Advance in cell touch 先進內嵌式觸控,

 Advance in cell touch 的觸控革命

 作者 李祥宇 發明元塑總經理

 Sony推出 In cell touch的觸控手機，HTC EVO Design也推出使用 In Cell Touch的智慧手機，由外觀與時間點來判斷，應該都是使用 Sony In Cell Touch的技術， 最近又有外電報導Sony取代 Sharp成為Apple I phone 5的供應商，總總的跡象都顯示，一場觸控的革命正開始進行中，傳統的玻璃式或薄膜式觸控面板將會慢慢的淘汰，就連OGS看來都有相當的風險會敗下陣來，然而這些都是台灣觸控產業的命脈所在，台灣會不會在這場趨勢中被邊緣化，是需要注意的一件事，在數場研討會的演講中，筆者一再的提醒大家趨勢不可擋，要及早的因應做好準備，但是從會場反應，加上與許多大廠會後討論的情況來看，大家的危機意識普遍不夠，都沒做好改變的心理準備，還沉浸成功的喜悅中，或大廠的驕傲心態中，既不求新也不求變，所以可預見兩三年之內必嘗苦果，許多業界的觀點認為 Advance in cell touch的技術尤其是Apple 所提出的方案，只能用在小尺寸的行動裝置上，平板電腦不會受到影響，在筆者看來頗有自欺欺人的味道，小尺寸到大尺寸只是時間的問題，一位好的經營者是不會把希望建立在對手的無能上，因為有這個想法的風險太高。

 I phone 5 使用in cell touch 的觸控技術引起的大家的注意，一場 in cell touch 技術的再進化已經悄悄的展開，這種大魄力，大格局的創新改變，將面板與觸控產業緊緊的綁在一起，筆者從已公告的專利來分析，參與的廠商分別是美國的Apple，韓國的三星，日本的Sony，與台灣的SuperC_Touch (筆者的發明)，其他的廠商如LG，Sharp，TMD，友達，奇美，華映，彩晶等國內面板廠，與大陸的面板廠，在專利申請上並沒有看到讓人驚豔的表現，或許還有沒公告的專利申請，若相同或類似於上述先驅者，就會落入不利的地位，日後是否有機會加入戰場，還要看迴避專利設計的功力了，而觸控模組廠商如宸鴻，勝華，洋華，介面，牧東等，因為沒有面板的生產優勢，就必須往更高級的應用邁進，不然就有淘汰出局的隱憂，觸控IC設計的角色會越來越重要，有些還必須與LCD驅動IC一起協同設計，面對的技術挑戰也越來越高，一場優勝劣敗的戰爭再所難免。

    何謂 Advance in cell touch 的觸控技術，它跟傳統的 in cell touch的技術有何不同，其實大家可以這樣想像，Advance in cell touch 的觸控技術目的在於，把觸控功能放入LCD內部時，不能增加新的元件，不能降低開口率，降低面板生產的困難度，增加觸控IC設計的技術障礙，面板的開口率直接影響LCD的耗電，對行動裝置而言，是首要考慮到的問題，重要性更勝於成本考量與生產良率，所以把現有結構中的元件加以圖案化來完成觸控的功能是最好的選擇，歸訥上述廠商的做法，簡單的說就是如何把現有的 DITO 或 SITO 圖案用LCD內部各層上與現有的元件來製作與共存的方法。

        LCD的基本結構可以分為上玻璃與下玻璃請參考圖一，上玻璃有黑色陣列(BM)層位在上玻璃基板的下面，彩色濾光片的上面， (BM結構請參考 圖二)，Color Filter彩色濾光片層，V com透明電極層 (VA，TN結構時)，下玻璃有TFT，Gate line，data line等匯流排電極位於下玻璃的上面 ， V com 透明電極層(IPS結構時)，如果以 On cell的技術做比較(請參考圖三)，Sony的設計 比 on cell低半層(VA TN型 請參考圖四，IPS型請參考圖五) ，SuperC_Touch的設計比 on cell 低一層(請參考圖六) ，三星的設計比 on cell 低一層半(請參考圖七)，Apple的設計比 on cell低了兩層(請參考圖八) ，越低代表離上玻璃越遠，離下玻璃越近，以下就各家的做法敘述如下。

圖一 LCD結構

圖二

圖三 On Cell

圖四 Sony VA TN型LCD

圖五 Sony IPS型LCD

圖六 SuperC_Touch VA TN IPS 型LCD

圖七 三星IPS 型LCD

圖八 Apple IPS 型LCD

(一) Sony的做法，將感應層Rx用 ITO做在上玻璃的上面(如圖九上方的圖案)，把V com 的 ITO平面切成一條條的寬平行線做為Tx訊號層(如圖九下方的圖案)，如果LCD是VA，TN型時V com就在LCD 上玻璃的下面(如圖十)，看起來像不像把DITO的結構加上BM與Color Filter後當LCD的上玻璃使用(如圖十)，如果LCD 是IPS型時V com就在下玻璃的上面，像不像把LCD的上下兩片玻璃當觸控的G/G Type來使用(如圖五)，因為有用到LCD的上玻璃的部分，可以視為 On cell 與 in cell的混合設計，觸控IC的挑戰較簡單所以比較容易取得，如 Sony 最新的手機，擁有Floating touch的功能，用的觸控IC就是由Cypress所提供，目前已是可量產技術，但是面板生產良率會較差，就筆者的觀點來看是屬於過渡型的產品。

