2012觸控面板產業市場與技術發展－創易分享

	2012-03-21

文／張佳瑩(3M 高階技術服務工程師) 觸控面板在智慧型手機與平板電腦上有大量的應用，如此蓬勃的市場也促使了許多觸控技術的發展。不只是觸控面板廠，許多面板廠及終端廠商都希望能藉由垂直整合以進入市場，來達到提升獲利的目標。大尺寸與中小尺寸的觸控技術各有千秋，中小尺寸更因為消費性市場的潛力，使得投射電容式觸控技術成為大家努力研發的方向；越薄的觸控元件疊構厚度技術更無非是萬中選一，有可能成為未來觸控技術的主流。市場發展早在十幾年前觸控面板已經開始應用在大尺寸的領域，比如說自動提款機（ATM）、賭博機台、點菜機（POS），以及數位互動電子看板等等。然而大尺寸的應用市場畢竟有限，無法像消費性電子市場一樣瞬間改變人們的使用習慣。以過去各式觸控技術在市場上的佔有率而言，電阻式觸控一向是市場主流，然而自從蘋果公司在觸控市場中投下一個震撼彈之後，投射電容式觸控面板的市佔率便以驚人的滲透速度成長；有觸控功能的智慧型手機頓時變成人人手中必備的一項消費性產品，尤其蘋果的觸控面板供應商也成為了消費性電子市場中耀眼的一顆星。而PC市場也將成為目前觸控技術增長最迅速的領域。就觸控面板尺寸的市佔率而言，12吋以下的電阻式與投射電容式技術為主流技術，彼此互相競爭，相互消長。在單價價位較高的智慧型手機市場則是以電容式觸控為主流。12吋以上則是以表面式電容、光學式，以及投射式電容為主要技術。觸控點數也從過去的單點式觸控，慢慢演變為兩點式觸控，甚至有多於十點的觸控技術問世，觸控技術人機介面演進模式如圖1所示。圖1：人機介面進步模式資料來源： 3M，2012／2 在投射電容式的市場中，投入的業者非常眾多，技術層次也很多元化，伴隨來的商業模式也很多變。除了最基本的觸控面板業者為品牌廠的供應商之外，觸控模組業者也可和感測元件製造商以及IC業者合作，以提供規格更好的觸控模組。就蘋果公司而言，觸控模組中的重要元件會直接指定特定供應商，再由模組貼合廠進行模組組裝。而OEM與面板廠同時也希望能夠將整個供應鏈進行整合。在如此多變的商業模式下，各家業者的競爭規模也巨大。潛在的市場吸引了各家觸控面板業者及面板業者的加入。藉由改善智慧型手機與平板電腦所使用面板的輕薄性、製程簡單化，以及使用材料減少等，都是能夠降低成本提升獲利的主要原因。且因應競爭市場的需求，規格只能向上提升，而價格卻不斷的向下走低。如何找到一個規格好價格又低的觸控技術，是各家努力的方向。觸控技術 SID（Society Information Display）依照觸控面板整合疊構的不同，將觸控技術分為三種，分別是「Out-Cell」、「On-Cell」以及「In-Cell」。「Out-Cell」意指為將觸控面板外掛在液晶面板外，其技術可包含電阻式觸控、紅外線式觸控、波動式觸控、光學式觸控，以及電容式觸控技術等，如圖2所示。在大尺寸或小尺寸面板組裝的方式不同，大尺寸觸控面板的組裝主要是用泡綿膠帶（VHB）在LCD面板的四周圍外框以口字膠的方式貼合；小尺寸觸控面板主要是用光學膠（OCA）做直接貼合（direct bonding）。簡單來說，觸控面板與液晶面板是分開的兩個硬體，必須使用膠進行貼合。圖2：Out-cell 觸控技術種類以及結構資料來源： 3M，2012／2 而「On-Cell」意指為將觸控的感測元件（touch sensor）製作在液晶面板中彩色濾光片的上面，觸控元件主要為ITO的x；y陣列，為電容式觸控。