金属网格触控技术与先进内嵌式触控技术.docx

金属网格触控的问题探讨 金属是不透光的材料所以要达到够质量的穿透率，在细线化的过程中必须拿掉95%99%原有 的触控Sensor 面积，相当于触控Sensor的面积少了20100倍，这会不会让触控电路接收到的触控讯号也跟着减少20100倍，这个条件下是否还有触控IC可以支持这个金属网格的触控面板。 要让眼睛看不到，金属网格中的金属线宽最好要小于5微米，现有触控面板厂的黄光显影设备是做不到的，必须用LCD面板厂等级的黄光显影设备才行，如果将黄光显影制程换成印刷的方法来打印小于5微米的金属线，不论凹凸版印刷技术再精良，良率的问题都很难克服，范本的费用也会很高，每个模板的可使用的次数，模板的清洗成本都将会对金属网格触控面板的成本造成很大的影响。 使用卷对卷的生产设备要如何在高转速的张力下，让小于5微米的金属线不断裂，也考验着设备厂商的功力。 金属除了不透光的特性外还有高反射的特性，要解决金属反射的问题则须加上遮光材料或抗反射材料，如此又对制程产生影响，增加生产的难度与成本。 使用银，铝或铜作为金属网格的材料时会还要面临氧化的问题，如何增加表面处理材料来防止氧化，又还是增加了制程的难度与成本。 当我们成功的克服了上述所有的难题后我们还能确信金属网格仍还具有成本优势?触控IC的技术才是金属网格可否成功的主要关键 目前触控产业最热门的话题”金属网格触控”，一场取代ITO材料与降低触控面板成本的新技术与新材料正蓄势待发，许多业界的朋友也都聚焦在此，金属网格是不透明材料，却要使用在透明的用途上，这必然会产生光学上的考虑与用户接受度之间的平衡问题，透光度、反光率、干涉所造成的牛顿环现象都在考验着使用者的接受程度，要求越高质量的产品就必须使用越细的金属线与越少的感应面积，而越细的金属线会增加生产难度让成本上升，越少的感应面积则会考验触控IC的感测能力，让现有的触控IC业者都跨不过这个技术门坎，所以触控IC的技术才是金属网格可否成功的主要关键，而不在产品的生产技术。金属网格不应该使用互电容的技术 驱动电极Tx与接收电极Rx重迭的区域是属于无效区域，这个区域已经是电力线可以走的最短距离，所以当手指碰触时，是影响不到这个区域的电力线，也就不会产生任何的互电容变化，其次重迭的区域越小则互电容就会越小，两层的距离越近，则会让互电容变大，调整这两个参数可以产生所需要的互电容值，互电容的大小反比于其容抗的大小，如果互电容的容抗变大，量到的触控感应电流就会变小，因此设计的要诀就在于在可量测到的最佳触控感应电流的条件下，让重迭的面积越小越好。 要让手指触碰时产生较大的变化，就要让靠近接收电极Rx的非重迭区域越大越好，如此才会有更多的电力线溢出，穿透玻璃基材与外部的手指互动，当手指碰触时可以吸收到这些溢出的电力线，让电力线回不到接收电极Rx，造成互电容的减少，Apple的双层互电容结构都保持较大面积的Tx与较小面积的Rx原因就在此。 合理的分配互电容的大小与互电容改变量的大小，这考验着触控面板厂设计的功力，由于触控发生时互电容是变小的，变化最多也只能让互电容从现有值变到零为止，所以关键点就在于，从哪一个基本数值开始变化，这个数值就是我们所要的互电容值，有人会说不是越大越好吗，这样才有足够的变化空间，其实不然还要考虑到之后的读取电路是用何种方法来放大讯号的，前面保留的空间越大，对读取的讯号放大越不利，讯号放大的好坏直接影响到触控的灵敏度，所以不同的触控电路所搭配的触控面板规格是不一样的，选对触控IC，触控面板的设计就会很简单弹性就很大，反之就后果不堪设想。 