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改朝换代的Advanced In-cell触控技术
一场优胜劣败的战争

【作者: 李祥宇】2012年09月07日 星期五

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近来市场上什嚣尘上的一个消息是,iPhone 5 很​​可能会使用In-cell touch 的触控技术。这件事终于引起的大家的注意,一场In-cell touch技术的再进化已经悄悄的展开,这种大魄力、大格局的创新改变,将面板与触控产业紧紧的绑在一起。


从已公告的专利来分析,已投入的主要厂商分别是美国的Apple、韩国的三星、日本的Sony,与台湾的SuperC_Touch,其他的厂商还包括LG、Sharp、TMD、友达、奇美、华映、彩晶等国内面板厂。未来若有相同或类似于上述先驱者的专利,就会落入不利的地位,日后是否有机会加入战场,还要看回避专利设计的功力了。


而触控模组厂商如宸鸿、胜华、洋华、介面、牧东等,因为没有面板的生产优势,就必须往更高级的应用迈进,不然就有淘汰出局的隐忧。触控IC设计的角色会越来越重要,有些还必须与LCD驱动IC一起协同设计,面对的技术挑战也越来越高,一场优胜劣败的战争在所难免。


In-cell Touch各家作法剖析

何谓 Advanced In-cell touch 的触控技术?它跟传统In-cell Touch的技术有何不同?其实大家可以这样想像,Advanced In-cell触控技术的目的在于把触控功能放入LCD内部时,不能增加新的元件,也就是取代掉现在的外挂式触控面板。在设计上,由于面板的开口率直接影响LCD的耗电,对行动装置而言,是首要考虑到的问题,因此In-cell的作法不能降低开口率,其重要性更胜于成本考量与生产良率。



图一
图一

LCD的基本结构中,上玻璃有黑色阵列(BM)层位在上玻璃基板的下面,彩色滤光片的上面。一般On-cell触控技术的Rx感应层及Tx讯号层做在上玻璃之上方(参考图一),In-cell技术则做于LCD结构之中,以下分别剖析三项重要的In-cell做法。


Sony作法剖析

Sony的做法是将感应层Rx用ITO做在上玻璃的上面,把Vcom 的ITO平面切成一条条的宽平行线做为Tx讯号层,如果LCD是VA,TN型时Vcom就在LCD 上玻璃的下面。此作法看起来就像把DITO的结构加上BM与Color Filter后当LCD的上玻璃使用。


如果LCD 是IPS型时,Vcom就在下玻璃的上面,这又像把LCD的上下两片玻璃当触控的G/G Type来​​使用,因为有用到LCD的上玻璃的部分,可以视为On cell与In-cell的混合设计,触控IC的挑战较简单所以比较容易成功。如 Sony 最新的手机,拥有Floating touch的功能​​,用的触控IC就是由Cypress所提供,目前已是可量产技术。但是此技术的面板生产良率会较差,就笔者的观点来看是属于过渡型的产品。


Apple作法剖析

Apple 只用IPS型的LCD来实现其In-cell架构,所以V com层在下玻璃的上面,将V com的平面刻划成类似SITO的图案(请参考图五),再使用金属线来跨桥连接(图五中的305),所以讯号层Tx 与感应层Rx都在下玻璃上面的同一层平面上,可以想像成用LCD的下玻璃做SITO结构的触控技术。


由于用来连接Tx 与Rx图案的金属线,在不能降低LCD的开口率条件下,必须与Gate line、Data line做成立体结构,所以Apple用了三层的立体金属线结构(参考图五) ,如此也增加了面板生产的难度,所以在面板生产良率上将会很辛苦,这也是为什么Apple 把Advanced In-cell touch的触控萤幕交给日本面板厂生产的主要原因。


图二
图二

在触控IC设计方面,由于在触控电极的上方有储存电荷的ITO 电容,会遮蔽手指影响电力线的反应,降低感应量的变化,而ITO电容上的电荷会产生漏电流,形成测量上的杂讯,使用V com层作为讯号层时,ITO电容上的电压就会成为杂讯的主要来源,所以触控IC设计的困难度会相当高,好在Apple有庞大的资源可以不计代价的完成这个艰巨的任务,换做他人早就认输投降了。


