In-cell觸摸面板“Pixel Eyes”進(jìn)入第2階段

　　1. 前言

　　本文將介紹亞洲最大的顯示器國際會議“22th International Display Workshops(IDW '15)”上關(guān)于觸摸面板的最新主題。分別介紹支撐內(nèi)置型(In-cell及On-cell)觸摸面板與立體(3D)觸摸面板，以及觸摸面板的技術(shù)。

　　2. In-cell/On-cell觸摸面板

　　2.1 進(jìn)化的“Pixel Eyes”

　　日 本顯示器(JDI)以“Newly Developed 5.5-in. WQHD Display with　Hybrid In-Cell Capacitive Touch Technology”為題，介紹了該公司的混合型In-cell觸摸面板“Pixel Eyes”的最新技術(shù)(論文編號：INP2-4)。

　　通常的Pixel Eyes采用的“H-blanking”法，特點(diǎn)是顯示期間與觸摸期間完全分離，液晶驅(qū)動產(chǎn)生的噪聲不會影響觸摸功能。但投射電容式觸摸面板(互電容式)很難更改發(fā)送電極Tx的頻率，在特定的頻率會出現(xiàn)環(huán)境噪聲引發(fā)的“ghost finger”。

　　作 為一種解決方案，JDI開發(fā)出了“Multi-V blanking”法。該方法會在驅(qū)動多個顯示行之后，改變發(fā)送信號的頻率。手機(jī)連接AC充電器時，AC-DC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的開關(guān)噪聲大，會影響電容式觸摸面 板的性能。在200kHz以下的區(qū)域，噪聲電平較高。采用Multi-V blanking法之后，通過把Tx的頻率從250kHz調(diào)整到350kHz，可以降低噪聲電平。

　　功耗也是一個問題。最新的手機(jī)有些配備了喚醒功能(wake-up feature)。用戶在輸入某個動作時，手機(jī)將會啟動。

　　In-cell是與TFT液晶面板的公共電極共用發(fā)送電極Tx線，在單獨(dú)啟用觸摸功能的時候，顯示器驅(qū)動用IC(DDIC)也需要工作。因此，In-cell型電容式的觸摸面板的功耗比外置式觸摸面板高。

　　為 此，該公司開發(fā)出了功耗超低、支持喚醒功能的驅(qū)動方式。這種方式包括兩步。第1步是觸摸IC控制接收電極Rx，檢測手指的接近。這時，DDIC處于非工作 狀態(tài)。第2步，DDIC處于低功耗狀態(tài)(黑屏)，觸摸IC控制發(fā)送電極Tx。通過相互傳感檢測出手勢。此時，相互傳感與DDIC工作。

　　這 種驅(qū)動方法依靠的是JDI自主開發(fā)的In-cell技術(shù)(通過使彩色濾光片上的ITO形成圖案，制作Rx電極，在第1步中，DDIC為非工作狀態(tài))。圖1 是Pixel Eyes的結(jié)構(gòu)。DDIC及觸摸IC在第第1步的功耗為1.1%(以工作狀態(tài)的功耗為100%)，第2步的功耗為33%(以工作狀態(tài)的功耗為100%)。

　　表1是JDI開發(fā)的液晶顯示器模塊的性能參數(shù)。憑借這一開發(fā)，Pixel Eyes可以說進(jìn)入了第2階段。

　　圖1：Pixel Eyes的結(jié)構(gòu)

　　通過檢測彩色濾光片基板表面的防靜電ITO膜與TFT基板上的公共電極之間的電容變化，實(shí)現(xiàn)觸摸傳感器功能。(出處：《日經(jīng)電子》2012年2月20日刊) (點(diǎn)擊放大)

　　表1：開發(fā)的顯示器模塊的性能參數(shù) (根據(jù)IDW '15 INP2-4的發(fā)布資料制作) (點(diǎn)擊放大)

　　2.2 4K、550ppi的In-cell

　　JDI 開發(fā)出分辨率為4K、550ppi，配備In-cell觸摸面板功能的低溫多晶硅(LTPS)TFT液晶面板，以“2K4K 550-ppi In-Cell Touch LTPS TFT-LCD”為題發(fā)表了演講(論文編號：AMD2-1)。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，該面板采用了以下技術(shù)：通過采用RGBW像素，既可以增加面板的透射率，又 不影響色彩表現(xiàn)范圍;通過采用局部調(diào)光，與單獨(dú)使用RGBW像素結(jié)構(gòu)相比，功耗可以再減少20%。

