触控面板及其透明导电膜之最新发展 (一)

觸控面板及其透明導電膜之最新發展 (一)

編輯室/2009.5

摘要：

在哀鴻遍野、經濟風暴裡載浮載沈的產業當中，觸控面板業乃少數仍精神抖擻的產業之一。目前除智慧型手機、高價手機之外，MP3/MP4、MID、PC等的介面也已廣泛採用觸控面板。由此可見，人類輸入方式已從鍵盤、滑鼠推進到觸控面板；下一階段將轉入語音輸入與多點式觸控、動作捕捉方式。而且隨著觸控面板技術的進步，已經發展到可以省略觸控面板模組，直接將觸控面板承載在顯示器內。承載觸控面板的電子產品，2008年達4億5,000萬台，今後預測將以年平均42%的高速成長，2011年將達11億7,000萬台。

為了讓讀者大眾能更深入掌握觸控面板的最新發展情形，本網將分三回，系列報導國內外的最新發展動態。內容將包括：觸控面板的原理與特性，含新開發的觸控面板原理、觸控面板的應用擴大、觸控面板的市場動向、正在開發中的觸控技術以及觸控用透明導電膜的市場動向等。對觸控面板發展有興趣的朋友，千萬莫錯過。 關鍵詞：

觸控面板(Touch Panel)；透明導電膜；ITO(Indium Tin Oxide)；電阻膜式觸控面板；電容式觸控面板；超音波式(SAW)；紅外線式(IR)；電磁式(Electromagnetic Dagitizer) 前言

回顧一下觸控面板產業的發展，2007年可以說是發展最關鍵的一年，Apple推出承載觸控面板的i Phone，其技術與Interface的Human Design一齊受到矚目。接著承載觸控面板的資訊終端產品開始蔚為風潮，帶來面板生產與上游ITO薄膜供不應求的狀況，此時中國大陸與臺灣的觸控面板廠快速集資擴充生產線，

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緊接著金融海嘯的發生，2008年可說是觸控面板景氣最差的一年，而且由賣方市場轉為買方市場。

在這波景氣衰退中，中小型液晶面板價格急落，日本、韓國、臺灣的TFT面板與STN面板開始對觸控面板市場虎視眈眈，為了降低成本與提高附加價值，TFT面板公司已開發Multi Screen的方式；STN面板模組公司開發出新型觸控面板。

其中唯有提供利基產品、中大型尺寸用觸控面板業者，是少數未受到大衝擊的企業之一，當然進入領域的門檻也非常高。2009年一般面板市場預期仍然非常嚴峻，不過，客製化產品、中大型觸控面板市場仍將持續成長。

觸控面板市場由具價格優勢的4線電阻膜式打開序幕。事實上，最近對觸控面板已要求難度較高的技術水準，這些技術課題包括：

(1) 超高透光率(98%以上)

(2) Full Flat化(觸控面板的表面設計性) (3) 曲面型觸控面板(不使用ITO透明導電膜) (4) 使用筆或手指的雙輸入(對應Windows 7)方式

(5) 「背面觸控面板」與「兩面(表、裏)觸控面板」、用手指但不會遮住畫面、

畫面不易髒、輸入速度提升等。

觸控面板應用擴大

一､銀行金融提款機(ATM)、終端機(POS)

以附觸控面板顯示器代替金融機構窗口人員的服務，可執行的業務如領錢、匯錢、換幣等，操作種類多，但為了不會迷失，將功能都集合在畫面上。例如，ATM金融提款機的觸控面板已普遍採用聲音回饋、影像回饋機制來提醒使用者的各項操作。 二､自動販賣機

如自動販賣機、鐵路售票機、飛機票的自動核對機等的利用。鐵路售票組合方式可以先選擇到達目的，加上車班、年齡等的選項，還可切換成各國語言。

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三､手機

最早使用觸控面板手機的是1996年Pioneer提供的DP-211，幾乎所有的操作都在觸控面板上，不過當時的畫面是黑白的。2007年iPhone智慧型手機為持有數位音響、數位相機以及通話的多種功能，要求較廣的顯示機能，操作部分集中在有觸控面板的畫面上。最近開始強調具表面設計性的觸控面板手機，而且已成為熱門話題。 四､PDA、UMPC

