JP2017097464A - 電子ペーパー表示装置用タッチセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】電子ペーパー表示素子に外付け方式で静電容量方式のタッチセンサ機能を付与するタイプの表示装置でありながら、タッチセンサの配線パターンが目立たず、アクティブエリアでの透過率を十分高くすることができ、大型（大画面）表示装置の応用の上で好適なタッチセンサを提供する。【解決手段】光透過性支持体に形成された金属層をサブトラクティブ法によりパターニングされてなる、複数のストライプ（メッシュ）パターンを有する２層の導電部を有するタッチセンサの配線パターンであって、２層のパターンは、それぞれ所定の間隔を有して並列配置された複数本の組からなる検出用行配線（ｘ方向），検出用列配線（ｙ方向）によりタッチ箇所を検出する直交座標を規定してなり、ストライプパターン（メッシュパターンを構成する単位格子）は、金属層の線幅≦５μｍ，並列間隔≧５００μｍであり、表面に黒色化処理を施してなる。【選択図】図３

Description

本発明は、タッチセンサ機能を付与してなる電気泳動表示基板を具備する表示装置（以下、電子ペーパー表示装置と称する）に関する。

画像表示素子への電力の供給を切っても画像が保持される表示基板である電気泳動表示基板が実用化され電子書籍や電子棚札の表示基板として普及している。この実用化されている電気泳動表示基板で代表的なものは、Ｅ Ｉｎｋ社のマイクロカプセル型電気泳動表示基板とＳｉｐｉｘ社のマイクロカップ型電気泳動表示基板であり、前者はそれぞれ正と負に帯電した白と黒の着色粒子を無極性で透明な分散媒に分散させた液をマイクロカプセルに封入したものを表示素子として用い、電極が形成された基板に高密度に配置した平面形状の表示基板としている。一方後者では基板にマイクロカップと呼ばれる無数の窪みを形成し、この窪みに正または負に帯電した着色粒子と無極性の着色液を封入したシートを用い平面形状の表示基板としている。

電子ペーパー表示装置にタッチセンサ機能を付与する提案として、高い透過率と優れた耐久性を具現することが出来、マルチタッチが可能である静電容量方式タッチセンサを適用するタッチパネル一体型電子ペーパーに係る特許文献１が例示される。
特許文献１の電子ペーパー表示装置（１００）は、
上部基板と下部基板の間に備えられた電子インク（１１０）；
前記上部基板の下面に備えられて前記電子インクを駆動し、信号を発生させる上部電極（１２０）；
前記下部基板の上面に備えられて前記電子インクを駆動する下部電極（１３０）；及び
前記上部基板の上側に備えられて、前記信号によって前記上部電極と静電容量が形成され、入力手段がタッチする時に前記静電容量の変化を感知するセンシング電極（１４０）；
を含むことを特徴とするタッチパネル一体型電子ペーパー（請求項１）であり、（図１参照）
電子ペーパーの上部電極（１２０）をタッチパネルの駆動電極に用いて、電子ペーパーとタッチパネルを一体型に結合させることによって、電子ペーパーの長所である薄い厚さを維持しながらも直観的な情報入力を可能とすることを目的としている。
電子インク１１０は、上部電極１２０と下部電極１３０の電圧によって駆動されて使用者が認識することができるイメージを具現するものであり、電子インク１１０は粒子回転型（Ｔｗｉｓｔ ｂａｌｌ ｔｙｐｅ；図１参照）と電気泳動型（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ｔｙｐｅ；図示せず）に分けられる。粒子回転型は、約１００μmの大きさを有する粒子１１１の半球に夫々他の電荷を有する黒／白の物質を夫々コーティングした後、上部電極１２０と下部電極１３０から加えられる電圧の極性変化を通じて黒／白イメージを具現する方式である。粒子回転型は、粒子１１１が印加された電圧により特定軸に沿って回転することによって、光を吸収、散乱または反射してイメージを表示するようになる。

