浅谈如何利用廉价的铜布线实现大尺寸触摸面板(一)

2013-10-08 13:22:05来源: 互联网

如今,触摸面板是平板终端和智能手机不可或缺的输入装置。随着2012年秋季“Windows 8”的亮相,触摸面板还开始用作个人电脑的用户界面(UI)。在日本的购物中心等,层指南和Table PC等出现了采用30英寸以上大型触摸面板显示器的趋势。这个领域被称作数字标牌,市场在不断扩大之中。触摸面板的用途日益扩大,预计带触摸面板的显示器在日本的市场规模2015年前后将超过2万亿日元。

  不过,大型触摸面板在成本和性能方面存在技术课题。触摸面板研究所通过在PET薄膜基板上形成铜布线,开发出了10英寸以上的产品也能充分发挥性能的透明导电性薄膜“SpiderNet”,并已经从2011年12月开始供货。本文将对开发的背景和开发品的特点及特性加以介绍。

  10英寸以下的产品中ITO占主流

  现在,智能手机和平板终端等使用的10英寸以下的触摸面板主要是静电容量式,触摸面板部采用作为独立的外置部件提供的“分立型”(图1)。这种触摸面板主要分为在传感器基板上使用ITO玻璃基板的类型和使用ITO薄膜基板的类型。“iPhone”等使用ITO玻璃基板,“iPad mini”使用ITO薄膜基板,市场目前分为树脂膜和玻璃两大领域。

  图1:基于触摸面板截面构造的分类

  目前以(a)分立型为主流,不过面向新一代产品,(b)玻璃盖板一体型和(d)In-cell型的开发也日趋活跃。

  面向新一代产品,目前的开发趋势包括在覆盖产品机壳表面的玻璃盖板上配备触摸面板功能的“OGS(One Glass Solution)型”(也称为玻璃盖板一体型),以及在显示部嵌入触摸面板功能的“In-cell型”。OGS型方面,在整张化学强化玻璃盖板上形成 ITO层,然后切割成单张的方式最有希望量产,但强化玻璃的切割方法及其成品率还存在问题。为解决该问题,实现轻量化并降低成本,“OPS(One Plastic Solution)型”受到了关注。也就是用树脂保护膜取代玻璃盖板的动向,后面将要提到的高耐热树脂膜就是候补之一。

  In-cell型方面,“索尼的产品”将彩色滤光片基板上的防静电ITO层用到了传感器电极上,而美国苹果公司为“iPhone5”采用了在TFT基板上形成X和Y两个传感器电极的自主方式。两种方式均在触摸面板和液晶面板中共用驱动电路,所以需要同步触摸面板和液晶面板的驱动。因此,随着产品尺寸的增大,显示写入时间的比率增加,出现了难以确保触摸检测时间的课题。

  尺寸增大,响应性降低

  除了这些课题外,画面尺寸扩大到10英寸以上后,材料方面也会出现课题。一是,目前的ITO传感器电极的电阻变得过大,另一个是,电极数增加,边框布线部分的面积增大。

  静电容量式触摸面板为实现多点触控,达到一定程度的位置精度,需要将传感器电极的间隔由现在的6mm缩小至4~5mm左右。要想满足 Windows 8的性能参数,需要5mm以下的线距。画面尺寸一扩大,传感器电极的数量必然会增加。比如20英寸画面的Windows 8性能参数,X传感器电极和Y传感器电极合计需要150条,布线也需要150条。为了尽量缩窄设置布线的边框部,需要将布线的线宽/线距缩减至30μm /30μm左右,而且要尽量降低电阻值。

  另外,作为静电容量式触摸面板透明导电膜所需特性的基础要素,可以将传感器电极端子间的电阻降至10k~15kΩ以下。这是供货传感器驱动IC的半导体厂商的要求。

  下面以图2所示的棱形图案的传感器电极为例介绍一下这一要求的背景。该电路由电阻(R)和容量(C)两部分构成,电路的时间常数(信号上升时间)τ以τ=R×C来表示。手指触摸时的信号变化也根据该时间常数动作,因此为了在信号检测的容许时间(μs程度)内检测出信号,需要 R=10k~15kΩ以下。图2的棱形图案中,传感器电极端子间的电阻值为10kΩ时,可获得面板尺寸与所需ITO膜薄膜电阻值的关系。

  图2:触摸面板的尺寸及所需ITO膜的薄膜电阻值

  广泛应用的ITO膜的薄膜电阻值为140Ω/□,不适合要求电阻值在100Ω/□以下的10英寸以上触摸面板。

  从该计算结果可以发现,10英寸用触摸面板需要将ITO的薄膜电阻值抑制在100Ω/□左右,40英寸用大型触摸面板需要20Ω/□的 ITO膜。当然了,最终结果因传感器的图案形状而异,不过这种关系是相同的。在市售的ITO/PET薄膜中,日东电工的140Ω/□产品是使用最广泛的材料,100Ω/□产品尚处于样品供货阶段。10英寸左右的触摸面板也利用ITO和PET薄膜制作,不过是通过在长边传感器电极的两端取出布线电极来应对。