另外在「In-Cell」的部分，是將觸控的感測元件製作在液晶盒（LCD cell）裡，如圖3所示，感測元件可為光感測、感壓式電容感測（pressed capacitive）、感壓式電阻元件（pressed resistive）。圖3：On Cell與In Cell的疊構比較資料來源： 3M，2012／2 （1）光學式觸控技術在大尺寸觸控面板的消費性電子市場，如All-in-one PC，至今並沒有明確的主流觸控技術，但就市場的普遍性、技術發展性考慮下，以投射電容式觸控技術是最有可能成為下一代的主流。雖然早期在All-in-one PC的觸控技術以光學式較為普遍，但是由於投射電容式技術可以達到全平面，即不需螢幕前框的設計，且以觸控點的支援數目而言，投射電容式技術有較大的發展空間能支援到二十點以上的觸控能力，此項優點遠遠超越光學式觸控技術。光學式觸控原理是利用螢幕角落中的image sensor擷取觸控點位置的影像，如圖4所示，而此影像是利用在image sensor影像場內的遠紅外線光源造就的觸控陰影影像分析而得。光學式觸控技術的優點是容易製作到大尺寸，且成本較低也能達到真實的多點觸控。然而由於需要面板前框以裝置image sensor以及遠紅外線光源，以至於無法達到全平面的觸控面板設計，而前框的厚度則是取決於image sensor的高度。另外在靠近面板的四個角落處的觸控精準度也是一項問題，這在Windows的作業系統操作下，通常會需要多次反覆的觸控才能達到正確的位置回報，這對於觸控使用者經驗將會是一項負面的影響。圖4：光學式觸控資料來源： 3M，2012／2 （2）投射電容式觸控技術投射電容式觸控技術不只使用在大尺寸面板，在中小尺寸面板如智慧型手機以及平板電腦的應用市場更是大勢所趨。投射式觸控的感應元件是利用兩層導電層（ITO）的矩陣排列貼合後構成，當手指或是導電筆接觸到電極的時候，會影響且改變電極上的電容值。藉由電子元件量測產生的電容值或是電容值改變量，再轉換成為x y座標以回報至操作系統端。有兩種訊號量測的方式，一種是自感式（self capacitance），另一種為互感式（mutual capacitance），如圖5所示。圖5：電容式觸控技術原理資料來源： 3M，2012／2 （a）自感電容式掃描（Self Capacitance）自感電容式的量測原理主要是將每個獨立的電極接地，IC能夠掃描每個獨立的電極，以及量測其接地電流值。當觸控產生時，由於偶合效應造成的電流可由手指提供的另一道通路而接地，電流值增加，IC進而換算成觸控點的位置，如圖6所示。 (左)圖6：自感電容式量測方式 (右)圖7：ITO導電層圖樣（自感式）資料來源： 3M，2012／2 其電極的圖樣有以下兩種概念，一種為各自獨立的電極片平均分布在觸控主動區域內，每一個電極片都與電位相對低點連接。另一種為x方向與y方向垂直交叉的電極分布，如圖7所示。每一個電極都透過電子元件連接而獨立的定位在區域內。此種掃描方式也能夠達到多點觸控，但是前提是必須每個獨立的電極皆個別的連接到控制元件，但是當尺寸越來越大會遇到實施的困難性，所以目前一般都針對3.5吋以下的市場。在x與y的電極陣列中，雖然每個電極的交叉點可定位空間位置，但是由於電子元件無法同時量測每個電極交叉點，只能夠單獨分次的量測每個電極，因此當觸控主動區中有兩個觸控點產生時，IC無法判讀正確的觸控點位置，只能分辨兩個觸控點的相對性位置。因此自感電容式掃描只能支援手指放大或縮小的相對性運動，無法真實解析空間中兩點的位置，會有「鬼點」的問題，如圖8所示。