如今，觸摸面板是平板終端和智能手機(jī)不可或缺的輸入裝置。隨著2012年秋季“Windows 8”的亮相，觸摸面板還開(kāi)始用作個(gè)人電腦的用戶界面（UI）。在日本的購(gòu)物中心等，層指南和Table PC等出現(xiàn)了采用30英寸以上大型觸摸面板顯示器的趨勢(shì)。這個(gè)領(lǐng)域被稱作數(shù)字標(biāo)牌，市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大之中。觸摸面板的用途日益擴(kuò)大，預(yù)計(jì)帶觸摸面板的顯示器在日本的市場(chǎng)規(guī)模2015年前后將超過(guò)2萬(wàn)億日元。

　　不過(guò)，大型觸摸面板在成本和性能方面存在技術(shù)課題。觸摸面板研究所通過(guò)在PET薄膜基板上形成銅布線，開(kāi)發(fā)出了10英寸以上的產(chǎn)品也能充分發(fā)揮性能的透明導(dǎo)電性薄膜“SpiderNet”，并已經(jīng)從2011年12月開(kāi)始供貨。本文將對(duì)開(kāi)發(fā)的背景和開(kāi)發(fā)品的特點(diǎn)及特性加以介紹。

　　10英寸以下的產(chǎn)品中ITO占主流

　　現(xiàn)在，智能手機(jī)和平板終端等使用的10英寸以下的觸摸面板主要是靜電容量式，觸摸面板部采用作為獨(dú)立的外置部件提供的“分立型”（圖1）。這種觸摸面板主要分為在傳感器基板上使用ITO玻璃基板的類(lèi)型和使用ITO薄膜基板的類(lèi)型。“iPhone”等使用ITO玻璃基板，“iPad mini”使用ITO薄膜基板，市場(chǎng)目前分為樹(shù)脂膜和玻璃兩大領(lǐng)域。

　　圖1：基于觸摸面板截面構(gòu)造的分類(lèi)

　　目前以（a）分立型為主流，不過(guò)面向新一代產(chǎn)品，（b）玻璃蓋板一體型和（d）In-cell型的開(kāi)發(fā)也日趨活躍。

　　面向新一代產(chǎn)品，目前的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)包括在覆蓋產(chǎn)品機(jī)殼表面的玻璃蓋板上配備觸摸面板功能的“OGS（One Glass Solution）型”（也稱為玻璃蓋板一體型），以及在顯示部嵌入觸摸面板功能的“In-cell型”。OGS型方面，在整張化學(xué)強(qiáng)化玻璃蓋板上形成 ITO層，然后切割成單張的方式最有希望量產(chǎn)，但強(qiáng)化玻璃的切割方法及其成品率還存在問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)輕量化并降低成本，“OPS（One Plastic Solution）型”受到了關(guān)注。也就是用樹(shù)脂保護(hù)膜取代玻璃蓋板的動(dòng)向，后面將要提到的高耐熱樹(shù)脂膜就是候補(bǔ)之一。

　　In-cell型方面，“索尼的產(chǎn)品”將彩色濾光片基板上的防靜電ITO層用到了傳感器電極上，而美國(guó)蘋(píng)果公司為“iPhone5”采用了在TFT基板上形成X和Y兩個(gè)傳感器電極的自主方式。兩種方式均在觸摸面板和液晶面板中共用驅(qū)動(dòng)電路，所以需要同步觸摸面板和液晶面板的驅(qū)動(dòng)。因此，隨著產(chǎn)品尺寸的增大，顯示寫(xiě)入時(shí)間的比率增加，出現(xiàn)了難以確保觸摸檢測(cè)時(shí)間的課題。

　　尺寸增大，響應(yīng)性降低

　　除了這些課題外，畫(huà)面尺寸擴(kuò)大到10英寸以上后，材料方面也會(huì)出現(xiàn)課題。一是，目前的ITO傳感器電極的電阻變得過(guò)大，另一個(gè)是，電極數(shù)增加，邊框布線部分的面積增大。

