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大尺寸触控面板生产技术与应用趋势

导读: 过去大尺寸屏幕的触控,仅能采成本低廉的是电阻式或成本高的声波式、外挂光学式的设计。

  ,过去大尺寸屏幕的触控,仅能采成本低廉的是电阻式或成本高的声波式、外挂光学式的设计;以往受限于贴合良率,仅能在中、小尺寸行动装置所使用的投射式电容多点触控技术,随着G/G、in-cell等制程技术的纯熟,以及触控感测IC的进化,目前可在10~12寸平板、13~17寸轻薄/电竞笔电、20~22寸AIO一体成型电脑等领域出现,更大尺寸(32~42寸)连网电视、电子白板的多点触控也蓄势待发中…

  尺寸要大也要多点触控

  从ATM提款机、机关场所的互助导览系统,到百货公司的电子白板,这些需要触控应用的装置,就跟手机、平板一样朝着大尺寸趋势迈进。

 

 

  大尺寸触控屏幕以inCell&on-Cell做分野

  目前Apple仅在中小尺寸的iPhone/iPod/iPad导入投射电容式多点触控技术,在桌机、笔电部份仅开始导入触控板回馈力道,尚未有大量导入触控应用的设计方案;但在非Apple阵营来说,从Android手机、平板,到12~17寸主流的笔记型电脑均导入投射电容式多点触控技术,甚至部分20寸的桌上型电脑或电脑餐桌、电子白板,也开始采用多点触控技术。

  早期在15寸以上较为常见的电阻式触控技术,藉由手指或触控笔去触碰ITO Film造成下陷并产生电压的变化,再经A/D转换运算处理取得定位位置。由于出道较早,在材料与技术成本方面具极佳优势;但电阻式触控技术会有电阻式薄膜影响屏幕透光率,采压力感应的机械结构,在频繁使用、长期大量按压下造成使用寿命的缩减。

  红外线式和表面声波式触控技术,则是目前大尺寸触控屏幕常见的技术。红外线式在屏幕四边设有大量的红外线发射器和接收器,藉由手指点选时遮断红外线光源来计算出触控的座标位置。其优点在于可应用尺寸相当大(6~167寸),反应速度快、定位精确也相当耐用;缺点则因红外线模组体积而无法做到高解析度,成本偏高,且日后落尘与周围光线干扰也是此技术的瓶颈。

  表面声波式则是在屏幕三个角落,分别装置表面声波发射器和接受器,利用手指接触屏幕时声波能量被吸收的特性,计算出能量产生变化的座标。其应用尺寸仅10~32寸,但相较于红外线式更有高解析度的优点。但因为屏幕四周反射天线需客制化且良率不高,造成整体成本相对偏高。

  更具成本效益的中大多点触控屏幕方案

  当用户已习惯智慧手机、平板电脑的多点触控体验下,不少业者也积极研发中、大型屏幕的多点触控应用方案,也使得过去仅以低成本电阻式技术的大型触控屏幕技术,或者成本高昂的声波、外挂光学式的触控设计面临到一定的挑战。

  大于10.1寸的中大型触控屏幕,过去在防护玻璃与ITO(TFT Array)或AMOLED面板间,布设透明薄膜或玻璃材质的触控感应层,制造工法则从过去GFF(Glass Film Film)、G/G(Glass to Glass Structure)结构,转向内建于ITO像素层(In-Cell)或者外挂式(Out-Cell)的两种设计。

  以In-cell来说,目前已有针对VA/IPS/TN等不同形式的LCD屏幕整合方案,以适用大型屏幕的In-cell搭配覆盖玻璃的设计方案,可在大型显示范围的产品获得极佳的画面效果,同时也能保有屏幕的料件薄度,比较适合讲求产品薄化设计的高端 Ultrabook或是变形笔电产品。

  2003年入驻新竹科学园区的剑扬股份有限公司(iDTi),透过与面板厂制程上的合作,直接以In-Cell制程,在TFT薄膜电晶体阵列层(TFT Array)增加一组光感测阵列(Photo detector),藉由侦测物体接近或碰触在TFT像素层所造成的细微光源变化,以触控控制电路板(TCB)的触控IC每秒撷取120张画面进行比对与运算处理后,进而计算出多少个碰触点以及碰触力道。此技术适用于1~100寸的液晶面板上,支援10点触控以及触控笔、雷射光笔等多样化的应用,并获得Windows 10触控认证。