行配線（ｘ方向）と列配線（ｙ方向）による直交座標を規定するタッチパネルにおける配線間隔は、指先のタッチ箇所を検出する程度の解像度で十分な場合、約５ｍｍで十分である。スタイラス（タッチペン）のタッチ箇所を検出する場合でも、約１ｍｍで十分である。図１に示される構成の表示装置では、タッチパネルのセンシング電極（１４０）と駆動電極（電子ペーパーの上部電極を兼ねる）とが１：１で対応しているが、電子ペーパーの上部電極は、マイクロカプセルを反転させて白／黒を表示する「画素」のサイズに相当するため、１ｍｍよりもオーダーの小さい間隔であり、現実的には到底同図の様にはならない。（タッチパネルのセンシング電極が無駄に微細であるか、電子ペーパーの上部電極の一部のみをタッチパネルの駆動電極に充てることになる。）

特開２０１２−０２７８９０号公報

スマートフォンやモバイル端末向けで、ＩＴＯ製の透明電極からなる配線パターン（検知電極）を具備するタッチセンサが広く普及しているが、表示装置の大型化に伴い、検知電極の抵抗値を低下させることが求められており、電気抵抗値の低い金属材料を用いて検知電極を作製したタッチセンサも普及しつつある。このタッチセンサでは、検知電極が幅狭の導線として形成されている。このため、アクティブエリア（表示画面）での透過率を十分高くすることが出来ると共に、金属材料の導電率が高いことから、金属導線の幅を狭くしても、タッチセンサの面抵抗率（Ω／□）を十分小さくすることができる。

本発明では、電子ペーパー表示素子に外付け方式で静電容量方式のタッチセンサ機能を付与するタイプの表示装置でありながら、タッチセンサの配線パターンが目立たず、アクティブエリアでの透過率を十分高くすることができ、大型（大画面）表示装置の応用の上で好適なタッチセンサを提供することを目的とする。

本発明は、
上部基板と下部基板の間に備えられた電子インクを駆動し、電子インクが所定の情報を表示する電子ペーパー表示素子上に積層配置してなるタッチセンサにおいて、
光透過性支持体に形成された金属層をサブトラクティブ法によりパターニングされてなる、複数のストライプパターンを有する２層の導電部を有するタッチセンサの配線パターンであって、各々の導電部が有するストライプパターンは全て主線が同一方向に伸び、前記方向と直交する方向に並列しており、
２層のストライプパターンは、それぞれ所定の間隔を有して並列配置された複数本の組からなる検出用行配線（ｘ方向），検出用列配線（ｙ方向）によりタッチ箇所を検出する直交座標を規定してなり、
ストライプパターンは、金属層の線幅≦５μｍ，並列間隔≧５００μｍであり、表面に黒色化処理を施してなることを特徴とするタッチセンサである。（直交するストライプパターンＡ，Ｂの組合せにより、矩形メッシュを構成）

また、本発明の別形態は、
上部基板と下部基板の間に備えられた電子インクを駆動し、電子インクが所定の情報を表示する電子ペーパー表示素子上に積層配置してなるタッチセンサにおいて、
光透過性支持体に形成された金属層をサブトラクティブ法によりパターニングされてなる、複数の単位格子から構成されるメッシュパターンを有する２層の導電部を有するタッチセンサの配線パターンであって、各々の導電部が有するメッシュパターンの単位格子は全てサイズの等しい正方形であり、２層のメッシュパターンは直交する２方向に全ての単位格子の辺が傾かずに並列しており、
２層のメッシュパターンは、それぞれ所定の間隔を有して並列配置された複数本の検出用行配線（ｘ方向），検出用列配線（ｙ方向）によりタッチ箇所を検出する直交座標を規定してなり、
単位格子は、金属層の線幅≦５μｍ，一辺の長さ≧５００μｍであり、表面に黒色化処理を施してなることを特徴とするタッチセンサである。（矩形メッシュパターンＡ，Ｂの組合せにより、矩形メッシュを構成）

