人機輸入接口可區(qū)分為指壓、聲音、身體、身體、眼睛、嘴唇等輸入方式,換言之,人機輸入接口幾乎應(yīng)用了身體所有器官達成輸入訊息的目的,其中又以使用最方便的手指感應(yīng)最為普遍。
指壓輸入方式可分成阻抗式、靜電容量式、光學(xué)式、超音波等,其中透明狀阻抗薄膜構(gòu)成的透明觸控組件,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種攜帶式數(shù)字電子產(chǎn) 品的顯示器,儼然成為人與機器的主要信息輸入裝置。有鑒于此,本文將探討這類中小型觸控面板的技術(shù)發(fā)展動向。
觸控面板的特性
東芝松下DISPLAY TECHNOLOGY開發(fā)的輸入顯示器內(nèi)建光傳感器,形成所謂的板內(nèi)式(In-Panel)觸控面板,它的光傳感器使用Pin二極管,TFT-LCD面板內(nèi)設(shè)有可以將二極管輸出電流增幅的電路,光傳感器會感測手指觸壓面板時,觸壓部位的外光減少變化,以及手指產(chǎn)生的反射光兩種光線的變化。
飛利浦則將阻抗式觸控單元設(shè)置在Cell內(nèi)部,形成所謂的TFT-LCD觸控面板,具體結(jié)構(gòu)是在Cell內(nèi)部設(shè)置厚度比Cell更薄的導(dǎo)電材料,接著利用覆膜的球狀隔離片(Spacer)與平版印刷技術(shù),在對向基板使ITO膜層堆棧凸出形成板內(nèi)式觸控面板,類似這樣的觸控面板板內(nèi)化技術(shù)未來如果商品化,可能會對觸控面板業(yè)者造成巨大沖擊。
各類觸控面板原理與技術(shù)動向
a. 阻抗式四線觸控面板
圖1是上下各二個電極構(gòu)成的阻抗式四線觸控面板的基本結(jié)構(gòu),第一次使用阻抗式四線觸控面板時,必需依序在畫面四個角落觸壓進行初期位置偏差修正設(shè)定。
b. 阻抗式八線觸控面板
圖2是八線觸控面板的基本結(jié)構(gòu),它是由一條平行電極連接兩條導(dǎo)線,其中一條是施加電壓用主電極,另一條則是檢測施加于平行電極電壓的輔助電極,它可以自動修正偏差位置,減少煩瑣的初期位置修正動作。
c. 高穿透率觸控面板
一般阻抗式觸控面板的光線穿透率大約80%左右,主要原因是傳統(tǒng)阻抗式觸控面板,使用光線穿透率90%的ITO/玻璃基板當作下方電極,上方電極則使用光線穿透率80%的ITO/樹脂膜片,因此觸控面板整體的光線穿透率只有80%。
最近研究人員利用抗反射(AR;Anti Reflection)技術(shù),開發(fā)光線穿透率高達98%觸控面板用材料,它可以使傳統(tǒng)觸控面板80%的光線穿透率提高至87%。
圖3是一般ITO/玻璃基板與穿透率ITO/玻璃基板的基本結(jié)構(gòu)比較;圖4是高穿透率觸控面板的基本結(jié)構(gòu)。
c. 低反射觸控面板
一般阻抗式觸控面板的光線反射率大約是10~20%左右,反射光造成面板對比降低,尤其在強烈陽光下會變成致命性的傷害。
如果一般阻抗式觸控面板的表面黏貼1/4λ膜片,與偏光膜片構(gòu)成的圓偏光膜片,通過該膜片的反射光會被圓偏光膜片吸收,進而有效消除觸控面板的反射光。
圖5是內(nèi)側(cè)式(Inner)觸控面板的基本結(jié)構(gòu);照片1是傳統(tǒng)阻抗式觸控面板與內(nèi)側(cè)式觸控面板的比較。
根據(jù)實驗結(jié)果顯示內(nèi)側(cè)式觸控面板的對比,大約是傳統(tǒng)阻抗式觸控面板2倍左右。
d. 抗碎裂型觸控面板
