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如今，觸摸面板是平板終端和智能手機不可或缺的輸入裝置。隨著2012年秋季“Windows 8”的亮相，觸摸面板還開始用作個人電腦的用戶界面（UI）。在日本的購物中心等，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。這個領域被稱作數(shù)字標牌，市場在不斷擴大之中。觸摸面板的用途日益擴大，預計帶觸摸面板的顯示器在日本的市場規(guī)模2015年前后將超過2萬億日元。
不過，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在PET薄膜基板上形成銅布線，開發(fā)出了10英寸以上的產(chǎn)品也能充分發(fā)揮性能的透明導電性薄膜“SpiderNet”，并已經(jīng)從2011年12月開始供貨。本文將對開發(fā)的背景和開發(fā)品的特點及特性加以介紹。
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玻璃基板的類型和使用ITO薄膜基板的類型。“iPhone”等使用ITO玻璃基板，“iPad mini”使用ITO薄膜基板，市場目前分為樹脂膜和玻璃兩大領域。
圖1：基于觸摸面板截面構(gòu)造的分類
目前以（a）分立型為主流，不過面向新一代產(chǎn)品，（b）玻璃蓋板一體型和（d）In-cell型的開發(fā)也日趨活躍。
面向新一代產(chǎn)品，目前的開發(fā)趨勢包括在覆蓋產(chǎn)品機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，在整張化學強化玻璃蓋板上形成 ITO層，然后切割成單張的方式最有希望量產(chǎn)，但強化玻璃的切割方法及其成品率還存在問題。為解決該問題，實現(xiàn)輕量化并降低成本，“OPS（One Plastic Solution）型”受到了關(guān)注。也就是用樹脂保護膜取代玻璃蓋板的動向，后面將要提到的高耐熱樹脂膜就是候補之一。
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，而美國蘋果公司為“iPhone5”采用了在TFT基板上形成X和Y兩個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)動電路，所以需要同步觸摸面板和液晶面板的驅(qū)動。因此，隨著產(chǎn)品尺寸的增大，顯示寫入時間的比率增加，出現(xiàn)了難以確保觸摸檢測時間的課題。
尺寸增大，響應性降低
除了這些課題外，畫面尺寸擴大到10英寸以上后，材料方面也會出現(xiàn)課題。一是，目前的ITO傳感器電極的電阻變得過大，另一個是，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現(xiàn)多點觸控，達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。畫面尺寸一擴大，傳感器電極的數(shù)量必然會增加。比如20英寸畫面的Windows 8性能參數(shù)，X傳感器電極和Y傳感器電極合計需要150條，布線也需要150條。為了盡量縮窄設置布線的邊框部，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電膜所需特性的基礎要素，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IC的半導體廠商的要求。
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，電路的時間常數(shù)（信號上升時間）τ以τ＝R×C來表示。手指觸摸時的信號變化也根據(jù)該時間常數(shù)動作，因此為了在信號檢測的容許時間（μs程度）內(nèi)檢測出信號，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，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。當然了，最終結(jié)果因傳感器的圖案形狀而異，不過這種關(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，不過是通過在長邊傳感器電極的兩端取出布線電極來應對。
而ITO玻璃在ITO成膜時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/□左右的透明導電膜。不過，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層會產(chǎn)生干擾，從而導致透射率降低，因此也不能使用。而玻璃基板較重，容易破損，大型化時不容易處理。也就是說，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/□以下的透明導電膜，主要有兩種實現(xiàn)方法（圖3）。①通過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電性薄膜的選擇
大型觸摸面板有兩個選擇：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)象可以通過層積光學調(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，各公司紛紛展開了研究，但并未能大幅降低電阻值。ITO的導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，遷移率就會降低。所以，7×10-5Ω·cm左右就是極限了。因此，作為透明導電膜，還可以嘗試研究ITO以外的材料。
幾年前，因銦（In）金屬的資源枯竭問題，ITO替代材料受到關(guān)注，對很多材料進行了研究。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現(xiàn)低電阻化。導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。能實現(xiàn)低電阻化的候補材料如表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Cambrios Technologies公司采購原料銀納米線（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家公司宣布實現(xiàn)了薄膜化。通過使直徑數(shù)十nm、長數(shù)十μ～數(shù)百μm的銀納米線互相接觸，利用其接點導電。提高所含的銀納米線數(shù)量的話，透射率會降低，但能提高導電性。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發(fā)出了部分蝕刻法。通過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，部分蝕刻法通過選擇蝕刻條件，在導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的銀鹽照片技術(shù)開發(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。能以卷對卷方式制作雙面圖案薄膜。