　　顯示器驅(qū)動IC的功耗P由“P=容量 (C)×幀頻(F)×驅(qū)動電壓(V2)”表示。該公司把降低功耗的目標(biāo)鎖定在了幀頻(F)上面。通過使幀頻從通常的60Hz降低到30Hz，可以降低 32%的功耗。但在此時，應(yīng)對串?dāng)_和閃爍會變得重要。應(yīng)對串?dāng)_需要降低TFT的漏電流，增加存儲電容。而應(yīng)對閃爍除了削減TFT的漏電流、增加存儲電容之 外，還需要減少液晶的漏電流。

　　為此，該公司采用i線(365nm)作為制作TFT陣列的曝光機(jī)的光源，通過使通道寬度達(dá)到 W=1.5μm，成功降低了漏電流和寄生電容。通過削減絕緣膜的厚度，增加了存儲電容。實(shí)現(xiàn)了30Hz驅(qū)動也沒有串?dāng)_及閃爍的顯示，而且降低了功耗。單從 報告來看，這項(xiàng)技術(shù)很有特色，但報告并未提到有4K智能手機(jī)采用這項(xiàng)技術(shù)。

　　2.3 無保護(hù)玻璃的薄On-cell有機(jī)EL

　　臺 灣工業(yè)技術(shù)研究院(Industrial Technology Research Institute，ITRI)開發(fā)出配備具有氣障、無保護(hù)玻璃的On-cell觸摸面板的AMOLED，以“Foldable AMOLED with Integrated On-Cell Touch Sensor for Mobile Device Applications”為題發(fā)表了演講(論文編號：FLX/INP4-1)。采用了自主開發(fā)的活用剝離的“FlexUP”技術(shù)。

　　FlexUP 技術(shù)是首先在玻璃基板上附著剝離層(DBL：De-bonding Layer)，使用縫模涂布機(jī)涂布聚酰亞胺(PI)溶液并且加熱。在上面形成LTPS TFT，再疊加有機(jī)EL層，制作有源矩陣驅(qū)動的有機(jī)EL面板(AMOLED)。將面板切割成顯示器的尺寸后，通過機(jī)械剝離玻璃基板與聚酰亞胺膜，制造出柔 性有機(jī)EL。

　　柔性有機(jī)EL面板的密封結(jié)構(gòu)，不允許采用玻璃基板使用的熔接密封。為此，ITRI新開發(fā)并采用了“SWB(Side Wall Barrier)”。通過采用這項(xiàng)技術(shù)，在60℃/90%R.H.的條件下，700個小時后仍未出現(xiàn)劣化。

　　現(xiàn)在配備On-cell觸摸面板的有機(jī)EL，采用的是在面板上疊加柔性基板、氣障及保護(hù)玻璃的結(jié)構(gòu)。總厚度達(dá)到600μm，不適合折疊型的移動產(chǎn)品。

　　ITRI使用FlexUP技術(shù)，制作出了可供折疊型有機(jī)EL使用、無保護(hù)玻璃的On-cell觸摸面板。首先使用濺射法制作ITO薄膜，利用光刻法形成圖案。再從玻璃基板上剝離，無保護(hù)玻璃、具有氣障的觸摸面板就完成了。

　　另 外，該觸摸面板的ITO在經(jīng)過230℃以上的熱處理后，膜的導(dǎo)電性、光透射率以及柔性都得到了改善。完成10萬次半徑為5mm的彎曲測試后，回路電阻幾乎 沒有增加。開發(fā)的觸摸面板的總厚度為12μm，光透射率為81%，yellow index b*為1.5，吸水率(WVTR)為5×10-6g/m2day。

　　配備無保護(hù)玻璃的On-cell觸摸面板的有機(jī)EL顯示器的厚度僅為 100μm，性能和可靠性都達(dá)到了折疊型移動產(chǎn)品的需求?，F(xiàn)在，美國蘋果公司的智能手機(jī)將從2018年開始采用柔性有機(jī)EL的傳言，令顯示器行業(yè)為之振 奮。對于該公司是否會采用本次報告介紹的技術(shù)，筆者將加以關(guān)注。

　　3. 3D觸摸

　　支持曲面及立體(3D)形狀表面的觸摸面 板所面對的要求越來越高。這是因?yàn)槠噧x表板和遙控器等輸入器件，對于取消機(jī)械開關(guān)、提高設(shè)計(jì)自由度的需求正在與日俱增。在為數(shù)眾多的觸摸傳感器中，只有 投射電容式的觸摸面板能夠滿足這種要求。但也存在以下課題：(1)3D表面上的電極圖案;(2)變形導(dǎo)致電極斷線;(3)單層電極的傳感等。

　　九 州大學(xué)與東麗的研究組開發(fā)出3D形狀的觸摸面板，以“3D Shaped Touch Panel with Transparent Carbon　Nanotube Electrodes”為題發(fā)表了演講(論文編號：INP2-2)。這種觸摸面板的透射率為88%，霧度為1.5%，能夠在曲面上形成。設(shè)計(jì)及顏色可以自 由選擇，而且還能在織物或橡膠表面上形成。

