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《觸控大「視」野》

突破生產製造瓶頸 大尺寸電容式觸控面板崛起

2009/2  黎家儼/宋禎珠
觸控技術起源甚早,目前已漸漸深入日常生活中,各尺寸觸控面板有其不同的市場與主要技術,在消費性電子領域,中小尺寸電容式觸控面板技術已臻成熟,而大尺寸則囿於面積加大,在製程精度、均勻度以及其他如搬運、包裝等方面都面臨諸多挑戰,若能針對此門檻購入新一代的製造、設計平台,同時提升工作人員素質,則各種問題將可迎刃而解。
觸控面板的發展源於更人性化的機器介面操作,隨著技術的進步,不再僅限於軍方或航空等高科技領域使用,生活上也隨處可見,使用者不再需要滑鼠鍵盤,也不必繁複的操作,只要用手指輕點所欲選取的目標即可。也許一般人曾以為觸控介面的產品只有手機、個人數位助理(PDA)等攜帶型產品,但用心觀察會發現自動提款機也是觸控介面,甚至在車站的購票系統也是,若認為觸控面板的發展僅止於此,則可拭目以待愈來愈多大型的觸控產品,如電子廣告看板、電子白板等。  

看過美國知名影集CSI犯罪現場.邁阿密嗎?看著犯罪實驗室中,探員靈活的運用大型觸控螢幕辦案,這種看似很炫的科技已不是電視的特效,而是確確實實可實現的技術,而且已漸漸出現在生活的周遭。  

想像生活在一個觸控的世界,每天早上一起床,輕觸床頭旁的觸控面板打開音響,到洗手間用觸控的方式選擇水壓大小及水溫來洗臉,帶著有觸控螢幕的筆記型電腦,到捷運站用觸控螢幕購買捷運車票,等車的時間可以利用站內的資訊導覽系統了解今天的天氣及新聞,到公司的會議室用互動式電子白板進行教育訓練,下班後到餐廳用餐,利用觸控螢幕菜單選擇要享用的餐點及飲料,用餐結束後,在精品店門口,由電子互動式看板得知店內又進了哪些新的貨色,即使商店已經關門,仍可直接刷卡購買,這種看似電影中的場景其實已經在生活中實現。  

隨著人類對於視覺及操作便利性的需求提升,再加上技術的日漸成熟,愈來愈多的產品都開始使用觸控面板,以強調其簡易的人機操作,所以觸控面板的應用層面愈來愈廣,不再局限於小尺寸的應用,就如同液晶顯示器一樣,尺寸日益變大,為的就是滿足不同領域的需要,而觸控面板也是大勢所趨。  

觸控面板市場依尺寸而有不同  

觸控帶來更方便的操作,而就目前觸控面板的市場,可依尺寸大小不同市場,分述如下:
小尺寸
  小尺寸為4吋(含)以下。最常見的是手機及數位相機等應用,輕薄短小是其特色,以電阻式的觸控面板為主流,在目前消費性產品中已被大量使用,低毛利且市場競爭也相對激烈,另外,因iPhone所引起話題的投射式電容觸控面板也正颳起一陣旋風,引起許多廠商的興趣並投入。
中小尺寸
  即5∼9吋,最常見到的產品是全球衛星定位系統(GPS)或其他手持裝置,有些數位相框也加裝觸控面板,以增加產品特色。此區塊仍是以消費性電子產品為主,並以電阻式的觸控面板為主流,而電容式面板使用於需高耐用度之公共或特殊應用。
中大尺寸
  為10∼21吋大小的面板,產品應用偏向商業或工業性質,包括工業電腦等,主要的技術為電容式的觸控面板,也可以見到電阻式或聲波式的觸控技術。由於商業或工業上的應用要求可靠度更高、更耐用,故電容式觸控面板可輕易符合抗刮及耐磨的要求,且優異的透光度表現也遠勝於電阻式的觸控面板。
大尺寸
  即22吋以上,一般較大尺寸所使用的觸控面板技術包括電容式、紅外線式與聲波式,不過大尺寸電容式觸控面板具有相對的優勢。由於紅外線式及聲波式的觸控面板易受異物或錯誤訊號的干擾而產生誤動作,並容易因為發射器或接收器的故障導致無法使用,且尺寸越大越容易失效,而電容式觸控面板構造不因尺寸放大而變複雜,其訊息是透過手指或可導電物品之觸碰產生,因此在大尺寸之應用下,因誤動作或故障所產生之失效狀況便大幅減少,所以電容式觸控面板在大尺寸之應用時,其耐用度和穩定度和其他技術比較更易展現其優勢。