本発明により、タッチセンサの配線パターンが目立たず、アクティブエリアでの透過率を十分高くすることができ、大型（大画面）表示装置の応用の上で好適な、電子ペーパー表示素子用途での外付け方式の静電容量方式タッチセンサが提供される。

静電容量方式タッチセンサを適用するタッチパネル一体型電子ペーパーに係る従来技術の一例を示す説明図。 Ｕ／Ｌ（上側／下側）２層のストライプパターンにより矩形メッシュを構成する実施形態に係るストライプを示す拡大図。 ２本で１組となるそれぞれｘ，ｙノードが交差して直交座標を規定する状態を示す説明図。 配線パターン（メッシュ）を傾斜させて配置した状態を示す説明図。 配線パターン（ストライプ）の一例を示す説明図。 配線パターン（ストライプ）の一例を示す説明図。 配線パターン（ストライプ）の交点に太りが生じた状態を示す説明図。 配線パターン（ストライプ）の重ね合わせによる交点に太りを生じせしめた状態を示す説明図。 配線パターン（メッシュ）の一例を示す説明図。 配線パターン（メッシュ）の各種重ね合わせ手法を示す説明図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
＜ストライプパターンＡ，Ｂの組合せ＞
図２は、Ｕ／Ｌ（上側／下側）２層のストライプパターンにより矩形メッシュを構成する実施形態においてのストライプ一例を示す拡大図である。
Ｕ／Ｌ（センシング側＝タッチ側／ドライヴ側＝駆動側）それぞれのストライプパターンは、図２のように上下方向（ｙ方向）に伸びるストライプが、直交する水平方向（ｘ方向）に並列してなるパターンＡと、伸び・並列方向が直交するパターンＢ（図示せず）との組合せからなり、Ｕ／ＬはＡ／ＢまたはＢ／Ａの何れの組合せでも良い。
また、パターンＡ，Ｂは誘電体（絶縁層）を介して互いに離間した平面に配置して形成されるが、互いに異なる光透過性支持体上にＡ，Ｂが形成される場合でも、同一光透過性支持体の表裏面にＡ，Ｂがそれぞれ形成される場合の何れであっても良い。パターンＡ，Ｂは、金属層をサブトラクティブ法によりパターニングされてなる、２層の導電部（銅材料が好適）である。

同図では、点線の四角を５本の直線が並列して上下方向に伸びている。５本が組となり１本の電極線（ノードと称する）を構成し、図示していない左右方向に伸びるストライプパターンと交差して直交座標が規定される。この点線の四角形が、タッチ位置として検出される座標を規定されるエリアとなる。指タッチ向けセンサでは、四角形の一辺が約５ｍｍである。
図３は、２本で１組となるそれぞれｘ，ｙノードが交差して直交座標を規定する状態を示す説明図である。
同図の四角形（点線内）に指先が触れた場合、単位メッシュの矩形が全部で３×３＝９個分の何れかの開口に接触した指から電気力線が逃げ、点線内の電気容量の低下を検出することで、指先が触れた座標位置が認識されることになる。

ストライプパターンを構成する金属線は、線幅≦５μｍ，並列間隔≧５００μｍが好ましい。
図３に示す寸法Ｘ，Ｙ（配線ピッチ）やＴ１×Ｒ１（単位メッシュの開口面積）により、表示画面の明るさ・見えやすさの指標となる。開口率＝１００−金属線の占める面積率であり、１００％に近い方が理想的である。線幅≦５μｍ，並列間隔≧５００μｍの場合、一方のストライプパターンの開口率は、４９５／５００＝９９％で、ストライプ方向が直交する他方のストライプパターンを重ね合わせる場合、全体としての開口率は、同図の（Ｔ１×Ｒ１）／（Ｘ×Ｙ）＝（４９５×４９５）／（５００×５００）＝９８．０１％となる。並列を維持して線幅を３μｍにした場合は、開口率は、（４９７×４９７）／（５００×５００）＝９８．８０％となる。