PDA、GPS、iPhone等攜帶型終端機器摔落時最令人擔憂之處,在于觸控面板有破裂之虞,事實上,制作過程中觸控面板也經(jīng)常發(fā)生面板碎裂現(xiàn)象,主要原因是觸控面板的下方電極,使用厚度只有0.5~2.0mm 的玻璃基板,雖然理論上玻璃越厚越不容易碎裂,然而實際上,切割方式同樣對碎裂具有決定性影響。
提高玻璃基板強度除了切割面的取面加工必需非常平滑之外,采用化學(xué)強化處理,將玻璃表面的鈉離子置換成鉀離子非常有效。圖6是抗碎裂型觸控面板的基本結(jié)構(gòu)。
e. 樹脂型觸控面板
最近部份觸控面板基于成本考慮,改用樹脂膜片/樹脂膜片(F/F: Film/Film,以下簡稱為F/F)觸控面板。樹脂型觸控面板主要缺點是輸入時,LCD畫面會模糊不清。
如圖7(a)所示,F(xiàn)/F觸控面板的下方電極底部,利用黏著劑黏貼樹脂膜片,形成所謂的樹脂型觸控面板。F/F觸控面板主要缺點是下方電極膜片的背面,與黏貼層表面容易混入異物、氣泡,造成良品率偏低、生產(chǎn)性降低等困擾。
圖7(b)是改良后的樹脂型觸控面板斷面結(jié)構(gòu),如圖所示上方電極使用聚酯(Polyester)膜片,下方電極底部則使用厚 的聚碳酸酯纖維(Polycarbonate)膜片。必需注意的是樹脂型觸控面板的銀質(zhì)電路硬化過程,要求不能影響光學(xué)特性。
f. 防窺視型觸控面板
銀行的ATM與行動電話用液晶顯示器,基于隱私權(quán)等考慮要求具備防窺視功能。
基本上,防窺視型觸控面板是在下方電極的背面黏貼視角調(diào)整膜片,使用者可以從正面讀取影像,兩側(cè)斜角方向無法清楚判讀影像(照片2)。圖8是防窺視觸控面板的基本結(jié)構(gòu)。
g. 抗EMI觸控面板
某些應(yīng)用要求液晶面板具備抗EMI特性,因此必須徹底遮蔽液晶面板產(chǎn)生的電磁波,理論上表面電氣阻抗越低電磁波遮蔽效果越高,通常使用表面阻抗 □左右的導(dǎo)電性膜片(Film)。
為發(fā)揮EMI遮蔽效果,必需使帶電與帶磁負荷逃離導(dǎo)電面,如圖9所示EMI導(dǎo)電面設(shè)有電極線(匯流線:Bus Bar)。
h. 抗燃型觸控面板
某些特殊用途的觸控面板要求抗燃燒特性,圖10是抗燃型觸控面板的基本結(jié)構(gòu)。
為滿足抗燃燒設(shè)計規(guī)格,上方電極部材料必需同時兼具強韌、平坦與優(yōu)秀光學(xué)特性的樹脂薄膜,然而實際上并沒有這樣的材料,一般是在聚酯(Polyester)膜片表面黏貼具備自我滅火性的聚碳酸酯纖維膜片。
i. 窄邊幅觸控面板
類似行動電話等攜帶型電子機器,大多使用 以下窄邊幅觸控面板,一般認為,未來觸控面板邊幅大約只剩左右。
上方電極是由厚度 的聚酯(Polyester)膜片濺鍍ITO膜層構(gòu)成,ITO的彎曲特性與陶瓷一樣非常脆弱, 左右的曲率或是彎曲 ,就會斷線喪失導(dǎo)電功能,常用改善對策是反復(fù)堆棧ITO形成厚膜層;此外,兩膜片之間的黏合層具有緩沖效果。
圖11是上方電極膜片的拉伸與電氣特性,圖中的拉伸率是根據(jù)折射率計算獲得的換算值。以往業(yè)者普遍認為17吋是阻抗式觸控面板的物理極限,不過透過電極材料、設(shè)計技巧、制程改善,目前24吋阻抗式觸控面板已經(jīng)進入商品化階段。
低反射觸控面板
■低反射G/G型觸控面板
a. 直線偏光型
圖12是各種低反射玻璃/玻璃型觸控面板(以下簡稱為低反射G/G型觸控面板)的基本結(jié)構(gòu),由圖可知這種型的觸控面板使用直線偏光膜片(Polarizing Film)。