现在我们把Tx与Rx由ITO改成金属网格后，有哪些地方改变了，首先Tx，Rx的面积都变小所以重迭的区域会很小，造成互电容变小容抗变大，读取电路读到的感应电流变小，在电路的背景噪声不变的状态下，SNR会变得很差，且不重迭区域也会变小，所以没有太多的溢出电力线来让手指吸收，所以触控造成的互电容改变也会变小，如此会让SNR比更加恶化，虽然使用金属网格可以让电阻变小，让灵敏度稍微变好但是好的范围非常有限，是不足以与上述变差的SNR比相提并论的，所以使用互电容的技术于金属网格，不论是做在LCD内部或外挂，成功的机会都不大，唯有搭配自电容的技术才有成功的机会。内嵌金属网格式触控 金属网格的概念看似简单，但是做好却又困难重重，但是峰回总会路转，换个想法可能会大不同，如果把金属网格做在LCD内部看不见的位置，所有与光学有关的问题可以一次解决，我们称这种方法叫“内嵌金属网格式触控”。 第一个提出这个看法的不是笔者，而是老前辈Apple于2007年U.S. Patent No. 8,243,027所提出的先进内嵌式触控技术，这个专利中Apple提出了两大革命性的创新观念，一、将LCD内部的共同电极(Vcom)图案化后作为触控的感应电极，如此可以彻底解决把触控感应电极做入LCD内部时会与共同电极(Vcom)因距离太近而产生极大的自电容。Sony的Pixel eyes技术与 Synaptics的 TDDI技术就是由此衍生出来，但是随着Apple的US8,451,244 B2 ”Segmented Vcom”专利获证后Pixel eyes与TDDI的in cell面板结构会有侵权的疑虑，二、把金属网格做成的触控感应电极放在LCD内部被遮蔽的区域，因此就不会被使用者看到，如此就完全没有光学上的问题，三星TW 201217863 的专利申请就是跟随这个观念而来，当然LGD、AUO、群创、彩晶、华映、胜华、Sharp、JDC等也都有相关类似的专利申请，一场将金属网格做在LCD外部与内部的争战拉扯着触控面板厂与LCD panel 厂的板块移动，有趣的是这场战争的胜负关键却不在参战的两大势力而是落在触控IC的技术与触控面板的专利布局上。不量测电容的触控IC新技术 “微扰共振” 粉墨登场 目前整个触控产业测量电容的方式，不外乎把代表电荷的电压或电流累积起来，作为读取值，再运用许多记录下来的读取值经过一番软件算法后，作为判断触控的讯号。，而这种累积电流或电压的量测法，都必须在系统趋近于稳定状态下，电荷变动最小时来测量，其结果才会准确，笔者将其归类于”稳态量测法”或”静态量测法” 。，除了测量累积的电荷外，其实还有其他的变化是可以被测量的，例如分析探讨电压或电流随时间变化的状态，这个变化状态的形状是否有特定的Pattern等等，笔者称为”瞬时量测法”或”动态量测法” 。，当许多的感应导体加上彼此的互动并产生回馈反应时，就形成了复杂理论的基本要件，复杂的状态拥有无周期性，无规律性，不可预期等特征，很难用分析与归纳的方法来处理，但是当各种环境因素在某些条件下时，复杂系统会进入”混沌状态”，此时就会产生极大的秩序性，类似”物极必反”的道理，而 微扰共振” 这个触控新技术，就是运用这个原理，测量在各种环境条件下，让这些混乱的触控讯号(包含噪声)，使其进入真正的”混沌状态”，一旦进入了混沌状态，触控讯号与噪声就会交融在一起，激荡出新的触控讯号。而这个新的触控讯号会源源不绝，生生不息，其中最令人困扰的噪声也变成新触控讯号的重要成员，大家常听到的”蝴蝶效应”就是同样的道理，这个被激荡起的触控变化比起原先测量电荷的累积数量所得的变化，要大上数百倍甚至数千倍，可称得上是触控量测的革命新技术。 SuperC-Touch大概是全世界第一个把”混沌理论”运用在量测触控变化上的先驱者，大概也是全世界第一位成功控制混沌状态进而达到实用的人，所以不论在物理领域或触控领域都将留下历史的足迹。