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ITO或将被取代,新技术造就触屏行业新机遇
编辑:雁枫 [ 2016-12-22 11:08:37 ] 文章来源:数字标牌网
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一场革命正悄然发生于投射式电容触屏市场。随着行业的飞速发展,更薄、性能更高、更具可靠性且成本更低的触屏正在被生产出来。这些发展背后的推动因素是,素来被选为手机及平板触屏材料的 ITO 具有局限性,且正在被替代材料所取代。 ITO 从未被广泛应用于大型 AV 屏与kiosk 一体机中,但一些开发中的技术即将取代它。

使用者应对其所选触屏提供的基础材料有一个彻底的了解,因为这些材料会引起外观以及最重要的行业性能等方面的重大差异。在一种应用中行之有效的技术可能会在另一种应用中受到严重限制。本文旨在通过介绍六种主要的替代材料、分析它们各自的优、缺点,帮助定制者做出知情选择。笔者将首先介绍为何 ITO 已在某些应用中停用,然后将分析替代材料。

为何放弃 ITO?

投影式电容触摸技术的关键驱动力之一在于将触屏集成到LCD面板本身(“in cell” 技术),无需使用单独的触摸屏(离散触摸屏)。做到这一点后,就可以生产出更容易集成、更薄、更轻的触摸式设备。还能减小 LCD 与用户之间的距离和层数,从而提升光学性能与亮度。

然而,由于 “in cell” 触屏的制造方法尚在发展与改进中,它们还未被广泛应用于行业内。因此,采用 ITO 导体的离散投影式触摸屏仍为主流技术,至少在智能手机、平板和智能可穿戴设备等小型手持式消费类电子设备中仍是如此。但是,当显示屏尺寸超过约 20  英寸时, ITO 的缺点就会被显现出来,因为它相对较高的电阻会影响性能,而且不适合应用于某些用途。

哪些导电材料适用于尺寸更大的触屏呢?目前有三种最前沿的主要材料技术:铜微线 (Copper Micro Wires) 、银金属网格 (Silver Metal Mesh) 和银纳米线 (Silver Nanowires) ,除此之外,还有另外三种技术:碳纳米管 (Carbon Nanobuds) 、导电聚合物 (Conductive Polymers) 和石墨烯(Graphene) 。它们都处于开发初期并可能在未来几年面市。本文将探讨前五种材料技术的四个主要参数:经济性、电阻、可见度和可用性;还会探讨处于开发初期且尚未上市的石墨烯。

经济性

考虑触屏成本的关键问题包括初始的模具加工成本以及持续的材料要求等。无需开光罩、可直接写入基板材料的技术,基本无需加工,并能以更低的成本进行小批量生产。如需用到开光罩或其他加工,那么这限制了灵活、小批量地生产不同尺寸触摸屏的能力,但却有可能减少标准尺寸的大批量生产。

在加工方面,铜微线的延展性颇具优势。其电极可直接写入基板,无需激光、开光罩/化学物质/蚀刻或加工。可通过激光烧蚀对银纳米线进行一定程度的定制,但之后需要额外的处理以将边界处的导体连接至控制器。通过网版印刷应用导电聚合物也相对简单,但必须在丝网印刷阶段或在蚀刻、激光处理之后再作制作图样 (Pattern) 。

相比之下,银金属网格材料是在源头制作图样,因此须提前指定传感器尺寸。这会为每款传感器设计带来 1万到 2 万美元的加工费用,具体取决于屏幕尺寸。碳纳米管的沉积过程较为复杂,需使用纳米管反应器 (NanoBud Reactor) ,然后再使用激光制图过程来制作电极。

影响制造成本的另一个关键因素在于所需层数。铜微线可以进行绝缘处理,从而在单层中形成x 、 y 电极。封装绝缘还能防止材料氧化;若是暴露于高温、高湿度的场地,这会大大降低触屏性能。银纳米线、金属网格和导电聚合物传感器的构造通常需要两层或更多层来绝缘 (x 和 y) 导体,从而在单层设计上增加材料含量。碳纳米管也是一种两层技术。此外,还需格外留意以防止水分进入材料,这可能会导致上述氧化问题和触屏故障。

