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新技术拓宽触控屏幕更多的机会

来源:投影时代 更新日期:2017-05-19 作者:Andrew Morrison 博士

    投影式电容触控屏幕市场正在悄然发生变革。快速的行业发展不断提供更纤薄、更高效能、更可靠且成本较低的触摸屏。在这些发展中背后的主要动力是 ITO(氧化铟锡), 这种主要用于手机和平板计算机触摸屏的导电材料存在诸多局限性,因此将被替代材料所取代。ITO 从未被广泛使用于大尺寸 AV 和 kiosk 的应用上,但有一些正在开发中的技术将取代 ITO, 这些新技术将会被用于上述应用当中。

    使用者应透彻了解所选触摸屏内使用的基础材料,因为该材料会对产品外观产生重大差异,最重要的是会显著影响效能。科技的使用有时在某一种应用中可能是非常有效的技术, 但是, 当被用于另一种应用中,则可能存在严重局限性。在本文中,我们的目标是,透过检阅六项替代材料技术并研究它们各自的优势与不足,协助使用者做出明智选择。我首先会探讨在某些应用中 ITO 被取代的原因,并继续研究替代方案。

    为何要舍弃 ITO?

    投影电容触控式技术变革背后的一个关键驱动因素是,转移至将触控功能集成到 LCD 面板本身(「内嵌式」技术),从而无需单独的触摸屏面板(分立触控面板)。 做到这一点后,就可生产出更容易集成的更薄更轻的触控装置。光学效能及亮度也可 透过缩减 LCD 与使用者之间的距离和层数而获得改善。

    但是,制造「内嵌式」触摸屏的流程仍朝向更完善的目标发展当中,因此它们在 业界被广泛采用受到了限制。结果, ITO 导体的分立投影式触控屏幕面板仍旧是主要 被使用的技术,至少在智能型手机、平板计算机及可穿戴式设备中仍是如此,但它随着 显示尺寸增加超过 20 寸就会存在诸多缺陷,主要是因为其相对较高的电阻会妨碍效 能,并使其成为不适合某些应用的材料。

    那么,哪些导电材料可用于较大尺寸的触摸屏呢?目前有三种主要的材料技术处 于领先地位:铜微线 (Copper Micro Wires)、银金属网格 (Silver Metal Mesh) 和奈米银线 (Silver Nano Wires),还有其他三种:奈米碳管 (Carbon Nanobuds)、导电聚合物 (Conductive Polymers) 和石墨烯 (Graphene),它们全都处于开发初期并可能在未来几年 上市。我们将探讨前五种材料技术的四个主要参数:经济性、阻抗、可见度和可用 性;还会探讨石墨烯,石墨烯处于开发初期,目前尚未市售。

    经济性

    考虑到触摸屏的成本时,关键问题包括初始加工成本及持久材料寿命要求等等。 不需开模(光罩)而直接写入基材的技术基本上不需要加工,并可更便宜地进行小批量生 产。若需要开模或其他加工,则会限制小批量生产不同尺寸能力的灵活度,但有潜力 对标准尺寸提供较大批量的生产。

    在加工方面,铜微线具有延展性优势。电极可以直接写入基材,不需雷射、开模/化学 物质/蚀刻或加工。奈米银线可以透过雷射剥离法进行一定程度的客制,但还需要额外 制程来将边界的导体连接至控制器。导电聚合物透过网版印刷应用起来相对简单,但 是,它们需要在丝网印刷阶段或者在蚀刻或雷射处理之后再作 pattern (制作图腾)。 相比之下,银金属网格技术是在材料来源上制作图腾 (pattern),因此需提前指定传感 器的尺寸。这会让每个传感器设计产生 1 万至 2 万美元的加工费用,具体取决于屏幕 大小。碳奈米芽 (Carbon NanoBuds) 的沉积程序很复杂,需使用「奈米芽反应器」 (NanoBud Reactor) 然后再使用雷射制图工艺来制作电极。

    制造成本的另一个关键因素是所需层数。铜微线可以绝缘,因此 x 和 y 电极可以在单 层中形成。封装绝缘还可以防止材料氧化,但在暴露于高温高湿度下时会大大降低触 控式屏幕的效能。奈米银线、金属网格和导电聚合物传感器结构一般需要两层或多层 来绝缘(x 和 y)导体,从而增加单层设计上的材料内容。碳奈米芽也是一种两层技 术。另外还必须小心防止湿气进入材料,否则可能导致上述氧化及触摸屏幕故障。