一旦不再测量电容对触控面板的设计与生产而言，真是一大福音 不再担心贴合时光学胶产生的厚度不均或厚薄误差的问题，厚度的微小差异足以造成电容值差异，此差异比触控时手指产生的电容变化量还大，所以是贴合时的头号敌人。 不再担心玻璃基材或塑料基材，材料不同造成的差异问题。 不再担心触控图案对位偏移的问题。 不再担心ITO电阻与电容值太大的问题。 不再担心触控Sensor面积的太小会不灵敏的问题。 基本上触控面板只要不短路，不断路，视觉看不出缺点就可以使用了，因此会大幅提高贴合良率，触控Sensor生产的良率，更重要的是大幅降低了进入内嵌式触控的难度，触控从此变得很简单也没有进入障碍，这时触控产业就会进入真正的产业成熟期，产业的整合期，这时会形成几家独大的局面，而大部分的现存业者将会陆续被迫出场。漏网之鱼:AMOLED的内嵌金属网格触控结构 搜寻了有关AMOLED的内嵌式触控专利，花了许多时间，发现能找到的部分非常少，连三星都没甚么着墨，找到的几篇专利案也都与早期的内嵌式触控相同，采用基板的形变造成短路或让距离接近造成的电容改变来侦测触控，再不然就是申请一般LCD的内嵌式触控时顺便把权力范围扩大到OLED的领域，基本上都不是针对AMOLED的结构来研究发明的，为什么大家对AMOLED的in cell touch结构不热衷，笔者推论其原因约有三个。 大部分的人对AMOLED的原理结构不了解，所以下不了手。 了解AMOLED的专家都预期有重大的障碍会跨不过去，所以无法设计出可用的内嵌式触控结构。 AMOLED 只要用触控的Sensor玻璃当盖板就可以当on cell touch来使用，而目前的Sensor玻璃已经很便宜，如果为了做in cell touch而增加的任何一点良率上的损失其成本都会高于触控sensor玻璃的成本，所以开发AMOLED的内嵌式触控是没有意义的。 笔者跟三星的一些好朋友讨论后，很有共识的认为最主要的原因应该是第三点，看不到足够吸引人的利益时，谁要浪费时间去做这个研发。不过一个事件让我改变了看法，有缘接受某单位的邀请参加了一场研讨会，主题是行动装置的薄型化论坛，会中讨论何者是最薄的触控显示的结构，会中很自然地讨论到in cell，on cell与OGS等结构是差不多的，其中有位工研院的分析师提到一个论点，颇有创意，他说不管in cell ，on cell与OGS都要三片玻璃来构成，两片给LCD用，外加上一片保护玻璃，但是如果用的是AMOLED时就有可能从三片玻璃变成两片玻璃，只要把原本作为on cell的触控Sensor改成OGS就可以了，言之成理，笔者大胆的把它再往前推一步，如果把一片柔性的AMOLED(可折迭式的AMOLED)贴在OGS上那不是变成只要一片玻璃就可以，然而不管是两片或一片的结构都需要OGS的触控面板来搭配，而OGS的触控面板，成本可就没有触控Sensor那么低了，这时开发内嵌式触控就可以降低许多成本，此外要让柔性的AMOLED可以触控最好的方法就是内嵌金属网格的触控结构，原因是ITO的材料因为易脆的，要做成可以折迭会有相当的难度，而金属材料则没有这个问题，是折迭式的最佳的选择。结论 要生产内嵌式触控屏幕其实非常简单，只要用触控Sensor玻璃来制作LCD的彩色滤光玻璃，然后贴合LCD的Array玻璃，再灌入液晶后就可完成，全世界有上百篇的专利使用这个观念，其缺点是没有省到成本，而且触控Sensor会与LCD的V com形成极大的自电容效应，会让所有的触控IC都无法运作，第二类方法是将LCD的共同电极(V com)图案化做成触控用的Sensor，如此可以解决上述的缺点，且触控IC也没有控制上的困难，这也是iPhone 5用的方法，可惜专利被Apple独家垄断，要朝这方