幅を持つ配線が数本並列すると肉眼で識別されたり、あるいは識別に至らずとも表示画面内での濃淡として認識されうる。
本発明による配線は、光透過性支持体に形成された金属層をサブトラクティブ法によりパターニングされてなるため、金属（低抵抗，加工性から、Ｃｕが好適）の反射によるギラツキが視覚され、ディスプレイ表示に悪影響を及ぼすため、配線の反射を抑える目的で、配線層の表面に黒色化処理（湿式処理による酸化第二銅，硫化第一銅，硫化第二銅）が施される。黒色化に限らず、緑色の塩基性塩化銅，塩基性炭酸銅、青色の藍銅鉱，水酸化銅など、目的に応じた色相に変化させることが可能である。または、純銅の配線の表面処理でなく、着色された銅化合物を積層してすることも可能である。銅化合物としては、窒化銅（ＣｕＮ，Ｃｕ₃Ｎ）が一般的であるが、色相を維持する上では酸素と窒素を含有する酸窒化銅（Ｃｕ_xＮ_yＯ_z）の採用も好適である。黒色化処理層や銅化合物層は、純銅配線の反射を抑えて見えづらくするだけでなく、保護層も兼ねることになる。
表示装置における好ましくない現象として、マトリクス配列された液晶（あるいは、カラーフィルター）やＥＬの画素の配列ピッチ・方向と、タッチ配線の並列ピッチ・方向との相対関係に起因して、新たな周期性・方向を持つモアレ（干渉縞）が発生する場合もあり、それを回避するためのストライプパターンの設計改良を要する場合も多い。

電子ペーパー表示装置では、画素構造を持たず、画素よりも微細なマイクロカプセルの集まりで画素が構成されるため、液晶・ＥＬ表示装置に適用する場合とは異なり、配線の方向・並列ピッチでの設計上の制約は一切ない。従って、表示画面上の画素配列との関係を考慮した傾斜（図４参照）やピッチの制御は不要で、配線幅のみ考慮すれば良い。
液晶（カラーフィルタ）画素密度の値は、例えば、９６ｐｐｉ、１５０ｐｐｉ、および、３６４ｐｐｉなどである。ブラックマトリックスの単位格子が正方形形状を有するとき、第１画素ピッチＰ１と第２画素ピッチＰ２とが等しく、そして、画素密度が９６ｐｐｉであるとき、第１画素ピッチＰ１および第２画素ピッチＰ２は、例えば、０．２６４５ｍｍである。また、画素密度が１５０ｐｐｉであるとき、第１画素ピッチＰ１および第２画素ピッチＰ２は、例えば、０．１６９３ｍｍであり、画素密度が３６４ｐｐｉであるとき、第１画素ピッチＰ１および第２画素ピッチＰ２は、例えば、０．０６９８ｍｍである。
上記の様に６９．８〜２６４．５μｍの液晶画素ピッチに対して、タッチパネルの配線間隔（格子状電極＝メッシュの単位格子の一辺長さ）を２６０〜４５０μｍの範囲内で、両者（画素／配線）の形成角度と合せて、モアレ解消を適切に設定するためのシミュレーション〜実証が厳格に行われる。（当社先願・特願２０１５−０８０１２３において詳述する）
対して、電子ペーパー表示装置のマイクロカプセルは粒径２０〜５０μｍであり、１０倍以上のピッチ比を持つタッチパネル配線との間でのモアレは考慮を要さない。

直線ストライプの変形例を以下に例示する。
図２は、１ノードが５本の直線セットで構成される場合の図示であったが、線幅を細くする余り、エッチング加工での断線を招いてしまうと、電極線として機能せず検出感度に影響を及ぼすことがある。
タッチセンサでは、意図的に電極線として機能させず、上下の配線間で電気力線が閉じてしまわずに抜ける部分として設計する場合もある。（ダミー電極，フローティングと称される）
ダミーの有無に関わらず、所定感度で設計したパターンに意図せぬ断線が生じることは好ましくはなく、断線をサポートする目的で主線を補う副線（勿論、副線の存在による外観，容量変化を想定した設計思想に基づき）を配置する場合もある。

