用廉价的铜布线实现大尺寸触摸面板

日本的触摸面板研究所开发出了可实现大尺寸触摸面板的透明导电性薄膜“SpiderNet”，已从2011年底开始供货。该薄膜是通过在PET薄膜上形成宽10μm以下的铜布线实现的。本文请触摸面板研究所开发部长中谷健司对开发经过、产品构造以及薄膜特性加以介绍。



如今，触摸面板是平板终端和智能手机不可或缺的输入装置。随着2012年秋季“Windows 8”的亮相，触摸面板还开始用作个人电脑的用户界面（UI）。在日本的购物中心等，楼层指南和Table PC等出现了采用30英寸以上大型触摸面板显示器的趋势。这个领域被称作数字标牌，市场在不断扩大之中。触摸面板的用途日益扩大，预计带触摸面板的显示器在日本的市场规模2015年前后将超过2万亿日元。

不过，大型触摸面板在成本和性能方面存在技术课题。触摸面板研究所通过在PET薄膜基板上形成铜布线，开发出了10英寸以上的产品也能充分发挥性能的透明导电性薄膜“SpiderNet”，并已经从2011年12月开始供货。本文将对开发的背景和开发品的特点及特性加以介绍。

10英寸以下的产品中ITO占主流

现在，智能手机和平板终端等使用的10英寸以下的触摸面板主要是静电容量式，触摸面板部采用作为独立的外置部件提供的“分立型”（图1）。这种触摸面板主要分为在传感器基板上使用ITO玻璃基板的类型和使用ITO薄膜基板的类型。“iPhone”等使用ITO玻璃基板，“iPad mini”使用ITO薄膜基板，市场目前分为树脂膜和玻璃两大领域。


图1：基于触摸面板截面构造的分类
目前以（a）分立型为主流，不过面向新一代产品，（b）玻璃盖板一体型和（d）In-cell型的开发也日趋活跃。

面向新一代产品，目前的开发趋势包括在覆盖产品机壳表面的玻璃盖板上配备触摸面板功能的“OGS（One Glass Solution）型”（也称为玻璃盖板一体型），以及在显示部嵌入触摸面板功能的“In-cell型”。OGS型方面，在整张化学强化玻璃盖板上形成ITO层，然后切割成单张的方式最有希望量产，但强化玻璃的切割方法及其成品率还存在问题。为解决该问题，实现轻量化并降低成本，“OPS（One Plastic Solution）型”受到了关注。也就是用树脂保护膜取代玻璃盖板的动向，后面将要提到的高耐热树脂膜就是候补之一。

In-cell型方面，“索尼的产品”将彩色滤光片基板上的防静电ITO层用到了传感器电极上，而美国苹果公司为“iPhone5”采用了在TFT基板上形成X和Y两个传感器电极的自主方式。两种方式均在触摸面板和液晶面板中共用驱动电路，所以需要同步触摸面板和液晶面板的驱动。因此，随着产品尺寸的增大，显示写入时间的比率增加，出现了难以确保触摸检测时间的课题。

尺寸增大，响应性降低

除了这些课题外，画面尺寸扩大到10英寸以上后，材料方面也会出现课题。一是，目前的ITO传感器电极的电阻变得过大，另一个是，电极数增加，边框布线部分的面积增大。

静电容量式触摸面板为实现多点触控，达到一定程度的位置精度，需要将传感器电极的间隔由现在的6mm缩小至4～5mm左右。要想满足Windows 8的性能参数，需要5mm以下的线距。画面尺寸一扩大，传感器电极的数量必然会增加。比如20英寸画面的Windows 8性能参数，X传感器电极和Y传感器电极合计需要150条，布线也需要150条。为了尽量缩窄设置布线的边框部，需要将布线的线宽/线距缩减至30μm/30μm左右，而且要尽量降低电阻值。

另外，作为静电容量式触摸面板透明导电膜所需特性的基础要素，可以将传感器电极端子间的电阻降至10k～15kΩ以下。这是供货传感器驱动IC的半导体厂商的要求。

下面以图2所示的棱形图案的传感器电极为例介绍一下这一要求的背景。该电路由电阻（R）和容量（C）两部分构成，电路的时间常数（信号上升时间）τ以τ＝R×C来表示。手指触摸时的信号变化也根据该时间常数动作，因此为了在信号检测的容许时间（μs程度）内检测出信号，需要R＝10k～15kΩ以下。图2的棱形图案中，传感器电极端子间的电阻值为10kΩ时，可获得面板尺寸与所需ITO膜薄膜电阻值的关系。