圖8：自感電容式量測有「鬼點」問題資料來源： 3M，2012／2 （b）互感電容式掃描（Mutual Capacitance）在互感式的訊號掃描方式中，IC會在每個獨立的電極中輸入電訊號，企圖在每個電極交叉點的位置形成電容感應狀態，此電容值會區域性的與電極本身周圍的電極相關聯。當手指觸控的電極交叉點附近時，原本電極周圍相互感應的電容值會因為手指觸控而變小，IC可以計算此電容值的改變量而換算成為觸控點的位置。由於訊號掃描主要為個別獨立的量測，因此不會有鬼點的問題，能夠達到多點觸控，如圖9所示。圖9：互感電容式量測方式資料來源： 3M，2012／2 投射電容式觸控除了有以上兩種訊號掃描方式之外，其sensor的疊構也有許多不同的選擇。標準的疊構是最外層都會有一層保護玻璃（cover lens／glass），保護玻璃的下層為觸控sensor，兩者的貼合方式一般是使用光學膠（OCA）。觸控sensor的結構通常為一片玻璃其表面鍍上ITO電極，如圖10所示。由於投射電容式需要x與y兩個方向的獨立電極，因此如果選擇將x;y電極同時蒸鍍在玻璃的同一面（稱為SITO，GG結構），x與y電極之間需使用絕緣層來隔離，需要跳接的部分會選擇金屬或者是導電物質來連接。金屬跳接線路可能會造成可視性問題，對於消費性電子產品需要極高的穿透率有所影響。如果選擇將ITO電極做在玻璃的上下兩面（稱DITO，GG結構），則可避免必須面對跳接的問題。如果不使用玻璃，也可選擇使用PET film蒸鍍ITO電極來取代（GFF結構），能夠使得觸控sensor更為輕薄。玻璃sensor的優點是光學穿透率高且硬度較高，然而缺點就是在ITO電極蒸鍍的時候需要針對不同電極的需求而設計光罩，對產量較小的產品或者是需要客製化電極的客戶將會是一項門檻。而film的結構能夠使用roll-to-roll的生產方式，長期而言其成本也較低也較具可變性。圖10：投射電容式觸控感應元件的結構Ⅰ 資料來源： 3M，2012／2 除了以上的幾種疊構之外，現在也有很多觸控廠商積極投入人力研發將觸控元件製作在保護玻璃上的技術，如圖11所示。由於保護玻璃的功能是保護觸控元件不被外在的環境與外力破壞，對於同樣是玻璃基底的觸控元件而言，如果能將兩者合併為一，何嘗不是一種降低成本且使觸控元件更加輕薄的解決方案。首先能夠避免需要將兩片玻璃貼合或玻璃與薄膜的多次貼合工序，也避免掉必須面對貼合良率的問題。圖11：投射電容式觸控面板感應元件結構薄化的結構Ⅱ 資料來源： 3M，2012／2 雖然許多觸控廠商都有在發展整合方案，但是由於各家的製程不同，所以針對各自的研發產品有名稱上的差異，但是其技術核心都是將觸控元件與保護玻璃整合，如One Glass Solution（OGS）、Window Integrated Sensor（WIS）、Touch on Lens（TOL）、Direct Patterned Window（DPW）等。TOL以及OGS是將x與y的電極陣列製作在保護玻璃的背面，而G1F是只有將一層的電極製作在玻璃基板背面，另一方向的電極是製作在薄膜上。另外GF是避免電極製作在玻璃背面的製程，選擇在薄膜的正反兩面製作電極陣列。然而TOL與OGS的差異點在於，OGS是母玻璃已經先進行化學強化之後，再切割成為子玻璃進產線製作ITO電極，如圖12所示。TOL的製作流程剛好相反，母玻璃先進行切割後入化學強化流程，而後製作ITO電極。在已強化後的玻璃進行切割，會破壞玻璃本身的強度，造成在玻璃邊緣強度減弱的問題。因此業者多半會採用二次強化的製程，由於ITO線路已經製作好在玻璃基板上，所以如果採用化學第二次強化會因為玻璃浸泡在化學溶液而造成ITO電極被蝕刻，影響觸控功能。