另外,隨尺寸變大,系統產品為符合機構設計及應用的整體性,觸控面板必須容易與顯示器整合,若因觸控面板的整合而使結構變複雜或使整個機台形體變龐大,可能在某些領域上的實用性就不高,如紅外線式及聲波式觸控面板不是重量較重便是較厚,對於一些系統產品在安裝上也因特殊整合考量而使其較難被採用。而電容式觸控面板由於結構上只有單純的觸控面板及控制器,就重量及厚度而言都較紅外線式輕與薄,所以不但容易安裝,與系統產品整合的機構設計簡單,所以在大尺寸應用上,電容式觸控面板最容易整合。  

目前中大尺寸及大尺寸觸控面板常見的應用包括自動提款機、資訊導覽系統、自助服務系統(Self-service)、互動式數位電子看板(Interactive Digital Signage)、教育平台(Education Platform)及遊戲(賭博)機台(Gaming Machine)。  

自動提款機是最隨處可見的觸控螢幕系統,無論是設在銀行、便利商店或車站等處,用手指輕輕一按即可提領出所需的鈔票,而尺寸也由早期的12吋進化到現在的15或17吋。資訊導覽系統常見在車站、機場或大型百貨商場,尤其以歐美日等先進國家更常見到,其所提供的服務包括車次或者班機的時刻表,也提供電話及電子郵件的通訊服務,並可利用信用卡付款方式,而在百貨商場的資訊導覽系統則提供百貨樓層及促銷情報等資訊。  

自助服務系統普遍使用19吋螢幕,也以歐美區域較為常見,一般用作交易的媒介,如車票或物品的購買,也提供線上刷卡的服務,以節省商店的人力及顧客的時間;遊戲(賭博)機台如樂透(Lottery)及賓果(Bingo),目前22吋螢幕逐漸成為主流;教育平台方面如互動式白板(Interactive Whiteboard)則在26吋以上;而互動式數位電子看板則大多在32吋以上。  

未來這些領域所使用的觸控面板的尺寸只會增大不會縮小,而且這些產品也將會在市面上愈來愈普及,由此可見大型觸控面板的應用將會愈來愈廣泛,而生活習慣也即將因為這個技術的發展開始改變。  