　　靜電容量式觸摸面板為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，達(dá)到一定程度的位置精度，需要將傳感器電極的間隔由現(xiàn)在的6mm縮小至4～5mm左右。要想滿足 Windows 8的性能參數(shù)，需要5mm以下的線距。畫(huà)面尺寸一擴(kuò)大，傳感器電極的數(shù)量必然會(huì)增加。比如20英寸畫(huà)面的Windows 8性能參數(shù)，X傳感器電極和Y傳感器電極合計(jì)需要150條，布線也需要150條。為了盡量縮窄設(shè)置布線的邊框部，需要將布線的線寬/線距縮減至30μm /30μm左右，而且要盡量降低電阻值。

　　另外，作為靜電容量式觸摸面板透明導(dǎo)電膜所需特性的基礎(chǔ)要素，可以將傳感器電極端子間的電阻降至10k～15kΩ以下。這是供貨傳感器驅(qū)動(dòng)IC的半導(dǎo)體廠商的要求。

　　下面以圖2所示的棱形圖案的傳感器電極為例介紹一下這一要求的背景。該電路由電阻（R）和容量（C）兩部分構(gòu)成，電路的時(shí)間常數(shù)（信號(hào)上升時(shí)間）τ以τ＝R×C來(lái)表示。手指觸摸時(shí)的信號(hào)變化也根據(jù)該時(shí)間常數(shù)動(dòng)作，因此為了在信號(hào)檢測(cè)的容許時(shí)間（μs程度）內(nèi)檢測(cè)出信號(hào)，需要 R＝10k～15kΩ以下。圖2的棱形圖案中，傳感器電極端子間的電阻值為10kΩ時(shí)，可獲得面板尺寸與所需ITO膜薄膜電阻值的關(guān)系。

　　圖2：觸摸面板的尺寸及所需ITO膜的薄膜電阻值

　　廣泛應(yīng)用的ITO膜的薄膜電阻值為140Ω/□，不適合要求電阻值在100Ω/□以下的10英寸以上觸摸面板。

　　從該計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，10英寸用觸摸面板需要將ITO的薄膜電阻值抑制在100Ω/□左右，40英寸用大型觸摸面板需要20Ω/□的 ITO膜。當(dāng)然了，最終結(jié)果因傳感器的圖案形狀而異，不過(guò)這種關(guān)系是相同的。在市售的ITO/PET薄膜中，日東電工的140Ω/□產(chǎn)品是使用最廣泛的材料，100Ω/□產(chǎn)品尚處于樣品供貨階段。10英寸左右的觸摸面板也利用ITO和PET薄膜制作，不過(guò)是通過(guò)在長(zhǎng)邊傳感器電極的兩端取出布線電極來(lái)應(yīng)對(duì)。

　　而ITO玻璃在ITO成膜時(shí)可將玻璃基板加熱至近300℃，因此能比薄膜基板降低電阻，可獲得約20Ω/□左右的透明導(dǎo)電膜。不過(guò)，為降低電阻，需要增加ITO層的膜厚。所以，ITO特有的淡黃色很刺眼，形成圖案時(shí)露底＊現(xiàn)象比較明顯。即使是能以稍薄的膜厚利用的電阻，由于ITO層會(huì)產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致透射率降低，因此也不能使用。而玻璃基板較重，容易破損，大型化時(shí)不容易處理。也就是說(shuō)，大型觸摸面板適合使用薄膜基板。

　?。兜祝铰阊劭梢钥吹讲馁|(zhì)的變化。

　　開(kāi)發(fā)ITO的替代薄膜

　　由于以上原因，需要使用適合大型化的100Ω/□以下的透明導(dǎo)電膜，主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法（圖3）。①通過(guò)ITO成膜條件降低電阻、②采用ITO替代材料降低電阻。

　　圖3：大型觸摸面板用透明導(dǎo)電性薄膜的選擇

　　大型觸摸面板有兩個(gè)選擇：繼續(xù)使用ITO或者使用代替材料。

　　在采用ITO層降低電阻的方法中，需要像ITO玻璃一樣，將高耐熱性薄膜加熱到200℃以上形成ITO層。ITO層的透射率和露底現(xiàn)象可以通過(guò)層積光學(xué)調(diào)整層等方法解決。

