大尺寸触控面板结构是怎么样的?趋势又将如何?

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、***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。

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