三星作法剖析

三星将感应层Rx用的图案做在BM层的下面,或用金属BM直接做成Rx的图案(参考图六),将Tx做在V com层上,由于只改变了BM层的图案与V com层的图案,其他的制程都没改变,所以在生产上几乎没有困难,良率与开口率都不会降低,缺点在于给触控IC设计上有难以跨越的障碍。


与Apple所面临的挑战相同,其Rx与Tx的距离只有几个微米(um),比Apple更近,手指距离Tx,Rx太远,会让触控变化量​​变的非常小,LCD内部的杂讯又非常大,如果没有可以有效抑制杂讯的作法,以提高感应的灵敏度的方法来设计触控IC,要量产的困难将会发生在找不到可以使用的触控IC上。


SuperC_Touch作法剖析

SuperC_Touch将单层All points的图案做在BM层的下面或直接用金属BM做图案(请参考图七),这方法跟三星的感应层Rx 的制作方法一样,但是不必使用讯号层Tx,所以没有更动V com的透明电极层,因此SuperC_Touch的方法在生产上又比三星的方法更简单,也不会影响到良率与开口率,配合自行研发的微扰共振技术,可以有效的抑制杂讯、提高灵敏度,量产的可行性最高。


各家共通特点

从上面叙述各家的方法上可以清楚的看出Advanced In-cell touch 触控技术有几项共通的特点:


(1)不增加任何新元件,只改变现有结构中的图案,所以不会降低开口率,也不会影响使用寿命。


(2)Sony、Apple和三星继续使用互电容的触控方法。


(3)Sony、Apple和三星都将原来整片的Vcom透明电极层图案化。


(4)Sony、Apple和三星都要与LCD驱动IC分时作业,触控扫瞄分配到的时间很少,报点的速度会降低。


(5)Sony、Apple和三星因为使用Vcom透明电极层当Tx讯号层使用,LCD内部ITO电容上的电压会成为触控感应层接收到的杂讯,这个杂讯影响会大过Gate line 与Dta line的讯号,就算触控扫描的时候,LCD驱动IC是处于静止状态,Gate line与Data line上都没讯号,可是Pixel的ITO电容上的电压是base在Vcom的电压之上,当Vcom作为触控用的讯号时,会形成叠加在Tx讯号上的杂讯,由ITO的电极直接影响Rx 感应线,这个杂讯将是触控IC设计厂商的重大挑战。


(6)Sony、Apple和三星因为把 Vcom透明电极层图案化,如此会加大V c o m透明电极层的电阻,造成LCD驱动IC于驱动上的设计困难,同时还会增加功率的消耗。


(7)Sony、Apple和三星为了要降低上述第五项所说的杂讯影响,必须增加Tx讯号的电压,来增加SN R比。由于功耗与Tx讯号的电压平方成正比,电压每增加一倍,功率消耗增加四倍,此作法对功耗的考量非常不利,而低耗电却是行动装置的重要考量因素。


(8)在生产的良率上 SuperC_Touch与三星的结构要达到90%以上的良率很容易,Apple与Sony会有生产良率上的问题要克服。


图三
图三

触控产品成功关键

总结来说,未来,Advanced In-cell Touch 的触控产品成功关键,将会在触控IC的杂讯抵抗能力,与测量的灵敏度。


再进一步看,Apple的成功所带来的冲击其实还在可承受的范围,但是三星的结构如果成功,却关系着台湾整个面板与触控产业的存活,因为非Apple的业务会被三星抢走大部份。


而三星触控面板可否成功的关键技术,则在有没有可使用的触控IC,因为Rx与Tx的距离只有不到10um,手指与Rx、Tx 距离却有数百到数千um,相差了数百到数千倍,所以可预见侦测到的触控变化量​​将会非常少。此外,如何解决严重杂讯也是关键挑战。


一旦三星克服这些技术障碍,台湾将有两兆以上的产业因接不到非Apple订单而准备倒闭,影响远大于Apple 的In-cell Touch技术,因为Apple In-cell Touch 如果成功只会影响到供应链的宸鸿与胜华而已。


请容笔者再苦口婆心的强调一次,三星的成功所带来的影响,对台湾的产业而言是全面性的,而程度是毁灭性的,必须要认真而且慎重的看待这件事。


(作者为SuperC_Touch总经理)


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