　　高耐熱性透明薄膜如表1所示，已有多家公司推出產(chǎn)品，還有公司宣布可以形成薄膜電阻值為50Ω/□左右的ITO膜。

　　在1978年介紹ITO和PET薄膜的最初產(chǎn)品之后，各公司紛紛展開(kāi)了研究，但并未能大幅降低電阻值。ITO的導(dǎo)電性以載流子密度和遷移率的積表示，提高載流子密度的話，遷移率就會(huì)降低。所以，7×10-5Ω·cm左右就是極限了。因此，作為透明導(dǎo)電膜，還可以嘗試研究ITO以外的材料。

　　幾年前，因銦（In）金屬的資源枯竭問(wèn)題，ITO替代材料受到關(guān)注，對(duì)很多材料進(jìn)行了研究。目前的靜電容量式觸摸面板必須要降低電阻，因此 ITO的替代材料也必須能實(shí)現(xiàn)低電阻化。導(dǎo)電性高分子和碳納米管（CNT）涂布膜等難以降低電阻，所以被排除在外。能實(shí)現(xiàn)低電阻化的候補(bǔ)材料如表2所示，有銀納米線涂布膜、金屬網(wǎng)和石墨烯膜的薄膜。

　　涂布銀納米線的薄膜從美國(guó)Cambrios Technologies公司采購(gòu)原料銀納米線（產(chǎn)品名為“ClearOhm”），將其分散到粘合劑中，然后涂布到PET薄膜上制作而成。在日本，東麗及信越聚合物等4～5家公司宣布實(shí)現(xiàn)了薄膜化。通過(guò)使直徑數(shù)十nm、長(zhǎng)數(shù)十μ～數(shù)百μm的銀納米線互相接觸，利用其接點(diǎn)導(dǎo)電。提高所含的銀納米線數(shù)量的話，透射率會(huì)降低，但能提高導(dǎo)電性。圖4表示了透射率與薄膜電阻值的關(guān)系。

　　圖4：透明導(dǎo)電性薄膜的透射率與薄膜電阻值的關(guān)系

　　可以看出，利用銅網(wǎng)狀圖案的“SpiderNet”與部材相比薄膜電阻值小，透射率也比較高。（圖由觸摸面板研究所根據(jù)Cambrios Technologies公司和Synaptics公司的資料制作）

　　要想將其用于靜電容量式觸摸面板的傳感器薄膜，需要使導(dǎo)電層形成圖案，因而需要制作布線電極。在圖案化方面，采用濕法蝕刻的東麗開(kāi)發(fā)出了部分蝕刻法。通過(guò)蝕刻將銀納米線從涂布層完全洗掉的話，該部分的霧度值會(huì)發(fā)生變化，與未蝕刻部分的差是造成露底現(xiàn)象的原因。因此，部分蝕刻法通過(guò)選擇蝕刻條件，在導(dǎo)電性基本為零的情況下溶出部分銀納米線并去除。另外，信越聚合物開(kāi)發(fā)了干法刻蝕，還自己制作了觸摸面板。

　　銀網(wǎng)狀圖案薄膜方面，富士膠片以“XCLEAR”的名稱推出了利用自己擅長(zhǎng)的銀鹽照片技術(shù)開(kāi)發(fā)的面板。這是在PET薄膜上涂布鹵化銀層，直接曝光后顯影并定影，然后利用銀線制作網(wǎng)狀圖案的方法。銀線寬為8μm左右。能以卷對(duì)卷方式制作雙面圖案薄膜。

　　通過(guò)印刷法利用銀墨水制作網(wǎng)狀圖案的，是郡是公司的“DPT（Direct Printing Technology）”。為了進(jìn)行印刷，線寬比較寬，為20μm左右。

　　美國(guó)3M公司雖然沒(méi)有公布制作方法，但宣布能以3μm的線寬制作銀網(wǎng)狀圖案。3μm線寬的話，已經(jīng)達(dá)到肉眼看不到的水平，可以實(shí)現(xiàn)“真正的”透明導(dǎo)電膜。