可攜式資訊終端機小型化的結果，導致輸入用按鈕太小不容易用手指操作，甚至畫面太小操作不易，因此只留下電源鈕等部分機能，廢了鍵盤或點位(Pointing)元件，改換觸控面板進行操作，將顯示部分與操作部位放在一起，而成為現在的樣子。 五､可攜式遊戲機

可攜式遊戲機向來只利用方向鈕和幾個按鈕來輸入，當觸控面板價格終於比較便宜且不易損壞時，任天堂推出了採用觸控面板的「任天堂-DS」、「GP2x F-200」等。

六､影印機/傳真機及其複合機

這些設備在多功能化過程中增加各種功能，因此，利用觸控面板進行操作指示，甚至進行設定的機種已成為主流。不過家庭用廉價、功能單純的機種則尚未採用。

七､衛星定位導航系統(GPS)

在停車狀態下，可用觸控面板進行路程設定或檢索方式設定；有的規定無法在駕駛中操作，有的組合了遙控、聲音認識，也有包含汽車音響部分。 八､ Multimedia Station

這是設置在7-11等零售店的多功能終端機，如Loppi、Fami Port等。相似的東西如在數位相機普及時出現的銅板式光影印機。 九､Arcade Game

賽馬、賓果等數位遊戲的部分機種，已長期採用觸控面板。打從2002年左

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右起，以持有網際網路對戰功能的機種為中心，導入觸控面板的產品急速增加。 十､指示板

如博物館、大百貨公司的最新指示板，採用電腦監視器與觸控面板的組合，可依選擇的項目，顯示路徑或展示品、設備利用指示、服務以及最新資訊提供等。 十一､電子書

隨著行動上網裝置(Mobile Internet Device；MID)以及更大尺寸的iPod Touch，甚至配備3.5吋手機的陸續上市，這一類產品早已在主流市場中卡好位置，而電子書雖已上市一段期間，卻在數位閱讀領域裡載浮載沈，如今隨著觸控面板的積極採用，又嗅出電子書的一線生機。

E-ink與Wacom合作推出觸控式電子紙，成為可以書寫的E-ink Vizplex電子紙。荷蘭iRex採用此技術於2006年9月推出8.1吋電子書閱讀器「iLiad」，以觸控面板作為手寫輸入介面，大大地增加了電子書的親和力。iRex在2008年10月推出的DR 1000S，比DR 1000多了觸控面板功能。

臺灣面板廠元太推出採用壓力感應式原理的觸控式EPD，目前已成為Sony與Amazon電子書的唯一供應商。 十二､其他

包括餐廳的訂餐系統、電車坐過站的補票精算系統、公營賭博系統、圖書館借書系統、超級市場Self Register系統、保齡球場計分系統、機智問答節目等回答者用機、鐡道車輛監示設備、部分電子樂器等，已深入人們生活的各個層面。

觸控面板的原理與特性

觸控面板為了讓一起使用的LCD或CRT的顯示內容清楚可見，觸壓部分必須是透明的。而檢測觸壓位置可大別為使用電與不使用電兩大類。為了得到透明電極，利用具導電性的某種稀有金屬經蒸鍍或塗佈，生成電流可以流過的非常薄且透明的膜製成透明電極。利用此種方式的觸控面板可分為電阻膜式與電容式。不過雖然導電膜或蒸鍍材是透明的，但仍有光衰減(透光率低)的問題，畫面變得

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比較暗。經過對技術的持續改良，目前透光率已有相當程度的改善。此外，還有耐久性低、反覆觸壓會使導電面發生劣化，影響整台設備的壽命等問題。

