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智能机厂竞相采纳 内嵌式触控面板需求大增

新闻动态 luoman 2025浏览 0评论

    蓬勃发展的智慧型手机市场总以外挂式触控面板为主,但这样的局面即将被改变。在苹果(Apple)、三星(Samsung)两大手机大厂将内嵌式架构的触控面板放置自家手机,出货量在去年逼近四成占有率,这无疑间接带给其他面板厂压力,不得不竞相投入嵌入式触控面板战局。 

    由面板厂主导的内嵌式(Embedded Type)触控面板已经开发多年,不过除苹果和三星的智慧型手机或平板电脑导入使用外,一直未能真正打开市场。当时,除技术和良率尚未成熟外,面板厂纵然擅长于面板相关制程,但是触控效能就需要触控晶片厂商协助。 

    即使如此,除苹果与三星的高阶机种具有实力在面板供应链上要求客制外,其他品牌在考量到客制化成本与采购供应源后,很自然地会倾向于外挂式(Add-on Type)的触控结构。 

    苹果拥有In-cell触控技术专利,而且几乎单一机种就能左右市场发展。三星采用的是制程较为简单的On-cell,不过主要优势是因为有集团内的三星显示(SDC)面板厂支援,而且三星显示也需要品牌来消化A2(G5.5)庞大的AMOLED产能。 

    2013年后,触控晶片厂商开发成功的单层多点(Single Layer)图案,并使用于On-cell TFT LCD上,给予其他品牌以及面板厂新的机会;而经历连续两年发展后,所有内嵌式触控面板在手机应用的出货上,已经在2014年逼近40%比重。因此内嵌式触控面板已经成不可忽视的力量。 

    内嵌式触控面板定义 

    一般在定义In-cell和On-cell时多半以感应电极在面板结构中的位置来决定。以液晶面板来说,主要是上下方两片玻璃,分别做为TFT线路与彩色滤光片的基板,中间就是液晶层,而两片玻璃对外一面,会贴合偏光板。以RGB镀膜的AMOLED来说,由于没有滤光片,所以上方玻璃基板相当干净、仅是为封装目的。正因如此,三星显示才会选择On-cell来发展内嵌式触控的AMOLED面板。 

    On-cell的感应线路所在位置比较单纯,都是位在上方玻璃(滤光片玻璃或是封装玻璃)的顶面(面对使用者的一面),并且位在偏光板之下。 

    从结构跟原理来看,On-cell其实跟外挂式触控面板很相似,主要差别是利用滤光片玻璃或封装玻璃来当作触控感应线路基板,而不是额外玻璃或是薄膜基板。In-cell的感应线路通常是在Open Cell区域(特别是TFT背板),而且为了避免专利冲突,时常会有不同的线路或位置组合。 

    例如,苹果iPhone所使用的互电容式In-cell面板,是将Tx(驱动电极)和Rx(感测电极)都放在FFS面板、TFT基板的Vcom层上;乐金显示(LGD)的AIT也是将电极都放在Vcom层上,但是却采用自电容(Self-sensing)的原理。 

    至于日本显示器公司(JDI)的互电容式Pixel Eyes,当应用于IPS面板时,Tx随着Vcom位在TFT背板玻璃上,但Rx却像是On-cell般,位在滤光片玻璃的顶面,也因此称之为“混合式”(Hybrid Type)。 

    另外,有些变异作法也有面板厂或是触控晶片厂商采用,像是将Tx与Rx分别置放在滤光片玻璃的上下方,或是Tx在TFT背板玻璃上,但Rx却是嵌入于彩色滤光片的黑色矩阵区(Black Matrix)。 

    因此,In-cell可能的组合与位置确实比On-cell来得复杂许多,为定义的涵盖范围与便利性,我们将In-cell定义为:只要感应线路其中一个电极位在Open Cell区域均可称为In-cell。这样就可以包含苹果与日本显示器公司的结构形式;前者称为“完整式”(Full Type),以有别于后者的混合式。 

