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In-cell触摸面板“Pixel Eyes”进入第2阶段

技术文章 luoman 1453浏览 0评论

    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。

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