大尺寸觸控面板生產技術與應用趨勢
過去大尺寸螢幕的觸控,僅能採成本低廉的是電阻式或成本高的聲波式、外掛光學式的設計;以往受限於貼合良率,僅能在中、小尺寸行動裝置所使用的投射式電容多點觸控技術,隨著G/G、in-cell等製程技術的純熟,以及觸控感測IC的進化,目前可在10?12吋平板、13?17吋輕薄?電競筆電、20?22吋AIO一體成型電腦等領域出現,更大尺寸(32?42吋)連網電視、電子白板的多點觸控也蓄勢待發中…
從ATM提款機、機關場所的互助導覽系統,到百貨公司的電子白板,這些需要觸控應用的裝置,就跟手機、平板一樣朝著大尺寸趨勢邁進。
目前Apple僅在中小尺寸的iPhone/iPod/iPad導入投射電容式多點觸控技術,在桌機、筆電部份僅開始導入觸控板回饋力道,尚未有大量導入觸控應用的設計方案;但在非Apple陣營來說,從Android手機、平板,到12?17吋主流的筆記型電腦均導入投射電容式多點觸控技術,甚至部分20吋的桌上型電腦或電腦餐桌、電子白板,也開始採用多點觸控技術。
早期在15吋以上較為常見的電阻式觸控技術,藉由手指或觸控筆去觸碰ITO Film造成下陷並產生電壓的變化,再經A/D轉換運算處理取得定位位置。由於出道較早,在材料與技術成本方面具極佳優勢;但電阻式觸控技術會有電阻式薄膜影響螢幕透光率,採壓力感應的機械結構,在頻繁使用、長期大量按壓下造成使用壽命的縮減。
紅外線式和表面聲波式觸控技術,則是目前大尺寸觸控螢幕常見的技術。紅外線式在螢幕四邊設有大量的紅外線發射器和接收器,藉由手指點選時遮斷紅外線光源來計算出觸控的座標位置。其優點在於可應用尺寸相當大(6?167吋),反應速度快、定位精確也相當耐用;缺點則因紅外線模組體積而無法做到高解析度,成本偏高,且日後落塵與周圍光線干擾也是此技術的瓶頸。
表面聲波式則是在螢幕三個角落,分別裝置表面聲波發射器和接受器,利用手指接觸螢幕時聲波能量被吸收的特性,計算出能量產生變化的座標。其應用尺寸僅10?32吋,但相較於紅外線式更有高解析度的優點。但因為螢幕四周反射天線需客製化且良率不高,造成整體成本相對偏高。
更具成本效益的中大多點觸控螢幕方案
當用戶已習慣智慧手機、平板電腦的多點觸控體驗下,不少業者也積極研發中、大型螢幕的多點觸控應用方案,也使得過去僅以低成本電阻式技術的大型觸控螢幕技術,或者成本高昂的聲波、外掛光學式的觸控設計面臨到一定的挑戰。
大於10.1吋的中大型觸控螢幕,過去在防護玻璃與ITO(TFT Array)或AMOLED面板間,佈設透明薄膜或玻璃材質的觸控感應層,製造工法則從過去GFF(Glass Film Film)、G/G(Glass to Glass Structure)結構,轉向內建於ITO像素層(In-Cell)或者外掛式(Out-Cell)的兩種設計。
以In-cell來說,目前已有針對VA/IPS/TN等不同形式的LCD螢幕整合方案,以適用大型螢幕的In-cell搭配覆蓋玻璃的設計方案,可在大型顯示範圍的產品獲得極佳的畫面效果,同時也能保有螢幕的料件薄度,比較適合講求產品薄化設計的高端 Ultrabook或是變形筆電產品。
2003年入駐新竹科學園區的劍揚股份有限公司(iDTi),透過與面板廠製程上的合作,直接以In-Cell製程,在TFT薄膜電晶體陣列層(TFT Array)增加一組光感測陣列(Photo detector),藉由偵測物體接近或碰觸在TFT像素層所造成的細微光源變化,以觸控控制電路板(TCB)的觸控IC每秒擷取120張畫面進行比對與運算處理後,進而計算出多少個碰觸點以及碰觸力道。此技術適用於1?100吋的液晶面板上,支援10點觸控以及觸控筆、雷射光筆等多樣化的應用,並獲得Windows 10觸控認證。
而在Out-cell外掛式方案中,G/G用於大於10吋的觸控產品,在更大尺寸(17吋),受限於G/G先天上結構上的厚度限制,廠商習慣以較單純的OGS(One Glass Solution)作為大尺寸觸控螢幕的解決方案。
ITO替代性材料