  而ITO玻璃在ITO成膜时可将玻璃基板加热至近300℃,因此能比薄膜基板降低电阻,可获得约20Ω/□左右的透明导电膜。不过,为降低电阻,需要增加ITO层的膜厚。所以,ITO特有的淡黄色很刺眼,形成图案时露底*现象比较明显。即使是能以稍薄的膜厚利用的电阻,由于ITO层会产生干扰,从而导致透射率降低,因此也不能使用。而玻璃基板较重,容易破损,大型化时不容易处理。也就是说,大型触摸面板适合使用薄膜基板。

  *露底=裸眼可以看到材质的变化。

开发ITO的替代薄膜

  由于以上原因,需要使用适合大型化的100Ω/□以下的透明导电膜,主要有两种实现方法(图3)。①通过ITO成膜条件降低电阻、②采用ITO替代材料降低电阻。

  图3:大型触摸面板用透明导电性薄膜的选择

  大型触摸面板有两个选择:继续使用ITO或者使用代替材料。

  在采用ITO层降低电阻的方法中,需要像ITO玻璃一样,将高耐热性薄膜加热到200℃以上形成ITO层。ITO层的透射率和露底现象可以通过层积光学调整层等方法解决。

  高耐热性透明薄膜如表1所示,已有多家公司推出产品,还有公司宣布可以形成薄膜电阻值为50Ω/□左右的ITO膜。

  在1978年介绍ITO和PET薄膜的最初产品之后,各公司纷纷展开了研究,但并未能大幅降低电阻值。ITO的导电性以载流子密度和迁移率的积表示,提高载流子密度的话,迁移率就会降低。所以,7×10-5Ω·cm左右就是极限了。因此,作为透明导电膜,还可以尝试研究ITO以外的材料。

  几年前,因铟(In)金属的资源枯竭问题,ITO替代材料受到关注,对很多材料进行了研究。目前的静电容量式触摸面板必须要降低电阻,因此 ITO的替代材料也必须能实现低电阻化。导电性高分子和碳纳米管(CNT)涂布膜等难以降低电阻,所以被排除在外。能实现低电阻化的候补材料如表2所示,有银纳米线涂布膜、金属网和石墨烯膜的薄膜。

  涂布银纳米线的薄膜从美国Cambrios Technologies公司采购原料银纳米线(产品名为“ClearOhm”),将其分散到粘合剂中,然后涂布到PET薄膜上制作而成。在日本,东丽及信越聚合物等4~5家公司宣布实现了薄膜化。通过使直径数十nm、长数十μ~数百μm的银纳米线互相接触,利用其接点导电。提高所含的银纳米线数量的话,透射率会降低,但能提高导电性。图4表示了透射率与薄膜电阻值的关系。

  图4:透明导电性薄膜的透射率与薄膜电阻值的关系

  可以看出,利用铜网状图案的“SpiderNet”与部材相比薄膜电阻值小,透射率也比较高。(图由触摸面板研究所根据Cambrios Technologies公司和Synaptics公司的资料制作)

  要想将其用于静电容量式触摸面板的传感器薄膜,需要使导电层形成图案,因而需要制作布线电极。在图案化方面,采用湿法蚀刻的东丽开发出了部分蚀刻法。通过蚀刻将银纳米线从涂布层完全洗掉的话,该部分的雾度值会发生变化,与未蚀刻部分的差是造成露底现象的原因。因此,部分蚀刻法通过选择蚀刻条件,在导电性基本为零的情况下溶出部分银纳米线并去除。另外,信越聚合物开发了干法刻蚀,还自己制作了触摸面板。

  银网状图案薄膜方面,富士胶片以“XCLEAR”的名称推出了利用自己擅长的银盐照片技术开发的面板。这是在PET薄膜上涂布卤化银层,直接曝光后显影并定影,然后利用银线制作网状图案的方法。银线宽为8μm左右。能以卷对卷方式制作双面图案薄膜。

  通过印刷法利用银墨水制作网状图案的,是郡是公司的“DPT(Direct Printing Technology)”。为了进行印刷,线宽比较宽,为20μm左右。

  美国3M公司虽然没有公布制作方法,但宣布能以3μm的线宽制作银网状图案。3μm线宽的话,已经达到肉眼看不到的水平,可以实现“真正的”透明导电膜。

  石墨烯薄膜尚处于研究阶段,实用化还比较遥远,单独的膜有望实现高透射率。但将石墨烯膜设置在PET薄膜上的话,会影响PET薄膜的透射率,因此透射率会降低10%左右,估计最终与银纳米线基本相同。

关键字:铜布线  大尺寸  触摸面板

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1008/article_19801.html
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