图2：触摸面板的尺寸及所需ITO膜的薄膜电阻值
广泛应用的ITO膜的薄膜电阻值为140Ω/□，不适合要求电阻值在100Ω/□以下的10英寸以上触摸面板。

从该计算结果可以发现，10英寸用触摸面板需要将ITO的薄膜电阻值抑制在100Ω/□左右，40英寸用大型触摸面板需要20Ω/□的ITO膜。当然了，最终结果因传感器的图案形状而异，不过这种关系是相同的。在市售的ITO/PET薄膜中，日东电工的140Ω/□产品是使用最广泛的材料，100Ω/□产品尚处于样品供货阶段。10英寸左右的触摸面板也利用ITO和PET薄膜制作，不过是通过在长边传感器电极的两端取出布线电极来应对。

而ITO玻璃在ITO成膜时可将玻璃基板加热至近300℃，因此能比薄膜基板降低电阻，可获得约20Ω/□左右的透明导电膜。不过，为降低电阻，需要增加ITO层的膜厚。所以，ITO特有的淡黄色很刺眼，形成图案时露底＊现象比较明显。即使是能以稍薄的膜厚利用的电阻，由于ITO层会产生干扰，从而导致透射率降低，因此也不能使用。而玻璃基板较重，容易破损，大型化时不容易处理。也就是说，大型触摸面板适合使用薄膜基板。

＊露底＝裸眼可以看到材质的变化。

开发ITO的替代薄膜 由于以上原因，需要使用适合大型化的100Ω/□以下的透明导电膜，主要有两种实现方法（图3）。①通过ITO成膜条件降低电阻、②采用ITO替代材料降低电阻。


图3：大型触摸面板用透明导电性薄膜的选择
大型触摸面板有两个选择：继续使用ITO或者使用代替材料。

在采用ITO层降低电阻的方法中，需要像ITO玻璃一样，将高耐热性薄膜加热到200℃以上形成ITO层。ITO层的透射率和露底现象可以通过层积光学调整层等方法解决。 [!--empirenews.page--]

高耐热性透明薄膜如表1所示，已有多家公司推出产品，还有公司宣布可以形成薄膜电阻值为50Ω/□左右的ITO膜。



《日经电子》1978年介绍ITO和PET薄膜的最初产品之后，各公司纷纷展开了研究，但并未能大幅降低电阻值。ITO的导电性以载流子密度和迁移率的积表示，提高载流子密度的话，迁移率就会降低。所以，7×10-5Ω·cm左右就是极限了。因此，作为透明导电膜，还可以尝试研究ITO以外的材料。

几年前，因铟（In）金属的资源枯竭问题，ITO替代材料受到关注，对很多材料进行了研究。目前的静电容量式触摸面板必须要降低电阻，因此ITO的替代材料也必须能实现低电阻化。导电性高分子和碳纳米管（CNT）涂布膜等难以降低电阻，所以被排除在外。能实现低电阻化的候补材料如表2所示，有银纳米线涂布膜、金属网和石墨烯膜的薄膜。



涂布银纳米线的薄膜从美国Cambrios Technologies公司采购原料银纳米线（产品名为“ClearOhm”），将其分散到粘合剂中，然后涂布到PET薄膜上制作而成。在日本，东丽及信越聚合物等4～5家公司宣布实现了薄膜化。通过使直径数十nm、长数十μ～数百μm的银纳米线互相接触，利用其接点导电。提高所含的银纳米线数量的话，透射率会降低，但能提高导电性。图4表示了透射率与薄膜电阻值的关系。


图4：透明导电性薄膜的透射率与薄膜电阻值的关系
可以看出，利用铜网状图案的“SpiderNet”与部材相比薄膜电阻值小，透射率也比较高。（图由触摸面板研究所根据Cambrios Technologies公司和Synaptics公司的资料制作）

要想将其用于静电容量式触摸面板的传感器薄膜，需要使导电层形成图案，因而需要制作布线电极。在图案化方面，采用湿法蚀刻的东丽开发出了部分蚀刻法。通过蚀刻将银纳米线从涂布层完全洗掉的话，该部分的雾度值会发生变化，与未蚀刻部分的差是造成露底现象的原因。因此，部分蚀刻法通过选择蚀刻条件，在导电性基本为零的情况下溶出部分银纳米线并去除。另外，信越聚合物开发了干法刻蚀，还自己制作了触摸面板。

银网状图案薄膜方面，富士胶片以“XCLEAR”的名称推出了利用自己擅长的银盐照片技术开发的面板。这是在PET薄膜上涂布卤化银层，直接曝光后显影并定影，然后利用银线制作网状图案的方法。银线宽为8μm左右。能以卷对卷方式制作双面图案薄膜。