所以另一個選擇是使用物理強化，可利用熱處理或是微蝕刻製程來達成。至於TOL是先玻璃切割後才強化，可以避免掉玻璃邊緣強度太弱的問題，但由於大部分的觸控廠商無玻璃強化製程的經驗，因此要自行摸索，使得開發時間較長。另外單片製程的生產率低，也是另一個必須解決的問題。因此OGS比較適用於中低階級的手機市場，TOL較適用於中高階級的市場。圖12：OGS與TOL製程差異處資料來源： 3M，2012／2 回顧整個投射電容式結構，從傳統的主流GG以及GFF結構，到目前各家廠商努力研發的TOL／OGS、G1F、GF的結構，可以得知未來觸控面板的結構無疑是朝向厚度更薄、重量更輕、貼合工序減少、貼合良率高的方向發展。而玻璃式與薄膜式的結構也各有本身的優缺點。首先薄膜式的觸控結構有著貼合良率較高且整體結構厚度較薄的優勢，但是缺點就是穿透率較差。玻璃式的觸控結構相對性穿透率高，觸控功能性較好，但是最主要的問題點在於硬對硬（玻璃貼玻璃）的貼合良率始終無法如軟對硬（薄膜貼玻璃）貼合好。所以當玻璃式觸控結構的貼合能夠達到八、九成的貼合良率，這無疑是可以降低生產成本。至於薄膜式的觸控廠商近期多採用捲對捲（roll to roll）的製程技術，也是大幅的提升生產效率。因此薄膜式的觸控面板有著價格的優勢，在低價手機市場也佔上風。 TOL／OGS可以說是玻璃式觸控結構的優化，而G1F以及GF則是薄膜式觸控結構的優化，其都是為了改善結構本身的問題點。在TOL／OGS來說，減少玻璃層的使用可以避免掉硬對硬貼合的過程而提高良率。則G1F以及GF則可透過減少ITO薄膜的層數來提高穿透率。為了因應ITO薄膜層數的簡化，國際投身投射電容式觸控技術的IC業者，也都紛紛發表可以偵測同一層ITO薄膜上的兩個以上不同觸控點的訊號，來達到真實的多點觸控。在GF結構中，ITO導電層可以製作在薄膜的同一面以及薄膜的雙面，但是由於雙面的ITO電極結構有可能抵觸到蘋果公司的專利，因為蘋果公司所使用的觸控結構也同為基板的雙面製作ITO電極，雖然蘋果公司目前只使用玻璃當作基板，但因為在專利中並未提及基板的材料，所以雙面ITO薄膜的結構有可能觸及到專利問題而觸控廠商普遍避免生產。（3）On Cell觸控技術以上的投射電容式觸控面板結構皆是外掛式的構造，即系統組裝廠必須自行將液晶面板外貼附觸控面板。但是面板廠近期則企圖想將觸控感測器裝置在液晶面板內部，如此可以達到垂直整合以淘汰目前觸控業者的效果。將觸控感測器製作在液晶面板的彩色濾光片的上面稱做「On-Cell」，目前也有AMOLED面板業者投入「On-Cell」的技術製作，稱為Super AMOLED，如圖13所示。圖13：On Cell於液晶顯示器以及AMOLED結構資料來源： 3M，2012／2 在彩色濾光片的上面製作觸控感測器，直觀上技術門檻不高，因此在早期投入的面板廠如友達以及LG Display都曾經嘗試過。然而問題是在製作觸控感測器時必須將彩色濾光片翻面，一旦翻面之後會造成濾光片刮傷或者是破損的問題，使得良率遲遲無法提高。而且單就彩色濾光片的製程良率高。為了製作觸控感測器而必須面對良率的問題，使得面板廠紛紛推延開發進度。而AMOLED為自發光的顯示器，所以當OLED能夠自發出紅、綠、藍光時，就不需要彩色濾光片。三星（Samsung）在自行開發的AMOLED結構上加入向台廠購買的觸控感測器玻璃，其也同時用來當作OLED的封裝玻璃，形成On Cell的Super AMOLED。