ISSUE 6300, avec autorisation.

Les chercheurs ont alors réalisé un panneau tactile dit épidermique parce qu’on peut le poser sur la peau. Il est construit sur un film adhésif double face transparent épais de 1 mm. Celui-ci permet de le coller simplement sur la peau.

La vidéo suivante montre  le fonctionnement d’un tel panneau tactile attaché à un bras humain :

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Le même montage a pu être utilisé avec divers programmes informatiques : jeu d’échec,  clavier musical, etc..

 

Ce panneau tactile déformable à volonté et transparent reste précis et de réponse rapide à la pression même sous fort étirement. Il est également, par nature, fort peu sensible aux chocs. Associé à une matrice de déformation, il pourrait aussi fournir un système à touches virtuelles mises en relief quand elles apparaissent.

 

Pour en savoir plus :

Highly stretchable, transparent ionic touch panel

Chong-Chan Kim, Hyun-Hee Lee, Kyu Hwan Oh, Jeong-Yun Sun

SCIENCE, 12 AUGUST 2016 • VOL 353 ISSUE 6300

 

 

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