电阻值

电阻值是触摸屏决定触摸灵敏度或“信噪比” (SNR) 的关键因素。较高的电阻材料会限制流过导体的电流量,因而更加难以正确地找出由显示屏、电源或其他周边电子器件的周围环境干扰(EMI) 所造成的触摸事件。这种电阻材料显然更容易为大尺寸触屏带来问题,尤其是涉及多点触控、防误触和近感探测(在手指真正接触屏幕时识别触控)等功能时。

如上所述,由于相对较高的电阻值,每平方约 100 Ω ,ITO 通常仅用于小尺寸触屏;因此,使用这种材料的大多数触摸屏都小于约 22”,若超出此尺寸将受到明显的性能限制。 银纳米线的电阻值低于 ITO (每平方 PET 薄膜基材约 30-50 Ω) 。因此,使用此技术的投影式电容触控传感器可生产到大约 42” (超过该尺寸仍将限制触控性能)。 银金属网格的电阻值更低,每平方约为  15 Ω至 30 Ω ,可用于尺寸最大约为 65” 的触摸屏。 铜微线的电阻值最低,每平方约 5 Ω 或更低,可用于制造尺寸远大于 100” 的巨大触摸屏。此外,极低的电阻值能带来最佳的信噪比,使触屏能通过非常厚的覆盖玻璃,甚至手套检测触摸,且无须在高电压下驱动电子装置或使用多个连接控制器来平铺屏幕(替代材料使用这两种巧妙方法来实现大尺寸触屏)。

22” 金属网格与多点触控设计相重叠,以供比较

可见度

所有离散面板投影式电容触控技术皆涉及在用户与屏幕之间引入一些材料元件,这会产生一定的光学差异,但对图像的影响不大。 通过铜微线技术产生的 10um 导体网格是可见的,尤其是当显示器关闭时。这代表着优秀的透光性,并在任何抗反射处理前处于 90% 的范围内。相反,银纳米线和银金属网格技术能产生可见度略低的导电轨道( 5-10um 范围内的金属网格),但纳米线和导电聚合物涂层会在整个屏幕上产生轻微偏色或雾度,以及约为 85% 的透光率。

22” Zytronic 多点触摸 10um 线设计

可用性和寿命

铜微线触控传感器已由少数专业制造商生产近 20 年,是一项适用于大尺寸触摸屏以及最严苛环境的成熟技术。在过去几年中,基于银金属网格和纳米线的触控技术已迅速成为主流,许多制造商已安装必要的印刷及激光制图设备。这两种技术在触屏行业相对新奇,意味着它们的长期可靠性尚未得以证实——尤其是暴露于户外应用等严苛的温度及湿度时,其电阻值(和触控性能)的变化尚未得到验证。

22” 金属网格 4um 设计

石墨烯

一种可能会改变游戏规则的新触屏技术即将以石墨烯的形式到来。自 2004  年石墨烯首次被发现于曼彻斯特大学之后,业界陆续有关于其强度、透明性和导电性的可喜成果发布,但相关开发仍处于初级阶段。 石墨烯沉积为原子厚度的碳层,将相似的低电阻结合到铜微线,具有“不可见”导体的电位。不过,虽然石墨烯有潜力成为投影式电容触摸屏的适用材料,但这种激动人心的新技术还适合许多其他用途,例如水质净化、电池和太阳能电池等,而且大多数开发商目前仍侧重于这些方面,在开发路线图上很少将其用于触摸屏

宏观远景

总之,投影式电容触屏并不具备“完美的”导电材料,工程师应不断寻找兼顾性能、光学、耐用性、可扩展性和可靠性的最佳组合,以适应触屏应用。 手机及平板电脑触摸屏在全球市场占有的份额已令商业 AV 屏市场望尘莫及——一条参考信息是, Touch Display Research Inc.  公司估计, ITO 替代市场将于 2023 年前达到 130 亿美元。因此,新型触屏材料的开发将不可避免地专注于这一巨大市场,但相关投资势必会给商业与工业市场带来诸多好处。

 


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