図５は、左下がりの５本の直線（主線）がセットとなり１ノードを構成する場合について、右下がり（主線に垂直方向）の副線を混在させたパターンを示す説明図である。
同図の四角形（点線）内には主線が７本図示されているが、セットとなった電極線は、同図の上下方向に伸びる。四角形の上辺，下辺それぞれからは５本の主線端部が露出して、隣り合う領域に伸びることになる。四角形の左辺，右辺それぞれからは２本の主線端部が露出しているが、隣り合う領域は異なる電極線（ノード）であるため、断線された自由端のままである。
上述した様に、電子ペーパー表示装置に適用するタッチセンサでは、表示画面に対する配線角度の傾斜を考慮することは不要であるが、変形例（１）について、図６に基づいて説明する。

同図に示すように、隣り合う主線間を連結する副線が数箇所に形成される。
同図では、副線は４箇所であり、主線との交点に丸付き数字１〜９を付している。（副線１＝１・２，副線２＝３，副線３＝４・５・６，副線４＝７・８・９）
それぞれ副線は、３本の主線に渡り、２つの間隔で隣接する主線を連結しているが（例．４・５間と５・６間）、副線の長さや配置は、その限りではない。
例えば、交点５を通る主線がその途中で断線している場合、副線がないと主線は電極線として導通する機能を奏さないが、同図に示す例では、５の下方からの導通は、５→４→２，５→４→２→１，５→６→７→３の３経路でサポートされる。

図６は、上下方向に伸びる５本の直線（主線）がセットとなり１ノードを構成する場合について、水平方向（主線に垂直方向）に伸び、５本の主線に渡る副線を混在させたパターンを示す説明図である。
何れの主線がその途中で断線している場合であっても、同図に示す例では（上から下に電流が流れる際）、他の４本がサポートするため、導通は確保される。

主線と副線の交点を有するストライプパターンの作製にあたり、光透過性支持体に形成された金属層をサブトラクティブ法（フォトリソグラフィ）によりパターニングする場合には、エッチング工程で交点箇所の太り（不完全エッチング）が生じることがある。
図７は、それぞれ所定の間隔を有して並列配置された複数本の組からなる検出用行配線（ｘ方向），検出用列配線（ｙ方向）であり、図７に示す副線を有する２層のストライプパターンを重ね合わせて直交座標を構成する場合、交点箇所の太りが生じた状態を「●」記号で強調して示す説明図である。
実際には、厳密に直角には腐食除去されず、図示する曲率とは円弧の凹凸が逆の太り形状となる。太り現象は、エッチャントの通りにくさや流速の影響などの原因が考えられ、交点の成す角度が鋭角の場合に、設計値との寸法の増大が顕著となる。

配線太りが生じる箇所は、垂直（ｙ）／水平（ｘ）の双方向で新たな周期性あるいは濃淡を生じさせる要因となりうる。
上述した様に、電子ペーパー表示装置では画素構造を持たないため、モアレの問題は度外視可能であるが、ノード幅である５ｍｍ前後の周期で配線太り箇所が発生すると、濃淡としての識別が肉眼で容易になりやすい。

図８は、配線太りを招かない別平面に位置する検出用行配線（ｘ方向），検出用列配線（ｙ方向）が平面視で交点となる箇所を太らせた状態を示す説明図である。
同図は、ｘ方向の配線を意図的に太らせた図示であるが、ｙ方向の配線，ｘｙ方向双方の配線の何れに対して交点太りの操作を施しても良い。
同図に示す様に、配線太り箇所の発生周期が細かく（同図の場合、５ｍｍ→１ｍｍ）なることで、濃淡としての識別性が変化し、ムラが均一化された印象となる。

