In-cell触摸面板“Pixel Eyes”进入第2阶段

  1. 前言

　　本文将介绍亚洲最大的显示器国际会议“22th International Display Workshops（IDW‘15）”上关于触摸面板的最新主题。分别介绍支撑内置型（In-cell及On-cell）触摸面板与立体（3D）触摸面板，以及触摸面板的技术。

　　2. In-cell/On-cell触摸面板

　　2.1 进化的“Pixel Eyes”

　　日本显示器（JDI）以“Newly Developed 5.5-in. WQHD Display with　Hybrid In-Cell Capacitive Touch Technology”为题，介绍了该公司的混合型In-cell触摸面板“Pixel Eyes”的最新技术（论文编号：INP2-4）。

　　通常的Pixel Eyes采用的“H-blanking”法，特点是显示期间与触摸期间完全分离，液晶驱动产生的噪声不会影响触摸功能。但投射电容式触摸面板（互电容式）很难更改发送电极Tx的频率，在特定的频率会出现环境噪声引发的“ghost finger”。

　　作为一种解决方案，JDI开发出了“Multi-V blanking”法。该方法会在驱动多个显示行之后，改变发送信号的频率。手机连接AC充电器时，AC-DC转换产生的开关噪声大，会影响电容式触摸面板的性能。在200kHz以下的区域，噪声电平较高。采用Multi-V blanking法之后，通过把Tx的频率从250kHz调整到350kHz，可以降低噪声电平。

　　功耗也是一个问题。最新的手机有些配备了唤醒功能（wake-up feature）。用户在输入某个动作时，手机将会启动。

　　In-cell是与TFT液晶面板的公共电极共用发送电极Tx线，在单独启用触摸功能的时候，显示器驱动用IC（DDIC）也需要工作。因此，In-cell型电容式的触摸面板的功耗比外置式触摸面板高。

　　为此，该公司开发出了功耗超低、支持唤醒功能的驱动方式。这种方式包括两步。第1步是触摸IC控制接收电极Rx，检测手指的接近。这时，DDIC处于非工作状态。第2步，DDIC处于低功耗状态（黑屏），触摸IC控制发送电极Tx。通过相互传感检测出手势。此时，相互传感与DDIC工作。

　　这种驱动方法依靠的是JDI自主开发的In-cell技术（通过使彩色滤光片上的ITO形成图案，制作Rx电极，在第1步中，DDIC为非工作状态）。图1是Pixel Eyes的结构。DDIC及触摸IC在第第1步的功耗为1.1％（以工作状态的功耗为100％），第2步的功耗为33％（以工作状态的功耗为100％）。

　　表1是JDI开发的液晶显示器模块的性能参数。凭借这一开发，Pixel Eyes可以说进入了第2阶段。

图1：Pixel Eyes的结构

　　通过检测彩色滤光片基板表面的防静电ITO膜与TFT基板上的公共电极之间的电容变化，实现触摸传感器功能。

表1：开发的显示器模块的性能参数 （根据IDW ’15 INP2-4的发布资料制作）

    2.2 4K、550ppi的In-cell

　　JDI开发出分辨率为4K、550ppi，配备In-cell触摸面板功能的低温多晶硅（LTPS）TFT液晶面板，以“2K4K 550-ppi In-Cell Touch LTPS TFT-LCD”为题发表了演讲（论文编号：AMD2-1）。为了实现低功耗，该面板采用了以下技术：通过采用RGBW像素，既可以增加面板的透射率，又不影响色彩表现范围；通过采用局部调光，与单独使用RGBW像素结构相比，功耗可以再减少20％。

　　显示器驱动IC的功耗P由“P＝容量（C）×帧频（F）×驱动电压（V2）”表示。该公司把降低功耗的目标锁定在了帧频（F）上面。通过使帧频从通常的60Hz降低到30Hz，可以降低32％的功耗。但在此时，应对串扰和闪烁会变得重要。应对串扰需要降低TFT的漏电流，增加存储电容。而应对闪烁除了削减TFT的漏电流、增加存储电容之外，还需要减少液晶的漏电流。

　　为此，该公司采用i线（365nm）作为制作TFT阵列的曝光机的光源，通过使通道宽度达到W＝1.5μm，成功降低了漏电流和寄生电容。通过削减绝缘膜的厚度，增加了存储电容。实现了30Hz驱动也没有串扰及闪烁的显示，而且降低了功耗。单从报告来看，这项技术很有特色，但报告并未提到有4K智能手机采用这项技术。

　　2.3 无保护玻璃的薄On-cell有机EL

　　台湾工业技术研究院（Industrial Technology Research Institute，ITRI）开发出配备具有气障、无保护玻璃的On-cell触摸面板的AMOLED，以“Foldable AMOLED with Integrated On-Cell Touch Sensor for Mobile Device Applications”为题发表了演讲（论文编号：FLX/INP4-1）。采用了自主开发的活用剥离的“FlexUP”技术。

　　FlexUP技术是首先在玻璃基板上附着剥离层（DBL：De-bonding Layer），使用缝模涂布机涂布聚酰亚胺（PI）溶液并且加热。在上面形成LTPS TFT，再叠加有机EL层，制作有源矩阵驱动的有机EL面板（AMOLED）。将面板切割成显示器的尺寸后，通过机械剥离玻璃基板与聚酰亚胺膜，制造出柔性有机EL。

　　柔性有机EL面板的密封结构，不允许采用玻璃基板使用的熔接密封。为此，ITRI新开发并采用了“SWB（Side Wall Barrier）”。通过采用这项技术，在60℃/90％R.H.的条件下，700个小时后仍未出现劣化。