通過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）”。為了進行印刷，線寬比較寬，為20μm左右。
美國3M公司雖然沒有公布制作方法，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)達到肉眼看不到的水平，可以實現(xiàn)“真正的”透明導電膜。
石墨烯薄膜尚處于研究階段，實用化還比較遙遠，單獨的膜有望實現(xiàn)高透射率。但將石墨烯膜設置在PET薄膜上的話，會影響PET薄膜的透射率，因此透射率會降低10％左右，估計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為，要想解決觸摸面板大型化造成的透明導電性薄膜課題，在PET薄膜上形成金屬網(wǎng)層的方法最合適，于是從 2009年起展開了開發(fā)。金屬材料采用易采購、成本低、易加工的銅膜。這種方式制作的透明導電性薄膜被命名為“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，原以為需要實施黑化處理，但縮小線寬的話就基本看不到了，所以無需在意顏色。使用濕法蝕刻的初期階段產(chǎn)品，線寬為10μm左右。這個寬度的話，仔細看能看到?？s小銅線寬度后，銅與PET之間的粘著力會下降，容易剝落。因此，在蝕刻后連續(xù)涂布了透明保護層。
圖5為網(wǎng)狀圖案示例。傳感器部以1～2mm的間距設置了多條細銅線。結(jié)合這些細銅線形成一個傳感器，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傳感器薄膜分別設置，利用光學粘合劑（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，所以采用了一個傳感器由多條細銅線形成的圖案。如果用細銅線網(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，萬一斷了，傳感器將無法工作?？赡軙е鲁善仿式档?，因此此次未予采用。
制作的觸摸面板的透射率由細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，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。
可利用卷對卷工藝 銅網(wǎng)狀圖案方式的另一個優(yōu)點是，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/線距可實現(xiàn)10μm/10μm。
圖6是利用銅網(wǎng)狀圖案方式透明導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)點是可利用卷對卷工藝形成。
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間變化時的靈敏度如圖7所示，即使間隔擴大，靈敏度的降幅也很小。間隔變小的話，可能是因為X、Y傳感器電極的交點增加，導致寄生電容增加，靈敏度的增幅也比較小。另外，由于銅線的面積占有率增加，透射率也會降低。
圖7：基于細銅線線距的靈敏度變化
即使擴大線距，靈敏度的降幅也較小，縮窄線距時的靈敏度升幅也不太大。
在銅網(wǎng)狀圖案透明導電性薄膜上粘貼玻璃蓋板時，靈敏度會隨著玻璃厚度而變化。圖8中的實線表示玻璃蓋板厚度在0～3mm間變化時的結(jié)果。由于業(yè)界普遍認為玻璃蓋板厚度造成的靈敏度降幅比公開的ITO膜棱形圖案觸摸面板小，為了調(diào)查個中緣由，我們實施了計算機模擬。
圖8：玻璃蓋板厚度依賴性
本圖將增加玻璃蓋板厚度時的靈敏度變化進行了系統(tǒng)顯示。虛線通過右圖進行模型化后，顯示了計算結(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）來表示。假設S為1cm見方，網(wǎng)狀電極的形狀為在1cm見方的面積中，在X、Y傳感器電極上各排列10條b＝8μm寬的細銅線。此時，當電極與手指的間隔d只有不到約0.5mm時，平板型傳感器構(gòu)造的容量值較大，而d擴大到0.5mm以上時，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薄膜原來在FPC（Flexible Printed Circuits）等用途廣為人知，可彎折性出色。因此，我們測量了將SpiderNet薄膜纏繞在細棍上時的電阻變化（圖9）。在180度彎折的狀態(tài)（纏在直徑0㎜的棍上時）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)狀圖案方式透明導電性薄膜的彎曲特性
即使完全彎曲，電阻值也不會發(fā)生變化。
這種出色的可彎折性將擴大觸摸面板的新用途。比如無框觸摸面板、卷繞式觸摸面板。
無框觸摸面板是指，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)確認在這種狀態(tài)下可進行多點觸控操作。
圖10：能隨意彎曲和纏繞
通過將布線部分設置到顯示器側(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，在需要的時候拉出來使用。這種卷繞式觸摸面板適合制作卷繞式有機EL顯示器。
耐久性也無問題
銅的離子化傾向比銀高，容易氧化。但在常溫下，銀容易在有電場的狀態(tài)下產(chǎn)生遷移。因此，我們對采用SpiderNet的觸摸面板實施了耐久性試驗。
我們實施了電阻膜式觸摸面板的普通試驗——高溫保持、低溫保持、高溫高濕保持、溫度循環(huán)試驗。表3是試驗結(jié)果。得出的結(jié)論是，在目前的試驗時間內(nèi)，無論是外觀上還是性能上都沒有發(fā)現(xiàn)任何變化。這些是沒有電場的試驗，今后需要調(diào)查加載電場時的情況。
SpiderNet的課題與未來
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。用戶在聽到金屬網(wǎng)時最擔心的是裸眼能看到網(wǎng)格。
的確，在開發(fā)初期銅線寬為10μm左右時，仔細觀察面板的話有時會看到網(wǎng)格。但通過利用干式薄膜法，并改進曝光，現(xiàn)在已經(jīng)試制出了線寬為 4μm的細銅線。線寬在5μm以下的話，就很難裸眼看到銅線，能實現(xiàn)“真正的”透明導電膜。銅網(wǎng)狀圖案方式的觸摸面板已經(jīng)到達這個階段（圖11）。因此，不僅是大型面板，還可以用于無框平板終端的觸摸面板。
圖11：通過縮小細銅線寬度，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)實現(xiàn)了4μm，達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，有時會產(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脂的OPS型觸摸面板也正在開發(fā)中。
——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)10月《觸控技術(shù)特刊》“透視新設計欄目”，轉(zhuǎn)載請注明出處，違者必究！
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