研發大尺寸面板面臨諸多技術挑戰  

在大尺寸觸控面板的設計及製程開發上,因其重量及尺寸的特性,將面對以下挑戰:
線性準確度
  面板的線性準確度是產品規格中最主要的項目,觸控面板既然是要取代滑鼠游標,故其觸控的準確性就變得非常重要。尤其有愈來愈多的觸控面板系統進行的是金錢的交易,如自動提款機、賭博遊戲機及自助線上付款,若因為線性的不準確導致訊號發送錯誤將引起嚴重後果,由此可知,牽涉金錢交易的觸控面板絕對不容許誤觸動。
雜訊處理
  觸控面板愈大,整個線路設計、雜散電容處理及雜訊過濾的難度也愈高。雜訊過高會造成觸控系統操作不穩,因此在觸控系統設計時,須考慮整個系統電氣特性,優化控制器、觸控面板及顯示器之整合,降低雜訊干擾,以維持產品操作的穩定性。
大基板搬運與輸送
  面板愈大所使用的基板便愈大,也代表製程在搬運與輸送這大型基板將面臨更高的難度。以一個32吋的電容式觸控面板而言,其重量相當於2公斤,使用的是600毫米×800毫米的玻璃基板;而一個15吋的電容式觸控面板則大概約600公克重,使用的是300毫米×400毫米的玻璃基板。在大尺寸觸控面板的生產過程中,基板的搬運拿取及運送需有新的設計,在機械自動化設計上,因尺寸和重量增加,使機械負載增加,所以在機台之設計上出現許多挑戰;而在人工搬運部分也須導入特殊之治具及載具,以免易碎之玻璃基板於生產過程中毀損,此外,生產32吋觸控面板所耗費的人力時間成本遠大於15吋,所需要的人員訓練也愈多。
製程精度及維持均勻度
  基板尺寸放大對維持製程之精度及均勻度形成新的挑戰。以製程對位精度為例,當尺寸放大一倍,相同之精度下便可能產生一倍的偏差量,所以為控制偏差量便須提高精度。在製程均勻度的維持上,也須特別考量,以連續輸送之高溫燒結製程為例,若同一基板前後溫差太大,將導致玻璃基板的翹曲甚至破裂;又以雷射蝕刻為例,基板放大使維持平整度的困難度增加,基板不平整會使蝕刻出現不均勻現象,所以當基板尺寸放大時,在製程上須重新設計機台及調整參數達到製程對位精度與均勻度之要求。
測試與包裝
  自動測試機台須重新設計以適應大尺寸面板的檢測,在人工檢測上須導入全新之檢測治具。大尺寸成品在包裝所需要的保護性較高,包材所須使用的材料也較厚實,不同於小尺寸的包裝常以多片共同包裝的方式進行,為控制裝箱體積,大尺寸的包裝箱所能裝載片數便大幅減少。
成本提高
  大尺寸觸控面板生產之設備投資成本、原材料成本、生產成本及包裝運輸成本均較生產中小尺寸觸控面板增加許多,良率的控制困難度也提高許多。

對於上述這些挑戰,業界廠商為生產大尺寸之電容式觸控面板,在面板之設計上採用新的設計,確保觸控面板的線性精確度,並在面板電氣特性設計上搭配控制器,達到操作的穩定性,更導入穩健設計(Robust Design)方式,使產品特性對製程誤差的容忍度提高,進而從設計提升產品品質與生產良率。  

圖1是電容式觸控面板的製造流程圖,圖中色塊較深的製程為製作大尺寸觸控面板新添增的機器設備,除了原連續式高溫爐設備、基板清洗及切割磨邊設備可處理大尺寸面板外,其餘機台設備均投資購入。

資料來源:達諾光電
圖1 電容式觸控面板生產流程

圖2 大尺寸用之雷射機台(左)與一般尺寸用之雷射機台(右)對照

圖2為生產大尺寸面板之雷射蝕刻機台與生產一般尺寸面板之機台對照,由圖中可看出,生產大尺寸面板所用之機台在體型上較原有生產一般尺寸之機台大出許多,所占空間也大,投資成本相對也增加。  

大尺寸觸控面板生產設備在設計時便須將製程對位精度及均勻度要求做精準的設計,對操作基板的運送均須特別考量,往往須要加入許多輔助設計,且對製程參數之設定與生產一般尺寸面板均不相同,所以須重新設定調校。除了全新之機器設備,輔助生產之夾治具、運送台車、各項檢測器具及包裝方式均須重新設計製作,圖3為32吋面板生產中,人員對液晶顯示器(LCD)外觀的檢測,此外,為生產大尺寸觸控面板,生產人員須經過對基板操作及檢驗方法之加強訓練,才能確保生產良率。  

圖3 人工檢驗液晶螢幕外觀
經過機器設備之設置及試車、新的生產治具之導入、製程參數之設定及生產人員之訓練,在整個產品開發過程中,堅持每個環節都以嚴謹的態度面對,對細節均嚴格要求,如此一來,才能降低大尺寸面板生產成本,使其獲得更多新興應用的青睞。

(本文作者依序為達諾光電技術長暨研發處副總經理、達諾光電產品管理專員)  

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