ITO (氧化銦錫)的主要特性是其「電學傳導」和「光學透明」的組合,適合用來做觸控感應層的材料,然因ITO材料昂貴,且ITO層較為脆弱,缺乏柔韌性,無法做出可撓式面板;為了尋求平面或曲面?可撓式面板完整,以及大尺寸的觸控面板應用,相關業者也導入許多ITO的替代材料方案,像Silver Nanowires(奈米銀線)、Metal Mesh(金屬網格)、PEDOT/Conductive Polymers(導電聚合物)、Graphene(石墨烯)、Carbon Nanotubes(奈米碳管)、ITO inks(ITO油墨)等技術。
「奈米銀線」技術目前已成熟。其延展性(Flexibility)優於ITO,色偏(Color shift)亦比ITO低、光透率高。像Cambrios提出的專利ClearOhm材料,具備超高透光率(>98%)與每平方呎30?150歐姆的高導電等特性。此外Carestream、BlueNano、工研院也有這類產品,是市場看好的ITO替代品之一。
「金屬網格」技術像是把極細的金屬線組成烤肉架,其做成觸控應用的優勢在於阻抗低(小於10歐姆)、透明度比ITO佳、光透度最佳、可撓度高,且資本支出非常低、製造成本比ITO稍低。
但「金屬網格」在金屬線細化(須<5微米)過程,因減少觸控感應面積,使得不少觸控IC支援度降低;同時為了解決金屬反射與材料氧化等問題,製程費用也跟著提高。是否導入金屬網格,則須仰賴廠商的製程技術與觸控整合技術。目前有韓商MNTech (2012年底供貨)、Atmel的XSense(2013上半推出)、富士軟片(Fujifilm,2013第二季)、UniPixel的UniBoss(2013下半年推出)、3M、PolyIC,此外也有大陸廠商上市。
「導電聚合物」則具備延展性佳、材料價格超低等優勢,成為市場矚目的技術之一。供應商有Agfa(愛克發)、Fujitsu、Molex、Oji Paper等。「奈米碳管」則擁有最佳的延展性,色偏最低,材料價格亦低於ITO,亦是市場看好的ITO替代品之一,供應廠商有Eikos、Canatu (Carbon nanobuds碳球混合物)、SWeNT、Unidym、新奈材料等廠商,工研院、群創等亦在推廣。
至於「石墨烯」是當今世上最薄、最堅硬的奈米材料,只吸收2.3%的光,幾乎完全透明,電阻值比銅或銀還低,是整體效能最佳的ITO替代性材料與散熱材料,業界預料2016年大幅降價至每公斤200美元以下,增加其推廣性。目前市場有三星、Sony、台灣安炬科技(Graphage)等在推動量產。
綜合以上各種ITO替代性方案的優勢,預估到2019年,全球觸控面板業者,將會把50%的PCAP感應層改用ITO替代品來製作。ITO Film第一大廠日東電工,不僅全力降低ITO薄膜電阻值,並大幅降價到25USD/m2,曾使幾家剛在市場站穩腳步的ITO Film替代材料供應商,面臨到嚴峻的價格戰威脅。
大尺寸觸控面對製程、4K UHD的挑戰
大尺寸觸控面板的設計及製程開發上,增加了銀線路印刷與烘烤、雷射蝕刻、保護層鍍膜、抗炫光鍍膜、高溫烘烤、Tali熱壓、線性測試與校正等製造工序:還需面臨到像線性準確度、雜訊處理,大基板搬運與輸送問題、及測試與包裝等整體成本提高等諸多問題。
劍揚曾在2014年6月台北國際電腦展,展示其採用內嵌式光學觸控技術、標準a-SI製程的86吋液晶螢幕的射擊模擬系統。2015年台北國際電腦展中,則有萬達光電科技(Higgstec, Inc)展出一款42吋投射電容式多點觸控技術的觸控螢幕。這些供應商透過技術、製程、材料、設備的突破,一舉將投射電容式觸控產品擴增到84?86吋,補足市場對大尺寸投射電容式觸控需求的最後一塊拼圖。
下一個待突破的是採4K UHD(3840x2160)或5K UHD解析度的觸控螢幕。當前4K UHD、5K顯示器的刷新率頂多僅60Hz,使得以手指拖曳、劃線在螢幕上造成的延遲效應更容易被人眼所察覺。因此業界正從提升4K UHD、5K顯示器的刷新頻率,同時積極提升觸控IC的運算效能,與顯示器其他驅動、顯示電路的整合性。
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