  而在Out-cell外挂式方案中,G/G用于大于10寸的触控产品,在更大尺寸(17寸),受限于G/G先天上结构上的厚度限制,厂商习惯以较单纯的OGS(One Glass Solution)作为大尺寸触控屏幕的解决方案。

  ITO替代性材料

  ITO (氧化铟锡)的主要特性是其「电学传导」和「光学透明」的组合,适合用来做触控感应层的材料,然因ITO材料昂贵,且ITO层较为脆弱,缺乏柔韧性,无法做出可挠式面板;为了寻求平面或曲面/可挠式面板完整,以及大尺寸的触控面板应用,相关业者也导入许多ITO的替代材料方案,像Silver Nanowires(奈米银线)、Metal Mesh(金属网格)、PEDOT/Conductive Polymers(导电聚合物)、Graphene(石墨烯)、Carbon Nanotubes(奈米碳管)、ITO inks(ITO油墨)等技术。

  「奈米银线」技术目前已成熟。其延展性(Flexibility)优于ITO,色偏(Color shift)亦比ITO低、光透率高。像Cambrios提出的专利ClearOhm材料,具备超高透光率(>98%)与每平方尺30~150欧姆的高导电等特性。此外Carestream、BlueNano、工研院也有这类产品,是市场看好的ITO替代品之一。

  「金属网格」技术像是把极细的金属线组成烤肉架,其做成触控应用的优势在于阻抗低(小于10欧姆)、透明度比ITO佳、光透度最佳、可挠度高,且资本支出非常低、制造成本比ITO稍低。

  但「金属网格」在金属线细化(须<5微米)过程,因减少触控感应面积,使得不少触控IC支援度降低;同时为了解决金属反射与材料氧化等问题,制程费用也跟着提高。是否导入金属网格,则须仰赖厂商的制程技术与触控整合技术。目前有韩商MNTech (2012年底供货)、Atmel的XSense(2013上半推出)、富士软片(Fujifilm,2013第二季)、UniPixel的UniBoss(2013下半年推出)、3M、PolyIC,此外也有大陆厂商上市。

  「导电聚合物」则具备延展性佳、材料价格超低等优势,成为市场瞩目的技术之一。供应商有Agfa(爱克发)、Fujitsu、Molex、Oji Paper等。「奈米碳管」则拥有最佳的延展性,色偏最低,材料价格亦低于ITO,亦是市场看好的ITO替代品之一,供应厂商有Eikos、Canatu (Carbon nanobuds碳球混合物)、SWeNT、Unidym、新奈材料等厂商,工研院、群创等亦在推广。

  至于「石墨烯」是当今世上最薄、最坚硬的奈米材料,只吸收2.3%的光,几乎完全透明,电阻值比铜或银还低,是整体效能最佳的ITO替代性材料与散热材料,业界预料2016年大幅降价至每公斤200美元以下,增加其推广性。目前市场有三星、Sony、台湾安炬科技(Graphage)等在推动量产。

  综合以上各种ITO替代性方案的优势,预估到2019年,全球触控面板业者,将会把50%的PCAP感应层改用ITO替代品来制作。ITO Film第一大厂日东电工,不仅全力降低ITO薄膜电阻值,并大幅降价到25USD/m2,曾使几家刚在市场站稳脚步的ITO Film替代材料供应商,面临到严峻的价格战威胁。

  大尺寸触控面对制程、4K UHD的挑战

  大尺寸触控面板的设计及制程开发上,增加了银线路印刷与烘烤、雷射蚀刻、保护层镀膜、抗炫光镀膜、高温烘烤、Tali热压、线性测试与校正等制造工序:还需面临到像线性准确度、杂讯处理,大基板搬运与输送问题、及测试与包装等整体成本提高等诸多问题。

  剑扬曾在2014年6月台北国际电脑展,展示其采用内嵌式光学触控技术、标准a-SI制程的86寸液晶屏幕的射击模拟系统。2015年台北国际电脑展中,则有万达光电科技(Higgstec, Inc)展出一款42寸投射电容式多点触控技术的触控屏幕。这些供应商透过技术、制程、材料、设备的突破,一举将投射电容式触控产品扩增到84~86寸,补足市场对大尺寸投射电容式触控需求的最后一块拼图。

  下一个待突破的是采4K UHD(3840x2160)或5K UHD解析度的触控屏幕。当前4K UHD、5K显示器的刷新率顶多仅60Hz,使得以手指拖曳、划线在屏幕上造成的延迟效应更容易被人眼所察觉。因此业界正从提升4K UHD、5K显示器的刷新频率,同时积极提升触控IC的运算效能,与显示器其他驱动、显示电路的整合性。

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