　　现在配备On-cell触摸面板的有机EL，采用的是在面板上叠加柔性基板、气障及保护玻璃的结构。总厚度达到600μm，不适合折叠型的移动产品。

　　ITRI使用FlexUP技术，制作出了可供折叠型有机EL使用、无保护玻璃的On-cell触摸面板。首先使用溅射法制作ITO薄膜，利用光刻法形成图案。再从玻璃基板上剥离，无保护玻璃、具有气障的触摸面板就完成了。

　　另外，该触摸面板的ITO在经过230℃以上的热处理后，膜的导电性、光透射率以及柔性都得到了改善。完成10万次半径为5mm的弯曲测试后，回路电阻几乎没有增加。开发的触摸面板的总厚度为12μm，光透射率为81％，yellow index b*为1.5，吸水率（WVTR）为5×10-6g/m2day。

　　配备无保护玻璃的On-cell触摸面板的有机EL显示器的厚度仅为100μm，性能和可靠性都达到了折叠型移动产品的需求。现在，美国苹果公司的智能手机将从2018年开始采用柔性有机EL的传言，令显示器行业为之振奋。对于该公司是否会采用本次报告介绍的技术，笔者将加以关注。

    3. 3D触摸

　　支持曲面及立体（3D）形状表面的触摸面板所面对的要求越来越高。这是因为汽车仪表板和遥控器等输入器件，对于取消机械开关、提高设计自由度的需求正在与日俱增。在为数众多的触摸传感器中，只有投射电容式的触摸面板能够满足这种要求。但也存在以下课题：（1）3D表面上的电极图案；（2）变形导致电极断线；（3）单层电极的传感等。

　　九州大学与东丽的研究组开发出3D形状的触摸面板，以“3D Shaped Touch Panel with Transparent Carbon　Nanotube Electrodes”为题发表了演讲（论文编号：INP2-2）。这种触摸面板的透射率为88％，雾度为1.5％，能够在曲面上形成。设计及颜色可以自由选择，而且还能在织物或橡胶表面上形成。

　　制作3D透明触摸面板的步骤如图2所示，（1）在200μm厚的聚碳酸酯（PC）基板上涂布碳纳米管（CNT）；（2）利用激光形成电极图案；（3）使用粘合片（OCA：Optical Clear Adhesive）叠加聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA树脂）；（4）在150℃的温度下进行真空成型，制成指定的形状。

图2：3D触摸面板的制造工艺（九州大学教授服部励治提供的资料）

　　投射电容式触摸面板有互电容式和自电容式。iPhpone等智能手机采用的是前者。后者的灵敏度高于前者，可以实现悬停触摸和戴手套触摸等。九州大学与东丽的研究组本次开发的是自电容型，采用了Low-side current方式。图3是3D形状触摸面板的示意图。

图3：3D触摸面板（九州大学教授服部励治提供的资料）

　　4. 支撑触摸面板的技术

　　4.1 评价低电阻ITO/Ag/ITO电极的可靠性

　　触摸面板采用ITO电极时，因为ITO膜的导电率低，所以大型化受到限制。而且，电极图案的微细化也存在局限性。因此，作为ITO代替材料，银（Ag）纳米线和铜（Cu）细线最近成了关注的焦点，实用化也在突飞猛进。三菱金属以为了弥补ITO的导电率，用银（Ag）薄膜夹住ITO制成的触摸面板电极为对象，评价了这种电极的电子化学迁移。题目为“Evaluation of Electrochemical Migration of ITO/Ag/ITO Structure for Touch Panel Sensor”（论文编号：FLX/INP4-3）。

    ITO/Ag/ITO膜使用DC溅射法制成。膜厚分别为40nm/8nm/40nm。在400nm到750nm的可视范围内，膜的透射率为80％，膜电阻为10Ω/□。

　　为了决定评价ITO/Ag/ITO作为触摸面板用电极材料的可靠性的标准，该公司制作评价用的电极图案，在85℃、85％RH的条件下，实施了200个小时的可靠性试验。并且表示，试验得到的评价结果，将成为新的评价标准的指针。

　　Ag纳米线和Cu细线投入实用，是因为触摸面板使用的ITO除了导电率之外，还存在价格的问题。由此可以推测，ITO/Ag/ITO适合的应该不是触摸面板电极，而是有机EL用电极。

　　4.2 削减金属网电极的制造成本

　　铜（Cu）网作为触摸面板用电极，从小型到大型都实现了实用化。电极图案的微细程度已经达到了2μm左右，透射率和外观也有所改观。但制造使用的曝光机和光掩模价格高昂，削减成本成为了当务之急。

　　削减成本的技术を，台湾恒煦电子材料（Consistent Electronic Materials）与eChem Solutions Japan的研究组，以“Ultra High Resolution Copper Lithography Not Requiring Fine Mask Design Rules and Without Damaging Copper”为题发表了演讲（论文编号：FLX1/INP4-4）。

　　介绍了使用新开发的铜表面处理剂（CS910）、光刻胶（EXP-1080）、蚀刻液（CUE250N）和光刻胶剥离液（ZS335S），利用接近式曝光机（MIKASA EXP-1080）和Cr碱石灰光掩模（线宽3μm和5μm）的Cu/CuO微细光刻。使用该方法，在玻璃和PET基板上，制作了2μ～3μm的Cu/CuO金属网电极。该公司表示，使用这种方法还能形成1.2μ～1.5μm的金属网。

　　5. 结语

　　索尼开发并投入实用的Pixel Eyes终于进入了第2阶段。笔者衷心希望索尼能够维持其他竞争对手无法企及的强大实力（笔者是索尼的OB）。触摸面板的3D形状能否得到广泛利用，取决于这项技术能否满足消费者的要求。东丽还擅长服装领域，今后说不定还会出现配备CNT触摸面板的可穿戴设备。