　　制作3D透明觸摸面板的步驟如圖2所示，(1)在200μm厚的聚碳酸酯(PC)基板上涂布碳 納米管(CNT);(2)利用激光形成電極圖案;(3)使用粘合片(OCA：Optical Clear Adhesive)疊加聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA樹脂);(4)在150℃的溫度下進(jìn)行真空成型，制成指定的形狀。

　　圖2：3D觸摸面板的制造工藝 (九州大學(xué)教授服部勵治提供的資料)

　　投射電容式觸摸面板有互電容式和自電容式。iPhpone等智能手機(jī)采用的是前者。后者的靈敏度高于前者，可以實(shí)現(xiàn)懸停觸摸和戴手套觸摸等。九州大學(xué)與東麗的研究組本次開發(fā)的是自電容型，采用了Low-side current方式。圖3是3D形狀觸摸面板的示意圖。

　　圖3：3D觸摸面板 (九州大學(xué)教授服部勵治提供的資料)

　　4. 支撐觸摸面板的技術(shù)

　　4.1 評價低電阻ITO/Ag/ITO電極的可靠性

　　觸 摸面板采用ITO電極時，因?yàn)镮TO膜的導(dǎo)電率低，所以大型化受到限制。而且，電極圖案的微細(xì)化也存在局限性。因此，作為ITO代替材料，銀(Ag)納米 線和銅(Cu)細(xì)線最近成了關(guān)注的焦點(diǎn)，實(shí)用化也在突飛猛進(jìn)。三菱金屬以為了彌補(bǔ)ITO的導(dǎo)電率，用銀(Ag)薄膜夾住ITO制成的觸摸面板電極為對象， 評價了這種電極的電子化學(xué)遷移。題目為“Evaluation of Electrochemical Migration of ITO/Ag/ITO Structure for Touch Panel Sensor”(論文編號：FLX/INP4-3)。

　　ITO/Ag/ITO膜使用DC濺射法制成。膜厚分別為40nm/8nm/40nm。在400nm到750nm的可視范圍內(nèi)，膜的透射率為80%，膜電阻為10Ω/□。

　　為了決定評價ITO/Ag/ITO作為觸摸面板用電極材料的可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，該公司制作評價用的電極圖案，在85℃、85%RH的條件下，實(shí)施了200個小時的可靠性試驗(yàn)。并且表示，試驗(yàn)得到的評價結(jié)果，將成為新的評價標(biāo)準(zhǔn)的指針。

　　Ag納米線和Cu細(xì)線投入實(shí)用，是因?yàn)橛|摸面板使用的ITO除了導(dǎo)電率之外，還存在價格的問題。由此可以推測，ITO/Ag/ITO適合的應(yīng)該不是觸摸面板電極，而是有機(jī)EL用電極。

　　4.2 削減金屬網(wǎng)電極的制造成本

　　銅(Cu)網(wǎng)作為觸摸面板用電極，從小型到大型都實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。電極圖案的微細(xì)程度已經(jīng)達(dá)到了2μm左右，透射率和外觀也有所改觀。但制造使用的曝光機(jī)和光掩模價格高昂，削減成本成為了當(dāng)務(wù)之急。

　　削 減成本的技術(shù)を，臺灣恒煦電子材料(Consistent Electronic Materials)與eChem Solutions Japan的研究組，以“Ultra High Resolution Copper Lithography Not Requiring Fine Mask Design Rules and Without Damaging Copper”為題發(fā)表了演講(論文編號：FLX1/INP4-4)。

　　介 紹了使用新開發(fā)的銅表面處理劑(CS910)、光刻膠(EXP-1080)、蝕刻液(CUE250N)和光刻膠剝離液(ZS335S)，利用接近式曝光機(jī) (MIKASA EXP-1080)和Cr堿石灰光掩模(線寬3μm和5μm)的Cu/CuO微細(xì)光刻。使用該方法，在玻璃和PET基板上，制作了2μ～3μm的Cu /CuO金屬網(wǎng)電極。該公司表示，使用這種方法還能形成1.2μ～1.5μm的金屬網(wǎng)。

　　5. 結(jié)語

　　索尼開發(fā)并投入實(shí)用的 Pixel Eyes終于進(jìn)入了第2階段。筆者衷心希望索尼能夠維持其他競爭對手無法企及的強(qiáng)大實(shí)力(筆者是索尼的OB)。觸摸面板的3D形狀能否得到廣泛利用，取決 于這項(xiàng)技術(shù)能否滿足消費(fèi)者的要求。東麗還擅長服裝領(lǐng)域，今后說不定還會出現(xiàn)配備CNT觸摸面板的可穿戴設(shè)備。(特約撰稿人：鵜飼育弘，Ukai Display Device Institute代表)