通过印刷法利用银墨水制作网状图案的，是郡是公司的“DPT（Direct Printing Technology）”。为了进行印刷，线宽比较宽，为20μm左右。

美国3M公司虽然没有公布制作方法，但宣布能以3μm的线宽制作银网状图案。3μm线宽的话，已经达到肉眼看不到的水平，可以实现“真正的”透明导电膜。

石墨烯薄膜尚处于研究阶段，实用化还比较遥远，单独的膜有望实现高透射率。但将石墨烯膜设置在PET薄膜上的话，会影响PET薄膜的透射率，因此透射率会降低10％左右，估计最终与银纳米线基本相同。

选择铜/PET薄膜

基于以上研究，触摸面板研究所的研究人员认为，要想解决触摸面板大型化造成的透明导电性薄膜课题，在PET薄膜上形成金属网层的方法最合适，于是从2009年起展开了开发。金属材料采用易采购、成本低、易加工的铜膜。这种方式制作的透明导电性薄膜被命名为“SpiderNet”。

制作网状图案需要缩窄网格的线宽，因此采用了光刻法。另外，考虑到低成本量产性，选择了能用卷对卷方式处理的干膜法。

铜/PET薄膜采用铜膜厚2μm的蒸镀薄膜。由于铜膜呈红色，原以为需要实施黑化处理，但缩小线宽的话就基本看不到了，所以无需在意颜色。使用湿法蚀刻的初期阶段产品，线宽为10μm左右。这个宽度的话，仔细看能看到。缩小铜线宽度后，铜与PET之间的粘着力会下降，容易剥落。因此，在蚀刻后连续涂布了透明保护层。

图5为网状图案示例。传感器部以1～2mm的间距设置了多条细铜线。结合这些细铜线形成一个传感器，与布线电极连接。该传感器以5～6mm的间距配置。X传感器薄膜与Y传感器薄膜分别设置，利用光学粘合剂（OCA）粘合。制作的触摸面板从正面看有格子状的图案。


图5：采用铜网状图案方式透明导电性薄膜的触摸面板构造
在PET薄膜上绘制X、Y传感器线（a）。利用OCA粘贴X、Y传感器薄膜（b）。

即使细铜线有一根断了，只要剩余的铜线是好的，传感器就能正常工作，所以采用了一个传感器由多条细铜线形成的图案。如果用细铜线网形成ITO膜常用的棱形图案的话，在棱形间的狭小连接部，连接的铜线数量减少，万一断了，传感器将无法工作。可能会导致成品率降低，因此此次未予采用。

制作的触摸面板的透射率由细铜线的面积占有率决定，可以得出图4所示的透射率与薄膜电阻值的关系。不过，在网状图案中，电阻适合以传感器两端间的电阻表示，不适合用薄膜电阻值讨论。300mm长的传感器两端间的电阻只有约50Ω，非常低。此次的铜网状图案方式与ITO薄膜和银纳米线涂布薄膜等相比，可将电阻值减小一位数以上。

可利用卷对卷工艺

铜网状图案方式的另一个优点是，可解决触摸面板的大型化课题——降低布线电阻。在铜网状图案中，蚀刻铜膜时除了传感器部分外，布线部分也能利用低电阻铜膜形成图案。其线宽/线距可实现10μm/10μm。

图6是利用铜网状图案方式透明导电性薄膜制作触摸面板的工序。这里比较了利用ITO玻璃基板生产玻璃盖板一体型触摸面板的工序，以及利用ITO、PET薄膜基板和银纳米线膜、PET薄膜基板等生产分立型触摸面板的工序。利用玻璃基板的工序需要三道光刻工序和两道成膜工序。利用ITO、PET薄膜的工序需要一道光刻工序和一道布线印刷工序。

[!--empirenews.page--]
图6：铜网状图案方式与其他方式触摸面板的制造工序比较
铜网状图案方式的电极安装工序少，能以卷对卷工艺制造，因此可降低制造成本。

而铜网状图案方式只需要一道光刻工序即可形成传感器和布线。而且，该工序的优点是可利用卷对卷工艺形成。

能自由弯折和缠绕

利用铜网状图案方式制作的触摸面板的灵敏度取决于X传感器电极和Y传感器电极的电极间隔。该电极间隔在0.3～3mm间变化时的灵敏度如图7所示，即使间隔扩大，灵敏度的降幅也很小。间隔变小的话，可能是因为X、Y传感器电极的交点增加，导致寄生电容增加，灵敏度的增幅也比较小。另外，由于铜线的面积占有率增加，透射率也会降低。


