[導讀]日本的觸摸面板研究所開發(fā)出了可實現(xiàn)大尺寸觸摸面板的透明導電性薄膜“SpiderNet”，已從2011年底開始供貨。該薄膜是通過在PET薄膜上形成寬10μm以下的銅布線實現(xiàn)的。本文請觸摸面板研究所開發(fā)部長中谷健司對開發(fā)經(jīng)過
日本的觸摸面板研究所開發(fā)出了可實現(xiàn)大尺寸觸摸面板的透明導電性薄膜“SpiderNet”，已從2011年底開始供貨。該薄膜是通過在PET薄膜上形成寬10μm以下的銅布線實現(xiàn)的。本文請觸摸面板研究所開發(fā)部長中谷健司對開發(fā)經(jīng)過、產(chǎn)品構造以及薄膜特性加以介紹。
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，樓層指南和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?！癷Phone”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動電路，所以需要同步觸摸面板和液晶面板的驅動。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，最終結果因傳感器的圖案形狀而異，不過這種關系是相同的。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。
＊露底＝裸眼可以看到材質的變化。
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整層等方法解決。 [!--empirenews.page--]
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。
《日經(jīng)電子》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系。
圖4：透明導電性薄膜的透射率與薄膜電阻值的關系
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。縮小銅線寬度后，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。可能會導致成品率降低，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。
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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，顯示了計算結果。
在手指與平板型傳感器的構造中，靜電容量以C＝εS/d來表示，在網(wǎng)狀電極與手指的構造中，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，平板型傳感器構造的容量值較大，而d擴大到0.5mm以上時，網(wǎng)狀構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面或顯示器背面，在與顯示器相同的平面內只設置傳感器部分的構造。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是試驗結果。得出的結論是，在目前的試驗時間內，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。（特約撰稿人：中谷 健司，觸摸面板研究所開發(fā)部長）
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，樓層指南和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?！癷Phone”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動電路，所以需要同步觸摸面板和液晶面板的驅動。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，最終結果因傳感器的圖案形狀而異，不過這種關系是相同的。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。
＊露底＝裸眼可以看到材質的變化。
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整層等方法解決。 [!--empirenews.page--]
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。
《日經(jīng)電子》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系。
圖4：透明導電性薄膜的透射率與薄膜電阻值的關系
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。縮小銅線寬度后，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。可能會導致成品率降低，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。
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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，顯示了計算結果。
在手指與平板型傳感器的構造中，靜電容量以C＝εS/d來表示，在網(wǎng)狀電極與手指的構造中，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，平板型傳感器構造的容量值較大，而d擴大到0.5mm以上時，網(wǎng)狀構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面或顯示器背面，在與顯示器相同的平面內只設置傳感器部分的構造。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是試驗結果。得出的結論是，在目前的試驗時間內，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。（特約撰稿人：中谷 健司，觸摸面板研究所開發(fā)部長）
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