    阻抗

    触摸屏阻抗是决定触控灵敏度或「讯噪比」(SNR) 的一个关键因素。较高电阻材料 会限制流经导体的电流量,使其更难正确地找出,来自显示屏幕、电源或其他周边电 子产品周围环境干扰 (EMI) 产生的误触控事件。显然,这一阻抗对较大尺寸触控式萤 幕的影响更大,特别是在需要多点触控、防误触和近距感测(在手指实际与屏幕接触 前识别触控)等功能时。

    如上所述,ITO 因其相对高的阻抗(每平方约 100Ω)而仅限用于较小的触摸屏; 因此,大多数使用此材料的触摸屏小于约 22 寸,超出此尺寸将存在显著的效能限 制。奈米银线具有比 ITO(PET 薄膜基材上每平方约 30 - 50 Ω)更好的电阻。因此,使 用此技术的投影电容触控式传感器可扩展至约 42 寸(再次重申:超出此尺寸将限制触 控效能)。银金属网格具有每平方约 15 Ω 至 30 Ω 的较低电阻,因此能用于尺寸达约 65 寸的触摸屏。铜微线提供每平方约 5 Ω 或更低的最低电阻,并可用于建立尺寸 远超 100 寸的巨大储控屏幕。另外,极低电阻还提供最佳的讯噪比,使触摸屏能 侦测对很厚的面板玻璃甚至穿戴手套时进行的触控,而无需在高电压下驱动电子装置 或使用多个连接控制器并排显示屏幕(替代材料技术这使用两种巧妙方法实现大尺寸 触摸屏)。

    可见性

    所有分立面板投影电容技术包括在用户和屏幕之间引入一定的材料元素,以对图像 产生一定的光学差别(无论多小)。透过采用铜微线技术,10um 导体网格可见,尤其 是在关闭显示时。这就是说,光透射性很出色,并且在运用任何抗反射处理前处于 90% 的范围内。相比之下,奈米银线和银金属网格技术可以建立可见度略低的导电轨 (5-10um 范围的金属网格);但是,奈米线和导电聚合物涂层可在整个屏幕上产生轻 微的偏色或蒙笼感,以及约只有 85% 的透光度。

    可用性及使用寿命 少数专业制造商生产铜微线触控式传感器已近 20 年,该传感器是一款成熟的投影电容 触控式技术,适用于最严酷环境中的大尺寸屏幕。过去几年来,银金属网格和银线触控 式技术已快速成为主流,其中,许多制造商负责安装必要印刷及雷射 pattern (制作图 腾)设备。在触摸屏产业,这两种技术相对新颖,意味着它们的长期可靠性尚未证 实,尤其是关于在暴露于户外颇具挑战性的应用中的温度及湿度下其电阻(及触控效 能)会如何变化。

    石墨烯

    即将到来的是一种可能改变游戏规则的新型触摸屏材料技术:采用石墨烯的形 式。石墨烯最初于 2004 年在曼彻斯特大学被发现,此后有陆续发布关于其强度、透明 性和导电性的可喜成果,但开发仍处于起步阶段。石墨烯沉积为一个原子厚度的碳分 子,将类似的低电阻结合到铜微线,具有「不可见」导体的潜力。然而,尽管具有适 合作为投影电容触摸屏材料的潜力,但这种令人兴奋的新技术还适合其他许多应 用,例如水净化、电池和太阳能电池;大多数开发商目前仍将工作重点放在这些方 面,在开发路线图上,触摸屏使用率要低得多。

    更远大的愿景 总之,投影电容触摸屏并不存在「完美的」导电材料,设计师应不断寻找效能、 光学、耐用性、可扩展性和可靠性的最佳组合,以适合其触摸屏应用。手机及平 板计算机触摸屏的全球市场令商业 AV 市场相形见绌,Touch Display Research Inc. 估 计 ITO 替代市场可能在 2023 年前达到 130 亿美元。因此,新的触控屏幕材料开发必然 会专注于这一巨大市场。但是,这个方面的投资几乎肯定会给商业与工业市场带来诸多利益。

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