圖九

圖十

(二) Apple的做法，Apple 只用IPS型的LCD所以V com層在下玻璃的上面，將 V com的平面刻劃成類似 SITO的圖案(請參考圖十一)，再使用金屬線來跨橋連接(圖十一中的305)，所以訊號層Tx 與 感應層Rx都在下玻璃上面的同一層平面上，可以想像成用LCD的下玻璃做SITO結構的觸控技術(如圖八)，由於用來連接 Tx 與 Rx圖案的金屬線， 在不能降低LCD的開口率條件下，必須與gate line，data line做成立體結構，所以Apple 用了三層的立體金屬線結構請(參考圖十一)，如此也增加了面板生產的難度，所以在面板生產良率上將會很辛苦，這也是為什麼Apple 把 Advance in cell touch的觸控螢幕交給日本面板廠生產的主要原因，在觸控IC設計方面，由於在觸控電極的上方有儲存電荷的 ITO 電容，會遮蔽手指影響電力線的反應，降低感應量的變化，而ITO電容上的電荷會產生漏電流，形成測量上的雜訊，使用V com層作為訊號層時，ITO電容上的電壓就會成為雜訊的主要來源，所以觸控IC設計的困難度會相當高，好在Apple有龐大的資源可以不計代價的完成這個艱鉅的任務，換做他人早就認輸投降了。

圖十一

圖十二

(三) 三星的做法，將感應層Rx用的圖案做在BM層的下面或用金屬BM直接做成 Rx的圖案(參考圖十二的上方圖案)，將Tx做在V com層上如同Sony的做法一樣(參考圖十二下方圖案)，俯視圖可以參考圖十三，由於只改變了BM層的圖案與V com層的圖案，其他的製程都沒改變，所以在生產上幾乎沒有困難，良率與開口率都不會降低，缺點在於給觸控IC設計上有難以跨越的障礙，與Apple所面臨的相同，而 Rx與Tx的距離只有幾個微米 (um)，比Apple更近，手指距離Tx,Rx太遠，會讓觸控變化量變的非常小，LCD內部的雜訊又非常大，如果沒有如SuperC_Touch所發明的微擾共振技術可以有效的抑制雜訊，提高感應的靈敏度的方法來設計觸控IC，要量產的困難將會發生在找不到可以使用的觸控IC上。

圖十三

圖十四

(四) SuperC_Touch， 將單層All points的圖案做在BM層的下面或直接用金屬BM做圖案(請參考圖十四)，這方法跟三星的感應層Rx 的製作方法一樣，但是不必使用訊號層Tx所以沒有更動V com的透明電極層，因此SuperC_Touch的方法在生產上又比三星的方法更簡單，所以也當然不會影響到良率與開口率，配合自行研發的微擾共振技術，可以有效的抑制雜訊，提高靈敏度，量產的可行性最高。

圖十五

(四) SuperC_Touch， 將單層All points的圖案做在BM層的下面或直接用金屬BM做圖案(請參考圖十四)，這方法跟三星的感應層Rx 的製作方法一樣，但是不必使用訊號層Tx所以沒有更動V com的透明電極層，因此SuperC_Touch的方法在生產上又比三星的方法更簡單，所以也當然不會影響到良率與開口率，配合自行研發的微擾共振技術，可以有效的抑制雜訊，提高靈敏度，量產的可行性最高。

        SuperC_Touch的電極圖案採用最早以前的自電容式的 All point addressing方法，這個方法在早期無法受到重用有下列原因，但現在都已克服，說明如下。 