未使用電的有如音響脈衝認識方式、超音波(表面彈性波)方式、紅外遮光方式、影像認識方式等。由於觸壓面未使用電極，具有影像明亮、色再現性良好以及耐久性佳等優點。因此，各種不同觸控面板有其各自的優缺點，可配合業務或使用環境做出最適合的選擇。 一､電阻膜方式

電阻膜方式觸控面板係在玻璃基板的表面夾上非常小(5~10μm)的隔球(Spacer)，再在此表面張貼柔軟的膜(200μm/程度的PET片)而成(如圖一)。而在玻璃與膜之間的面上各自塗佈、蒸鍍ITO(Indium Tin Oxide)膜，構成透明電極(而且金屬薄膜具電阻性能) ，在未觸碰時微小隔球將這2片電極隔開，電流不會流動。當這兩片相向電阻膜當中的1片，因觸壓時的壓力，使膜凹陷，與下方玻璃面的電極接觸，電流開始流動。經由測定玻璃面、膜面透明電極的電阻產生的分壓比，即可檢出被觸壓的位置。本方式之優點為製造成本低，廣泛應用於可攜式遊戲機、衛星導航系統；缺點為耐久性低，而且只對1隻手指碰觸點產生反應。

4線式為最早的電阻膜式觸控面板，分別在玻璃面與膜面形成縱向與橫向透明電極條，對觸壓產生通電的交差點求出觸壓位置。4線式有2大缺點，面積越大精度越低；必須使用2片金屬薄膜，透明度不佳。但構造簡單，多用於廉價用途。

圖一、電阻膜方式觸控面板動作原理

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5線式為現在主流方式，全面採用透明電極膜構成透明電極面。換言之，玻璃片上形成電阻層，碰觸膜上形成單純導通用電極，並在玻璃面上下左右配置獨立電極，可任由上下間或左右間施加電壓。當觸碰時產生不同的電壓，讀取電壓即可知道碰觸的位置。5線式的優點，由於構造單純，電極面不易引起剝離或磨耗、斷線的情形，壽命長，透光率也已大幅改善。

目前在市面上已有8線式產品，嚴格來說，8線式產品其實是4線式產品的延伸，為了避免因受環境的影響，或其他周邊設備導致電壓的讀取值有所誤差，於是除上下導電層的4條引線外，各自再增加一條參考線，共計8條。其目的在於能讀取更實際的電壓值，以提升操作精準度。 二､電容方式

電容式觸控面板構造如圖二所示。電容式觸控面板可分為表面型與投影型兩種。在觸控面板表面全體形成低壓電場(屬於微弱電流約10~20μA程度，對人體無害)，當手指碰觸時會使該部位的電場產生放電，而捕捉手指尖與導電膜之間的電容量變化，即可檢知碰觸的位置。而按壓的東西必須是手指頭或與手指頭具同等靜電的導電性東西，如專用觸碰用筆。本方式又稱為類比容量結合方式，圖三所示為檢測機制。

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圖二、上與下為電容式觸控面板構造

圖三、電容式觸控面板檢測機制

與電阻式觸控面板和電磁式感應板相比，電容式觸控面板表現出更加良好的性能。由於輕觸就能感應，使用方便。而且手指與觸控面板的接觸幾乎沒有磨損，性能穏定，經機械測試使用壽命長達30年。另外，整個產品主要由一塊只有一個高集積度晶片的PCB組成，元件少，產品一致性好，成品率高。 1.表面電容式(Surface Capacitive)

大多用在10吋以上的顯示器，由Cover、導電膜與玻璃基板3層構成，導電膜張貼在玻璃基板上，玻璃基板的4個角落設置電極，導電膜可形成均一電場。當手指觸壓畫面時，從驅動迴路來的微弱電流會穿過隅角的端子、導電膜與Cover，經由手指頭到周邊環境(含大地)中，經由計算四隅的端子電流量的比率即可判定手指的位置。長處是結構單純，可廉價製作，比較容易大型化。

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2.投射電容式(Projective Capacitive)