低反射觸控面板是在面板最表面黏貼偏光膜片,藉此降低外部的入射光絕對量,與面板內(nèi)部材料接口的反射光量,進而達成低反射化的最終目的。
圖12(a)是在玻璃/玻璃型觸控面板表面直接黏貼直線偏光膜片,形成結(jié)構(gòu)單純的直線偏光型(Linearly Polarized Type)低反射觸控面板。
b. 圓偏光型
為提高直線偏光型的影像視認性,組合直線偏光膜片與位相差膜片(Retradtion Film),構(gòu)成所謂的圓偏光型(Circularly Polarized Type)低反射觸控面板(圖12(b)),入射至面板的光線會被直線偏光膜片吸收,使反射光降至 以下。
圖12(c)的低反射觸控面板可以防止面板表面與底部的光線反射,低反射觸控面板的反射光甚至低于 以下,類似這種超低反射觸控面板,主要應(yīng)用在日差極大的歐美地區(qū)車用顯示器。
■低反射F/G型觸控面板
圖13是各種低反射膜片/玻璃型觸控面板(以下簡稱為低反射F/G型(Flim/Grass Type)觸控面板)的基本結(jié)構(gòu)。
低反射F/G型觸控面板同樣分為直線偏光型(圖13(a))與圓偏光型(圖13(b)~(d))兩種,其中偏光型直接在位相差膜片濺鍍ITO層膜,因此可以有效降低組件使用數(shù)量(圖13(c))。
a.直線偏光型F/G低反射觸控面板
直線偏光型F/G低反射觸控面板必需使用光學(xué)等方性膜片(Optically Isotropic Film),主要原因是傳統(tǒng)阻抗式觸控面板使用的PET,屬于光學(xué)等方性膜片;Optically Anisotropic Film),黏貼于液晶面板時光線通過PET膜片,會隨著各波長發(fā)生位相差,光線通過偏光膜片時會重迭形成彩虹。直線偏光型F/G低反射觸控面板使用的光學(xué)膜片必需具備下列光學(xué)特性,圖14是位相差說明圖,圖15是位相差的波長分散特性。
⑴ 光學(xué)等方性
⑵ 位相差的波長分散性與溫度依存性
⑶ 光彈性
⑷ 抗牛頓環(huán)特性與穿透鮮明性
b.圓偏光型F/G低反射觸控面板
附有ITO膜層的光學(xué)等方性膜片,組合直線偏光膜片與位相差膜片,可以制成低反圓偏光型F/G觸控面板,由于設(shè)計上將位相差膜片當作電極基板使用,因此成本上具有極佳的競爭力。
位相差膜片使用低復(fù)折射高分子材料與單軸延伸加工技術(shù)制作,利用延伸加工使高分子鎖配向,其結(jié)果造成延伸方向的折射率,與直交方向的折射率產(chǎn)生差異形成所謂的位相差,所幸的是透過延伸倍率可以調(diào)整延伸方向,與直交方向的折射率以及膜片厚度,并有效控制位相差的值。
一般認為,G/G型低反射觸控面板的密封性較高,水份與其它侵蝕ITO膜層的物質(zhì)不易通過,具有優(yōu)秀的剛性與耐環(huán)境性。至于缺點,則是薄形玻璃基板不易大面積化,ITO長膜困難、制作成本偏高,因此G/G型低反射觸控面板主要應(yīng)用在環(huán)境條件非常嚴苛的車用顯示器等領(lǐng)域。
F/G型低反射觸控面板同樣具備充分的車用耐環(huán)境特性,不過上方電極部使用高分子樹脂膜片,容易受到偏光膜片的收縮應(yīng)力與酸性排放氣體的影響,可靠性無法媲美G/G型低反射觸控面板。
結(jié)語
以上介紹中小型觸控面板與低反射觸控面板的技術(shù)發(fā)展。事實上,中小型觸控面板還有許多課題尚待解決,例如耐環(huán)境性的改善、密封劑與膜片材料的阻礙性提升、ITO膜層的耐酸性提升、偏光膜片的收縮應(yīng)力減緩和等等,有機會筆者將在日后針對這些課題繼續(xù)討論。