(1) 尺寸越大時自電容的點數會快速增加，觸控IC接腳越多，成本越高，但是以目前的IC生產成本，接腳對成本的影響不大。

(2) 中央的點線路會走不出來，當線路作在BM上時，走線的密度非常高，在15寸以內的面板都走的出來。

(3) 用ITO來走線時，越細ITO電阻越大，使用金屬線沒有電阻的問題。

(4) 點數越多須要越多的時間掃瞄，使用分區掃瞄再逐次接近的技術，可以輕易的解決。

       所以SuperC Touch 的 Advance in cell touch技術可行性最高

        從上面敘述各家的方法上可以清楚的看出Advance in cell touch 觸控技術有幾項共通的特點表列如下。

(一) 不增加任何新元件，只改變現有結構中的圖案，所以不會降低開口率，也不會影響使用壽命。

(二) 除了SuperC_Touch以外，其他三家繼續使用互電容的觸控方法。

(三) 除了SuperC_Touch 以外，其他三家都將原來整片的V com透明電極層圖案化。

(四) Apple 的方法需要與LCD驅動IC分時作業，觸控掃瞄分配到的時間很少，報點的速度會降低。

(五) 除了 SuperC_Touch以外，其他三家因為使用V com透明電極層當Tx訊號層使用，LCD 內部液晶電容上的電壓會成為觸控感應層接收到的雜訊，這個雜訊影響會大過Gate line 與data line的訊號，就算觸控掃描的時候，LCD驅動IC是處於靜止狀態，gate line與 data line上都沒訊號，可是 Pixel 的液晶電容上的電壓是 base在 V com的電壓之上，當 V com作為觸控用的訊號時，會形成疊加在Tx 訊號上的雜訊，由ITO的電極直接影響 Rx 感應線，這個雜訊將是觸控IC設計廠商的重大挑戰，液晶電容的雜訊有下列幾點特性。

(1)  液晶電容的雜訊是屬於低頻雜訊，不容易用硬體或軟體來消除。
(2) 每一個觸控點所遭遇的液晶電容雜訊都不相同，所以使用差動法也沒用。
(3) 液晶電容的雜訊範圍高達5V，同於資料寫入的電壓範圍，超過觸控發生時的訊號變化量。
(4) 用於IPS的LCD問題較大，用於TFT LCD時問題較小。

(六) 除了 SuperC_Touch 以外，其他三家因為把 V com透明電極層圖案化，如此會加大V com透明電極層的電阻，會造成LCD驅動IC於驅動上的設計困難外還會增加功率的消耗。

(七) 除了 SuperC_Touch 以外，其他三家為了要降低上述第五項所說的雜訊影響，必須增加Tx訊號的電壓，來增加SNR比，如此對功耗的考量非常不利，功耗與Tx訊號的電壓平方成正比，電壓每增加一倍，功率消耗增加四倍，耗電是行動裝置的重要考量因素。

(八) 在生產的良率上 SuperC_Touch與三星的結構要達到90%以上的良率很容易，Apple與Sony會有生產良率上的問題要克服。

    就筆者的分析來看，影響Apple 與 三星可否成功的重要關鍵是上述的第五項的意晶電容雜訊問題，可解決的機會不大，較可行的方法是放棄互電容的方法改用自電容的技術，如此就跟筆者的技術類似，可以擺脫 Tx的訊號糾纏，記得年初時Apple 非常低調的跟義隆就侵權官司達成和解，賠了義隆億1.5億，以Apple 使用互電容的技術來看，跟義隆的352號專利八竿子打不着，為什麼Apple在這麼多年後要認輸賠錢，其中必有緣故，可以合理的懷疑Apple 的Advance in cell touch技術有融合了自電容的方法在裡面，避免夜長夢多乘勢與義隆和解取得授權，讓使用 advance in cell touch 的 I phone 5可以放心的上市。

所以Advance in cell touch 的觸控產品成功關鍵，

將會在觸控IC的雜訊抵抗能力，與測量的靈敏度。

         Apple，Sony的成功所帶來的衝擊其實還在可承受的範圍，但是三星的結構如果成功卻關係著台灣整個面板與觸控產業的存活，因為非Apple的業務會被三星搶走大部份，而三星觸控面板可否成功的關鍵技術，是在有沒有可使用的觸控IC，因為Rx與Tx的距離只有不到10um，手指與Rx , Tx 距離卻有數百到數千um，相差了數百到數千倍，，所以可預見偵測到的觸控變化量將會非常少，而上述第五項所產生的雜訊又非常高，比筆者之前做SuperC_Touch第五代實驗時所面臨的問題還嚴重，筆者可以克服gate line與 data line所造成的雜訊(筆者的方法沒有Tx訊號線，所以也沒有上述第五項所說的雜訊問題)，三星能不能克服上述第五項所說的雜訊問題就要看大家的造化了，因為一但三星克服這個技術障礙，台灣將有兩兆以上的產業因接不到非Apple訂單而準備倒閉，影響遠大於Apple 的 in cell touch技術，Apple in cell touch 如果成功只會影響到供應鏈的宸鴻與勝華而已，三星的成功所帶來的影響，對台灣的產業而言是全面性的，而程度是毀滅性的。

     SuperC Touch的觸控技術花了兩年多的時間開發，始終堅持走不同的路，其中也和大家一樣遭遇許多困難與障礙，靠著下面的話  (取材自超完美搶案中的對白)  讓我一次又一次的突破，獲得成功，在此與大家共勉。

佛祖處於困惑之中，於是重回起點，回到祂所來之處，尋找方向、尋找答案，

也就是當遇到解不開的難題時，就回到原點去，重新找尋答案！