大多用在6吋以下的顯示器，投射電容方式可進行手指的多點檢知。利用ITO等透明電極將多種電極圖案製作在玻璃或塑膠等基板上。當手指頭觸壓面板時，量測該位置附近的多個電極圖案產生的電流量的比例，即可精密判斷手指的位置。優點是可進行多點輸入，但端子數多成本高，製造成本為電阻膜式的2~4倍程度的高價，而且大型畫面會使片狀電阻變得太高，增加位置計算的演算量。

三、超音波(表面彈性波；Surface Acoustic Wave；SAW)方式

這是為解決電阻膜式缺點之一「透明度低」的問題而開發，是使用物理振動的表面彈性波在玻璃等的表面傳播。這個原理已經應用在TV內部當做SAW(Surface Acoustic Wave)Filter使用。

玻璃是一種很硬的物質，但若敲打一個地方，在玻璃表面產生振動的振波，會如水面漣漪般擴散出去，而且是以一定速度前進，碰到牆壁產生反射而改變方向。

超音波式的觸控面板係在玻璃面板的角落設置壓電元件產生振動波，在玻璃表面行進即為表面彈性波。壓電元件設置對面板側面的軸呈45度角並排，每隔一定時間產生振動波。壓電元件在45度角、90度方向(顯示器)也有表面彈性波的傳輸。在壓電元件的對面也配置了相同的振動器，最終會傳輸至受信用轉換器。當玻璃表面被手指觸壓時， 該部位的表面彈性波的振動被手指吸收，部分會折回，可經由計算算出手指觸壓的位置。

超音波式觸控面板與電阻膜式比較，由於觸控面板的玻璃未蒸鍍金屬薄膜，所以透光率、表面反射、觸碰觸感等都比較優越，結構比較堅固、壽命長。但是對振動無法吸收的物質，如手套、Stick、指甲等不能用來觸壓。另外，若有水滴殘留，水滴會吸收表面彈性波，影響觸壓位置的檢出。因此，超音波式觸控面板不適用於廚房業務、食品加工、醫療現場、倉庫出貨等可能會弄濕或可能帶手套的場合。

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四、紅外線方式(Infrared；IR)

在顯示面板的表面周圍長、寬壁上設置紅外線LED光源的發光部，反對側設置受光部。當畫面被觸碰時，此紅外線會被阻斷，從縱向、橫向判斷出光被阻斷的位置。反射型在操作面周圍，必須有可以設置紅外線LED及感測器厚度的緣額。

此方式的優點是透光率100%，而且觸碰不會影響壽命。缺點如塵埃、昆蟲等有可能阻斷光源；照明的燈或日光若直接照射，也有可能引發問題，因此，近年來這種方式的應用已經很少。 五、電磁式(Electromagnetic Digitizer)

必須使用可以產生磁場等的特殊筆來觸碰，由面板接受電磁能來檢出筆的位置。本方式過去多用於座標輸入設置的Tablet。由於專用筆之外，不會引起動作，因此不小心觸碰不會引起錯誤動作，而且磁場能若能通過，在稍為離開的位置也可能感測到，但在LCD面板的裏側配置Doublet的話，不會影響感測，LCD顯示可以正常進行。最近很多Tablet PC採用本方式，但因無法用手指操作，應用範圍受到。

Wacom預定推出同時具備電容式與電磁感應式的產品，這一類產品可以使用手指或觸控筆來操作，不過功能愈多、成本愈高。 六、靜電感測方式

當介電體(如手指或水)靠近感測電極時，電極(Condenser)的電容會增加，若能檢知容量的變化，即可檢知接近的物體。

1.在感測電極恆常施加100~200kHz的交流電壓，此時感測電極當做信號Ground間的Conderser作用。當介電體接近感測器，Ground的電容增加，交流電能更多流至Ground。檢測電極的交流電壓，得到(監視)直流電壓的變化(下降)即可捕捉到接近的物體。此外，也有施予脈衝電壓當做交流信號，觀測因容量增加引起信號產生的時間(遲滯)等方法。本方式係將感測電極配置在玻璃或Acryl等的內側，以非接觸方式檢出，但對欲檢測正確位置比較困難。