    In-cell内嵌式触控面板 

    自2007年苹果iPhone带来触控萤幕作为新一代人机介面的热潮后,面板厂也曾经提出具有不同技术原理的内嵌式触控技术,如电容(Charging Sensing)、电阻(Voltage Sensing)和光学(Photo Sensing);但事实上,最终能够走向稳定量产的却几乎没有。 

    特别是前两者可能需要对面板玻璃造成形变,这在盖板玻璃普遍设计于手机与平板的情况下,更显得不切实际。而苹果虽然不是面板厂,但其工程团队却网罗许多来自面板厂的技术人才,因此苹果才得以发展出自己的In-cell技术,并且为触控与面板产业立下标竿。 

    目前,几乎所有已经量产的In-cell触控技术都和苹果专利有关,特别是将Vcom层予以图案化(Segmented Vcom),并以分时作业(Time Sharing)来同时驱动显示和触控功能。 

    Vcom层是液晶面板里特有的结构,主要目的是作为基准电极,并且和画素电极(Vpixel)配合,以形成驱动液晶分子不同偏转角度的电压值。 

    当液晶分子偏转角度有所差异时,不同透光量就可以透过彩色滤光片来达到所需要的灰阶。早期面板厂在设计内嵌式触控时,会采用额外触控感测器,但现在技术多半利用就本来已经存在于液晶面板内的Vcom层来兼做触控电极。 

    至于“分时作业”的概念,主要是因为同一个Vcom层一次只能做一件事、一种功能,无法同时驱动显示和触控,因此必须与时间差的方式来交叉进行。当前已经量产的In-cell面板,像是日本显示器公司Pixel Eyes或是乐金显示AIT(Advanced In-cell Touch),虽然结构与苹果技术不尽相同,但是在图案化Vcom与分时作业都是相同的;因此,可以看出苹果对当前的In-cell技术发展影响深远。 

    而在历经近3年的导入与成熟后,有些人将In-cell进一步的发展放在将面板驱动晶片和触控控制晶片予以整合,也就是所谓的“TDDI”(Touch and Display Driver Integration)。 

    不过,TDDI是否会是普遍潮流仍要以个别的技术来观察,而未必就一定是绝对趋势。以苹果历经两代In-cell面板发展来说,面板驱动晶片来自RSP(Renesas SP Drivers),而触控晶片则是委托博通(Broadcom)开发的ASIC(BCM5976)。虽然,RSP已经于2014年6月被新思国际(Synaptics)并购,但这不代表新思国际的触控晶片就可以取代苹果的方案,抑或是让新思国际来将两者予以整合。以苹果的例子来说,即使不整合也不影响其功能,整合需求并不是那么立即而显着。 

    On-cell内嵌式触控面板 

    与In-cell比较起来,On-cell触控技术相对简单;所谓简单是指在感应线路设计、防止杂讯干扰等方面,On-cell比起In-cell来说,比较能够节省面板厂开发的时间。 

    表面上来看,由于节省基板的成本,On-cell TFT LCD应该有机会比外挂式(例如,同样采用单层多点的GF1)便宜;不过实际上,受到制程良率、触控线路结合玻璃薄化制程等因素影响,On-cell TFT LCD在2014年期间未必真的比外挂式来的有竞争力。 

    纵使如此,除可以减轻手机厚度的优点外,品牌还是愿意着眼于长期潜力去培养这个供应链;这也是为什么在历经2年的导入后,On-cell TFT LCD可以在中低阶智慧型手机逐渐站稳脚步。 

    On-cell TFT LCD触控线路设计受益于晶片厂商开发的单层多点技术可以降低成本,于2013年开始打入中低阶智慧型手机市场。 

    目前最有兴趣开发On-cell TFT LCD触控技术的面板厂是台湾与中国大陆,像是群创、华映、彩晶、友达、天马和京东方,主要出货应用几乎都集中在智慧型手机。然而,三星显示却有不同想法。 