　　石墨烯薄膜尚處于研究階段，實(shí)用化還比較遙遠(yuǎn)，單獨(dú)的膜有望實(shí)現(xiàn)高透射率。但將石墨烯膜設(shè)置在PET薄膜上的話，會(huì)影響PET薄膜的透射率，因此透射率會(huì)降低10％左右，估計(jì)最終與銀納米線基本相同。

　　選擇銅/PET薄膜

　　基于以上研究，觸摸面板研究所的研究人員認(rèn)為，要想解決觸摸面板大型化造成的透明導(dǎo)電性薄膜課題，在PET薄膜上形成金屬網(wǎng)層的方法最合適，于是從 2009年起展開(kāi)了開(kāi)發(fā)。金屬材料采用易采購(gòu)、成本低、易加工的銅膜。這種方式制作的透明導(dǎo)電性薄膜被命名為“SpiderNet”。

　　制作網(wǎng)狀圖案需要縮窄網(wǎng)格的線寬，因此采用了光刻法。另外，考慮到低成本量產(chǎn)性，選擇了能用卷對(duì)卷方式處理的干膜法。

　　銅/PET薄膜采用銅膜厚2μm的蒸鍍薄膜。由于銅膜呈紅色，原以為需要實(shí)施黑化處理，但縮小線寬的話就基本看不到了，所以無(wú)需在意顏色。使用濕法蝕刻的初期階段產(chǎn)品，線寬為10μm左右。這個(gè)寬度的話，仔細(xì)看能看到?？s小銅線寬度后，銅與PET之間的粘著力會(huì)下降，容易剝落。因此，在蝕刻后連續(xù)涂布了透明保護(hù)層。

　　圖5為網(wǎng)狀圖案示例。傳感器部以1～2mm的間距設(shè)置了多條細(xì)銅線。結(jié)合這些細(xì)銅線形成一個(gè)傳感器，與布線電極連接。該傳感器以5～6mm 的間距配置。X傳感器薄膜與Y傳感器薄膜分別設(shè)置，利用光學(xué)粘合劑（OCA）粘合。制作的觸摸面板從正面看有格子狀的圖案。

　　圖5：采用銅網(wǎng)狀圖案方式透明導(dǎo)電性薄膜的觸摸面板構(gòu)造

　　在PET薄膜上繪制X、Y傳感器線（a）。利用OCA粘貼X、Y傳感器薄膜（b）。

　　即使細(xì)銅線有一根斷了，只要剩余的銅線是好的，傳感器就能正常工作，所以采用了一個(gè)傳感器由多條細(xì)銅線形成的圖案。如果用細(xì)銅線網(wǎng)形成 ITO膜常用的棱形圖案的話，在棱形間的狹小連接部，連接的銅線數(shù)量減少，萬(wàn)一斷了，傳感器將無(wú)法工作?？赡軙?huì)導(dǎo)致成品率降低，因此此次未予采用。

　　制作的觸摸面板的透射率由細(xì)銅線的面積占有率決定，可以得出圖4所示的透射率與薄膜電阻值的關(guān)系。不過(guò)，在網(wǎng)狀圖案中，電阻適合以傳感器兩端間的電阻表示，不適合用薄膜電阻值討論。300mm長(zhǎng)的傳感器兩端間的電阻只有約50Ω，非常低。此次的銅網(wǎng)狀圖案方式與ITO薄膜和銀納米線涂布薄膜等相比，可將電阻值減小一位數(shù)以上。

　　可利用卷對(duì)卷工藝 銅網(wǎng)狀圖案方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可解決觸摸面板的大型化課題——降低布線電阻。在銅網(wǎng)狀圖案中，蝕刻銅膜時(shí)除了傳感器部分外，布線部分也能利用低電阻銅膜形成圖案。其線寬/線距可實(shí)現(xiàn)10μm/10μm。