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2.其他方式，針對脈衝波型以測定其遲滯時間等取得Condenser容量變化的方法，有的公司已將其商品化。檢測方式在電極與觸碰之間即使有玻璃、塑膠等介電物質存在，只要有某種程度的厚度，即可檢知，要求設計性的產品，可設計成有框罩使用開關，更容易做到防塵、防水滴的設計，不直接觸碰感測面的話，感測的壽命也比較長。

最近商品化實例如Touch PAD的利用，有快速普及的傾向。這是以印刷電路板的電路當做電極，構成Touch PAD，與透明電極等比較，是一種可以非常低價格構成的方式。依據場所大小將Touch PAD的靜電PAD交互排成三角形或鋸子狀，經由比較接近PAD的信號量，即可檢知除了單純觸壓外，還可檢測觸壓哪個部位。將Touch PAD配置成上下/左右或環狀，當做手機音樂Player的容量Slider或Select Wheel Switch使用。而且最近的可攜式音樂Player、手機等，觸壓LCD表面2點即可以手勢進行操作，即利用本方式，若要本方式認識手寫文字等細部的檢知比較困難，但是認識使用手指的大動作相對容易多了。 七、壓力感測 (Force Sensing)方式

為了推出可使電子書的閱讀方式更為人性化，增加書寫功能，元太與美國觸控面板廠商F-Origin共同開發出Touch EPD新產品，採用的是「壓力感測(Force Sensing)」觸控原理。其構造係在電子紙顯示面板下方，加上數個壓力感測器(Force Sensor)，當使用者觸壓面板時，感測器接受訊號後經過精密的軟體運算，掌握觸壓的位置以及力量。此方式的優點在於不需將觸控面板放在顯示器的上方，因此不會影響電子紙面板的反射率，以及完全不需要用到ITO，因此在壽命上的表現將遠優於電阻式觸控面板，而且可用手或觸控筆完成觸壓。 八、內建光感測器方式

利用半導體階段的超微細加工技術來實現，而且使LCD本體直接成為Image Sensor的方式。LCD的TFT主動陣列，係以LCD各個Cell的Dot進行On/Off，因此設置了控制迴路。已開發在各Cell控制迴路設置出光的功能，LCD本身成為巨大平面Image Sensor，LCD各個Dot沒有透鏡，可直接讀取密著在LCD顯示面上的原稿反射，成為直接型的記憶掃描。記憶掃描時，為了掃描LCD表面的原稿，全畫面為白顯示(全透過)，由於係顯示用掃描，可以檢知Image。

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不過，觸控面板的場合，為了測量觸壓點，光源如何處理尚末清楚；此外，顯示與掃描使用相同矩陣配線，而為了當做觸控面板，必須交互替換，是否影響影像品質？或必須使用有光的筆嗎？不過，可以確定的是本方式卻是可同時多點輸入的唯一方式，因而備受矚目。 九、音響脈衝認識方式

音響脈衝認識(Acoustic Pulse Recognition；APR)方式與超音波方式一樣，利用觸壓時產生的振動在玻璃表面傳播音波，以檢知觸壓位置。觸壓時產生的玻璃表面振動，由配置在觸控面板玻璃表面周圍4個地方的壓電元件接收。而在物質中進行的波速，依不同材質有一定的值，利用感測位置不等的配置方式，傳播波到達的時間也不同，用4個地方的感測信號找出觸壓的位置。本方式是一種可利用高速演算CPU來實現的方式。優點在於因精密加工少，可望低價量產；缺點如為了感測玻璃面的觸壓波，LCD與觸控面板直接接合，必須預先組合並在工廠上進行位置補正。因此，像目前仍由客戶端組裝的狀況下，應用此方式仍有其困難度。

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