    三星显示的Super AMOLED(On-cell AMOLED)原本主要供货给三星和诺基亚(Nokia),尤其是前者的高阶机种。但是2014年时,三星在智慧型手机的市占率受到相当大的挑战,连带也影响Super AMOLED的出货,因此,除寄望三星能够将Super AMOLED也应用于中阶机种外(例如,新的A与E系列),2015年开始对大陆的二线品牌(如Vivo)也加大行销力道。 

    除了智慧型手机市场之外,面板厂也逐渐将On-cell TFT LCD技术布局中大尺寸应用,像是平板电脑或是笔记型电脑。以平板电脑而言,2014年发表的三星Tab S系列(8.4寸与10.5寸)就是采用On-cell AMOLED。2014年下半年,而群创采用单层多点的On-cell TFT LCD也出货给国内的品牌以及通路平板电脑市场。 

    受限于触控线路的灵敏度与效能,单层多点的On-cell触控面板若是要往更大的10寸以上发展,目前则显得力有未逮,然而,面板厂若是采用SITO触控线路的话,其成本跟一般外挂式的导电膜(GFF)或单片玻璃方案(OGS)相比,则未必占有优势。加上平板电脑的利润与出货成长受到质疑,相对而言,笔记型电脑应用获得面板厂当前较多关注。 

    四大面板厂目前都已经在产品发展蓝图中列出笔记型电脑应用的内嵌式触控面板。除乐金显示依然执着于In-cell(自电容原理)外,其余三大目前都是以On-cell触控技术为主。 

    有趣的是,他们提出两种On-cell解决方案给品牌。第一种方案即是一般的On-cell技术,友达称之为OTP(On-cell Touch Panel),而第二种则是“简易版”,友达称之为OTP-lite,在结构与原理上与前者相异不大,但主要可以节省盖板玻璃(Cover Glass)的成本,这对触控面板在低阶笔记型电脑市场或许有助益。“简易版”节省方式主要将硬化层(Hard Coating)涂布于偏光板上,这样就不需要盖板玻璃的保护。 

    内嵌式触控面板发展 

    从感应线路、原理与结构来看,目前内嵌式触控面板已经算是大致成熟,后续发展主要应该是面板制程的精进、触控效能与成本效益的提升。 

    以On-cell应用于智慧型手机来说,On-cell AMOLED将由三星显示继续主导、产品定位稍高;而On-cell TFT LCD则是由台湾与大陆的面板厂积极投入,产品定位偏中低阶。 

    On-cell相对In-cell来说比较单纯,跟面板解析度、分时作业和Vcom图案化等都没关系,面板厂比较需要投入的,应该是制程最佳化,并且降低生产成本。同时,为触控效能与产品定位,除单层多点线路外,灵敏度较高的SITO线路将会是中大尺寸的选择;然而SITO需要至少四道光罩,光罩与良率成本控制会是决定On-cell在未来能否与外挂式竞争的关键。 

    至于开发难度比较高的In-cell,苹果自有技术与日本显示器公司的Pixel Eyes是目前两大主流;而在2015年时,由乐金显示主导的自电容In-cell也即将加入战局。 

    这三种In-cell技术均利用到Vcom层来做触控的感应电极,所以都需要分时作业的取舍,也就是驱动显示器与驱动触控感应电极两者间,有时间资源竞争的问题,特别是当面板解析度越高时,这个问题会更为突显。 

    另外,面板内部布线与杂讯干扰对触控灵敏度也是严重的问题。目前,苹果的In-cell和日本显示器公司的Pixel Eyes都已经成功使用于高阶机种;特别是近年来出货比重越来越高的华为和小米,在2015年高阶机种都已经采用日本显示器的Pixel Eyes。甚至2015年高阶机种(G4)可能也会采用Pixel Eyes。虽然乐金显示也有自电容的In-cell,但是LG品牌端仅采用于2015年中低阶机种;显见AIT可能还需要一段时间才能更为成熟。 