　　圖6是利用銅網(wǎng)狀圖案方式透明導(dǎo)電性薄膜制作觸摸面板的工序。這里比較了利用ITO玻璃基板生產(chǎn)玻璃蓋板一體型觸摸面板的工序，以及利用 ITO、PET薄膜基板和銀納米線膜、PET薄膜基板等生產(chǎn)分立型觸摸面板的工序。利用玻璃基板的工序需要三道光刻工序和兩道成膜工序。利用ITO、 PET薄膜的工序需要一道光刻工序和一道布線印刷工序。

　　圖6：銅網(wǎng)狀圖案方式與其他方式觸摸面板的制造工序比較

　　銅網(wǎng)狀圖案方式的電極安裝工序少，能以卷對(duì)卷工藝制造，因此可降低制造成本。

　　而銅網(wǎng)狀圖案方式只需要一道光刻工序即可形成傳感器和布線。而且，該工序的優(yōu)點(diǎn)是可利用卷對(duì)卷工藝形成。

　　能自由彎折和纏繞 利用銅網(wǎng)狀圖案方式制作的觸摸面板的靈敏度取決于X傳感器電極和Y傳感器電極的電極間隔。該電極間隔在0.3～3mm間變化時(shí)的靈敏度如圖7所示，即使間隔擴(kuò)大，靈敏度的降幅也很小。間隔變小的話，可能是因?yàn)閄、Y傳感器電極的交點(diǎn)增加，導(dǎo)致寄生電容增加，靈敏度的增幅也比較小。另外，由于銅線的面積占有率增加，透射率也會(huì)降低。

　　圖7：基于細(xì)銅線線距的靈敏度變化

　　即使擴(kuò)大線距，靈敏度的降幅也較小，縮窄線距時(shí)的靈敏度升幅也不太大。

　　在銅網(wǎng)狀圖案透明導(dǎo)電性薄膜上粘貼玻璃蓋板時(shí)，靈敏度會(huì)隨著玻璃厚度而變化。圖8中的實(shí)線表示玻璃蓋板厚度在0～3mm間變化時(shí)的結(jié)果。由于業(yè)界普遍認(rèn)為玻璃蓋板厚度造成的靈敏度降幅比公開(kāi)的ITO膜棱形圖案觸摸面板小，為了調(diào)查個(gè)中緣由，我們實(shí)施了計(jì)算機(jī)模擬。

　　圖8：玻璃蓋板厚度依賴性

　　本圖將增加玻璃蓋板厚度時(shí)的靈敏度變化進(jìn)行了系統(tǒng)顯示。虛線通過(guò)右圖進(jìn)行模型化后，顯示了計(jì)算結(jié)果。

　　在手指與平板型傳感器的構(gòu)造中，靜電容量以C＝εS/d來(lái)表示，在網(wǎng)狀電極與手指的構(gòu)造中，靜電容量以C＝2πεL /In（2d/b）來(lái)表示。假設(shè)S為1cm見(jiàn)方，網(wǎng)狀電極的形狀為在1cm見(jiàn)方的面積中，在X、Y傳感器電極上各排列10條b＝8μm寬的細(xì)銅線。此時(shí)，當(dāng)電極與手指的間隔d只有不到約0.5mm時(shí)，平板型傳感器構(gòu)造的容量值較大，而d擴(kuò)大到0.5mm以上時(shí)，網(wǎng)狀構(gòu)造傳感器的容量值較大。我們的銅網(wǎng)狀圖案SpiderNet薄膜對(duì)靈敏度的依賴性與網(wǎng)狀電極的模擬結(jié)果相似。

　　銅/PET薄膜原來(lái)在FPC（Flexible Printed Circuits）等用途廣為人知，可彎折性出色。因此，我們測(cè)量了將SpiderNet薄膜纏繞在細(xì)棍上時(shí)的電阻變化（圖9）。在180度彎折的狀態(tài)（纏在直徑0㎜的棍上時(shí)）下未發(fā)現(xiàn)電阻增加，因此判定其具備出色的可彎折性。