图7：基于细铜线线距的灵敏度变化
即使扩大线距，灵敏度的降幅也较小，缩窄线距时的灵敏度升幅也不太大。

在铜网状图案透明导电性薄膜上粘贴玻璃盖板时，灵敏度会随着玻璃厚度而变化。图8中的实线表示玻璃盖板厚度在0～3mm间变化时的结果。由于业界普遍认为玻璃盖板厚度造成的灵敏度降幅比公开的ITO膜棱形图案触摸面板小，为了调查个中缘由，我们实施了计算机模拟。


图8：玻璃盖板厚度依赖性
本图将增加玻璃盖板厚度时的灵敏度变化进行了系统显示。虚线通过右图进行模型化后，显示了计算结果。

在手指与平板型传感器的构造中，静电容量以C＝εS/d来表示，在网状电极与手指的构造中，静电容量以C＝2πεL /In(2d/b)来表示。假设S为1cm见方，网状电极的形状为在1cm见方的面积中，在X、Y传感器电极上各排列10条b＝8μm宽的细铜线。此时，当电极与手指的间隔d只有不到约0.5mm时，平板型传感器构造的容量值较大，而d扩大到0.5mm以上时，网状构造传感器的容量值较大。我们的铜网状图案SpiderNet薄膜对灵敏度的依赖性与网状电极的模拟结果相似。

铜/PET薄膜原来在FPC（Flexible Printed Circuits）等用途广为人知，可弯折性出色。因此，我们测量了将SpiderNet薄膜缠绕在细棍上时的电阻变化（图9）。在180度弯折的状态（缠在直径0㎜的棍上时）下未发现电阻增加，因此判定其具备出色的可弯折性。


图9：铜网状图案方式透明导电性薄膜的弯曲特性
即使完全弯曲，电阻值也不会发生变化。

这种出色的可弯折性将扩大触摸面板的新用途。比如无框触摸面板、卷绕式触摸面板。

无框触摸面板是指，把与普通显示器在同一平面上的布线部分设置到显示器侧面或显示器背面，在与显示器相同的平面内只设置传感器部分的构造。图10（a）就是这种模式的样品。在显示器的边角将触摸面板弯曲成90度，把X、Y传感器电极用布线配置在侧面。已经确认在这种状态下可进行多点触控操作。


图10：能随意弯曲和缠绕
通过将布线部分设置到显示器侧面，可大幅削减面板的边框部分（a）。还可以缠绕，因此能作为缠绕式或与有机EL面板组合的方式使用（b）。

卷绕式触摸面板如图10（b）所示，将其卷绕在直径3cm左右的圆柱上收纳起来，在需要的时候拉出来使用。这种卷绕式触摸面板适合制作卷绕式有机EL显示器。

耐久性也无问题

铜的离子化倾向比银高，容易氧化。但在常温下，银容易在有电场的状态下产生迁移。因此，我们对采用SpiderNet的触摸面板实施了耐久性试验。

我们实施了电阻膜式触摸面板的普通试验——高温保持、低温保持、高温高湿保持、温度循环试验。表3是试验结果。得出的结论是，在目前的试验时间内，无论是外观上还是性能上都没有发现任何变化。这些是没有电场的试验，今后需要调查加载电场时的情况。



SpiderNet的课题与未来

如上所述，铜网状图案在特性、成本和耐久性方面均超越了此前的ITO膜。用户在听到金属网时最担心的是裸眼能看到网格。

的确，在开发初期铜线宽为10μm左右时，仔细观察面板的话有时会看到网格。但通过利用干式薄膜法，并改进曝光，现在已经试制出了线宽为4μm的细铜线。线宽在5μm以下的话，就很难裸眼看到铜线，能实现“真正的”透明导电膜。铜网状图案方式的触摸面板已经到达这个阶段（图11）。因此，不仅是大型面板，还可以用于无框平板终端的触摸面板。


图11：通过缩小细铜线宽度，裸眼看不到图案
线宽降到5μm以下的话，裸眼就看不到了。在试制水平已经实现了4μm，达到了裸眼看不到的水平。

将网状图案重叠在液晶显示器上时，有时会产生波纹。这是网状图案与显示器的像素图案因干扰而产生彩虹斑纹的现象。采用使网状图案相对于像素图案倾斜的图案，或者采用波状图案可以防止波纹产生。

另外，在玻璃盖板上形成铜网状图案的OGS型触摸面板以及将玻璃盖板换成树脂的OPS型触摸面板也正在开发中。（特约撰稿人：中谷 健司，触摸面板研究所开发部长）