＜矩形メッシュパターンＡ，Ｂの組合せ＞
図９は、Ｕ／Ｌ（上側／下側）２層のメッシュパターン（単位格子＝正方形）により矩形メッシュを構成する実施形態におけるメッシュ一例を示す拡大図である。
配線方向，配線幅，並列ピッチ，単位格子の形状・サイズが全て等しい２種類の矩形メッシュＡ，Ｂを重ね合わせて矩形メッシュを構成する手法としては、
１）両者を全く位置ずれなく重ね合わせる（合成されたメッシュは、Ａ，Ｂと同一となる。図１０（ａ））
２）両者を意図的にずらして重ね合わせる（合成されたメッシュの単位格子は、Ａ，Ｂより小サイズとなる。図１０（ｂ）（ｃ）（ｄ））
の２通りがある。

図１０（ｂ）は、メッシュＡ，Ｂをｘ，ｙ方向共に半ピッチずらした場合であり、平面視による合成矩形は一辺長さが１／２（サイズ１／４）の正方形が単位格子となる。
図１０（ｃ）は、列（ｘ）方向の単位格子はずれなく重ね合わせ、行（ｙ）方向の単位格子を半ピッチずらした場合である。平面視による合成矩形は縦辺長さが１／２の長方形が単位格子となる。
図１０（ｄ）は、列（ｘ）方向，行（ｙ）方向共に単位格子を任意ピッチでずらした場合である。平面視による合成矩形は縦辺長さ・横辺長さの比が２種類ずつの（最大）４種類の形状の長方形が単位格子となる。

ストライプパターンの説明同様、金属層の線幅＝５μｍ，一辺の長さ＝５００μｍの矩形メッシュパターン同士を重ね合わせる場合、開口率は９６．０４％となる。ユーザーが視覚する画面内での配線の占有率は３．９６％であり、配線のギラツキを視覚させない目的での低反射化処理が必要となることも同様である。低反射化処理としては、配線層の表面に黒色化処理を施すことや、着色された銅化合物（ＣｕＮ，Ｃｕ₃Ｎ，Ｃｕ_xＮ_yＯ_z）を積層して行なうことも可能である。

１００...電子ペーパー表示装置
１１０...電子インク
１１１...粒子
１２０...上部電極
１２８...上部基板
１３０...下部電極
１３５...下部基板
１４０...センシング電極
１４５...透明基板
１４７...接着層

Claims (2)

1. 上部基板と下部基板の間に備えられた電子インクを駆動し、電子インクが所定の情報を表示する電子ペーパー表示素子上に積層配置してなるタッチセンサにおいて、
   光透過性支持体に形成された金属層をサブトラクティブ法によりパターニングされてなる、複数のストライプパターンを有する２層の導電部を有するタッチセンサの配線パターンであって、各々の導電部が有するストライプパターンは全て主線が同一方向に伸び、前記方向と直交する方向に並列しており、
   ２層のストライプパターンは、それぞれ所定の間隔を有して並列配置された複数本の組からなる検出用行配線（ｘ方向），検出用列配線（ｙ方向）によりタッチ箇所を検出する直交座標を規定してなり、
   ストライプパターンは、金属層の線幅≦５μｍ，並列間隔≧５００μｍであり、表面に黒色化処理を施してなることを特徴とするタッチセンサ。
2. 上部基板と下部基板の間に備えられた電子インクを駆動し、電子インクが所定の情報を表示する電子ペーパー表示素子上に積層配置してなるタッチセンサにおいて、
   光透過性支持体に形成された金属層をサブトラクティブ法によりパターニングされてなる、複数の単位格子から構成されるメッシュパターンを有する２層の導電部を有するタッチセンサの配線パターンであって、各々の導電部が有するメッシュパターンの単位格子は全てサイズの等しい正方形であり、２層のメッシュパターンは直交する２方向に全ての単位格子の辺が傾かずに並列しており、
   ２層のメッシュパターンは、それぞれ所定の間隔を有して並列配置された複数本の検出用行配線（ｘ方向），検出用列配線（ｙ方向）によりタッチ箇所を検出する直交座標を規定してなり、
   単位格子は、金属層の線幅≦５μｍ，一辺の長さ≧５００μｍであり、表面に黒色化処理を施してなることを特徴とするタッチセンサ。

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