　　圖9：銅網(wǎng)狀圖案方式透明導(dǎo)電性薄膜的彎曲特性

　　即使完全彎曲，電阻值也不會(huì)發(fā)生變化。

　　這種出色的可彎折性將擴(kuò)大觸摸面板的新用途。比如無(wú)框觸摸面板、卷繞式觸摸面板。

　　無(wú)框觸摸面板是指，把與普通顯示器在同一平面上的布線部分設(shè)置到顯示器側(cè)面或顯示器背面，在與顯示器相同的平面內(nèi)只設(shè)置傳感器部分的構(gòu)造。圖10（a）就是這種模式的樣品。在顯示器的邊角將觸摸面板彎曲成90度，把X、Y傳感器電極用布線配置在側(cè)面。已經(jīng)確認(rèn)在這種狀態(tài)下可進(jìn)行多點(diǎn)觸控操作。

　　圖10：能隨意彎曲和纏繞

　　通過(guò)將布線部分設(shè)置到顯示器側(cè)面，可大幅削減面板的邊框部分（a）。還可以纏繞，因此能作為纏繞式或與有機(jī)EL面板組合的方式使用（b）。

　　卷繞式觸摸面板如圖10（b）所示，將其卷繞在直徑3cm左右的圓柱上收納起來(lái)，在需要的時(shí)候拉出來(lái)使用。這種卷繞式觸摸面板適合制作卷繞式有機(jī)EL顯示器。

　　耐久性也無(wú)問(wèn)題

　　銅的離子化傾向比銀高，容易氧化。但在常溫下，銀容易在有電場(chǎng)的狀態(tài)下產(chǎn)生遷移。因此，我們對(duì)采用SpiderNet的觸摸面板實(shí)施了耐久性試驗(yàn)。

　　我們實(shí)施了電阻膜式觸摸面板的普通試驗(yàn)——高溫保持、低溫保持、高溫高濕保持、溫度循環(huán)試驗(yàn)。表3是試驗(yàn)結(jié)果。得出的結(jié)論是，在目前的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，無(wú)論是外觀上還是性能上都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何變化。這些是沒(méi)有電場(chǎng)的試驗(yàn)，今后需要調(diào)查加載電場(chǎng)時(shí)的情況。

　　SpiderNet的課題與未來(lái)

　　如上所述，銅網(wǎng)狀圖案在特性、成本和耐久性方面均超越了此前的ITO膜。用戶在聽(tīng)到金屬網(wǎng)時(shí)最擔(dān)心的是裸眼能看到網(wǎng)格。

　　的確，在開(kāi)發(fā)初期銅線寬為10μm左右時(shí)，仔細(xì)觀察面板的話有時(shí)會(huì)看到網(wǎng)格。但通過(guò)利用干式薄膜法，并改進(jìn)曝光，現(xiàn)在已經(jīng)試制出了線寬為 4μm的細(xì)銅線。線寬在5μm以下的話，就很難裸眼看到銅線，能實(shí)現(xiàn)“真正的”透明導(dǎo)電膜。銅網(wǎng)狀圖案方式的觸摸面板已經(jīng)到達(dá)這個(gè)階段（圖11）。因此，不僅是大型面板，還可以用于無(wú)框平板終端的觸摸面板。

　　圖11：通過(guò)縮小細(xì)銅線寬度，裸眼看不到圖案

　　線寬降到5μm以下的話，裸眼就看不到了。在試制水平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4μm，達(dá)到了裸眼看不到的水平。

　　將網(wǎng)狀圖案重疊在液晶顯示器上時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生波紋。這是網(wǎng)狀圖案與顯示器的像素圖案因干擾而產(chǎn)生彩虹斑紋的現(xiàn)象。采用使網(wǎng)狀圖案相對(duì)于像素圖案傾斜的圖案，或者采用波狀圖案可以防止波紋產(chǎn)生。

　　另外，在玻璃蓋板上形成銅網(wǎng)狀圖案的OGS型觸摸面板以及將玻璃蓋板換成樹(shù)脂的OPS型觸摸面板也正在開(kāi)發(fā)中。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)10月《觸控技術(shù)特刊》“透視新設(shè)計(jì)欄目”，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！