少了要在彩色濾光片上製作觸控感測器，Super AMOLED的製程較為容易且良率比較高，所以市面上On Cell則以Super AMOLED較為主流。（4）In Cell觸控技術內嵌式（In Cell）的觸控技術多半由面板業者積極投入研發的技術，不需要再做觸控模組組裝、不需額外再增加厚度與重量。內嵌式觸控的結構有分成以下三種，光感應式（photo sensor）、感壓電容式（pressed capacitive）以及感壓電阻式（pressed resistive）。以上不同感應式的相同點都是將感應器製作在TFT LCD的TFT電極內，如圖14所示。圖14：三種內嵌式觸控（In Cell）結構資料來源： 3M，2012／2 光感應式的觸控感應器能夠感應紅外線以及觸控物體遮蔽外圍環境光的影像，利用影像的分析得知觸控的位置。由此可知，用在光感應式的偵測器必須要有相當頻寬的感應範圍。也可將雷射光源製作在觸控筆端，當光感應器感應到雷射光源時，就回報出觸控位置。此雷射光源式的感應技術相較於單純感應外物遮蔽光源的方式較為成熟，後者也常常出現在室外使用時發生誤觸的問題。感壓電阻式（pressed resistive type）的內嵌觸控技術結構是在液晶盒裡製作ITO的間格柱（Spacer），當液晶面板受到擠壓凹陷後，ITO間格柱會與液晶盒底端的Sensor Switch相接觸而產生電訊號感應，得知觸控點位置。此方法類似一般傳統的電阻式觸控結構，同為上下兩層薄膜靠著相接觸後產生電流值來偵測觸控位置。而感壓電容式（pressed capacitive type）的結構同樣是在液晶盒內製作電容感應間格柱（capacitive sensor spacer），當手指因觸控而改變電容值，或者是手指觸控改變液晶盒間隙而量測的電容值變化都可得知觸控位置。此感壓電容式必須考慮TFT的電路EMI的問題。以上兩種感壓內嵌式的觸控技術由於都需要擠壓液晶盒的間隙，容易造成液晶盒的壽命縮短，同時也無法在液晶盒表面加上保護玻璃。內嵌式的觸控技術由於都選擇將觸控感測器製作在液晶盒裡，這會造成背光源部份量會受到觸控感測器的遮蔽，有開口率低的問題。此外，目前內嵌式的觸控技術普遍良率低，不過少了一片觸控感應玻璃的厚度，還是可以減少約0.4 mm的厚度。展望當蘋果公司將投射電容式觸控帶入消費性市場之後，投射電容式觸控技術頓時成為各觸控廠商投入研發與生產的方向。然而蘋果公司不斷的壓低進貨成本，造成其觸控供應商面臨獲利緊縮的環境，研發方向也朝著是否能夠減少在製程中材料的使用。同時，觸控膜組的厚度無疑是消費性市場發展的重要考量，厚度越輕薄也成為各大觸控廠研發的方向，如圖15所示。同時在這兩者的壓力下，OGS／TOL與G1F／GF便是傳統觸控結構（GG／GFF）朝越輕薄且使用材料越少的研發結果。然而AMOLED的厚度也十分輕薄，顯示色彩鮮明，其Super AMOLED也帶著十分輕薄的厚度上市。然而Super AMOLED依然還是有著三層的玻璃的厚度，如果AMOLED能採用OGS的架構，厚度能夠更減少0.4 mm，不過還是要考慮技術的可行性，因為在Super AMOLED的觸控感應器是製作在OLED封裝玻璃的背面，如果採用OGS的結構，會面臨將觸控ITO感應陣列與OLED結構相接觸的問題，如何在這之間製作隔絕層便是要研究的方向。且OGS的強度會因為製程切割而造成強度減弱，如何能身兼保護AMOLED與良好的隔絕水氣以維持AMOLED的壽命便是一個重要的問題。圖15：各種觸控技術結構厚度比較（簡化polarizer）資料來源： 3M，2012／2