    随着内嵌式触控面板不断地发展、扩大出货比重,TDDI也成关注焦点。 

    单从供应链角度来看,触控晶片厂商应该会是乐见其成;因为整合后可以将原先客户从品牌、触控模组厂,进一步带到面板厂,而且营业额将会扩大到显示驱动晶片范围。这也就是为什么在2014年时新思国际和敦泰要不约而同地各自合并RSP和旭曜。 

    同样的思考也发生在既有的显示驱动晶片厂商,像是奇景与联咏都已经布局触控晶片一段时间。再从元件的精简来看,整合后可以减少晶片数量,也可以合并显示和触控的信号线,这对智慧型手机内有限机构空间来说确实是个助益。而且品牌也寄望整合后可以节省晶片的采购成本;不过,短时间内晶片厂商基于开发成本,未必会同意整合晶片的报价低于分开两个晶片的总和。从技术角度来看TDDI则可能有不同的情况。 

    以On-cell来说,触控线路本身跟面板显示驱动较无直接关系,即使有讯号干扰,也不如In-cell的情况来得严重,因此触控与显示驱动晶片由不同晶片厂商供应,从供应链货源的多样性来说反而是有利。这种采购上的考量,其实跟外挂式触控面板是类似,而整合晶片的采购诱因主要是价格而已。 

    再以In-cell来看,苹果与日本显示器公司的TDDI导入情况应该是可以做,但是没有迫切需要做。TDDI整合供应商对这两种In-cell技术的好处是,当触控与面板显示驱动间相互讯号干扰或有一些连动问题时,如果是两个不同晶片厂商,反而责任归属和问题解决方式不易处理,而同一个晶片厂商时就一定责无旁贷。 

    不过以苹果情况而言,品牌的技术能力与实力都强大时,要让不同晶片厂商共同处理、解决问题,应该不会是太困难。相对地,日本显示器公司在开发Pixel Eyes时也必须扮演这样的角色。 

    而最有需要做TDDI的其实应该是自电容In-cell。互电容对感应电极的作法像是拉开X轴与Y轴,两个轴交错就会产生触控感应点。 

    这些感应点与触控晶片的前端(ADC)透过引线连接;假如X轴有十条线、Y轴有十五条线(产生两百五十个座标),那么全部就有二十五条线要整理。但是同样座标数换成自电容In-cell的作法,就需要两百五十个图案化的Vcom方块(Blocks),而每个方块均需要一条引线,全部就有两百五十条线要整理。触控面积越大、引线越多,因此势必无法如同互电容般,将所有引线均收敛到单一触控晶片处理,这不是技术问题,而是布线在有限面积的问题。 

    所以,自电容做法会使得引线的布线采用类似面板(源极)的作法:当面积越大时,透过数个前端晶片来分区收敛,而不是由一个前端晶片来收敛所有的引线;如此的分区收敛就不会有过多引线在走线时造成面板边框过大问题。 

    进一步地说,当数个面板显示的源极晶片与触控前端晶片并列时,TDDI可以进一步降低面板边框上的晶片数,两者整合后也可以减少连接讯号所需要的讯号线数,而T-CON与触控晶片后端(MCU)就可以分开连接讯号予以处理。 

    未来触控面板市场赛局 

    自2015年开始,内嵌式架构的触控面板在智慧型手机应用中更显得重要,已经浮上台面的竞赛者包含:苹果的In-cell(委托LGD、SHARP和JDI生产)、三星的On-cell AMOLED(Super AMOLED)、乐金显示AIT(Advanced In-cell,Self-sensing In-cell)和台湾、中国大陆面板积极投入的On-cell薄膜电晶体液晶显示器。 

    目前内嵌式架构仍旧局限在手机尺寸,不过面板厂在2014~2015年间已经将On-cell AMOLED与On-cell TFT LCD应用到平板与笔记型电脑尺寸。虽然外挂式的触控面板仍有较充沛供应链,但是来自面板厂将触控感测器端(Touch Sensor)整合压力只会与日俱增。 

    因此,未来能存活下来的触控面板厂除要开发新兴应用外,如何强化自己关键模组化组装能力,甚至与面板厂合作来重塑供应链流程,将会是竞争力与生存的关键。 

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