JP2017503256A

JP2017503256A - 感圧式ディスプレイタッチユニット、タッチスクリーン及びその製造方法

Info

Publication number: JP2017503256A
Application number: JP2016537482A
Authority: JP
Inventors: 朱少鵬; 邱勇; 陳紅; 黄秀▲キ▼
Original assignee: Kunshan New Flat Panel Display Technology Center Co Ltd; Kunshan Govisionox Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Kunshan New Flat Panel Display Technology Center Co Ltd; Kunshan Govisionox Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2017-01-26
Also published as: EP3082022A1; KR20160096156A; CN104714672B; CN104714672A; WO2015085936A1; EP3082022A4; US20160334919A1; US10558287B2

Abstract

【解決手段】本発明は、感圧式ディスプレイタッチユニット、タッチスクリーン及びその製造方法を提供し、該タッチユニットは主に駆動電極、下部電極、及び前記駆動電極と下部電極との間にある誘電体層を含み、前記駆動電極と下部電極との間に圧力を印加するとき、トンネル電流ＩＴが形成され、前記駆動電極と下部電極との間には電圧ＶＴが存在する。本発明のタッチユニットにより、外部圧力を電流信号に変換して、圧力を情報入力方式の一種にすることができ、さらに、それを従来の容量性タッチスクリーン又は抵抗性タッチスクリーンと組み合わせて、該タッチユニットは従来技術のマルチタッチ機能と互換性があるとともに、圧力大きさの変化を鋭く感知することができ、かつ、従来のタッチスクリーンの機能を強化させることもでき、タッチスクリーンのためにより豊富な操作応用を提供している。【選択図】図１

Description

本発明は、タッチ及びディスプレイ技術に関し、特に、タッチスクリーンの基本センサユニットに用いられる感圧式ディスプレイタッチユニット、タッチスクリーン及びその製造方法に関する。

従来のタッチスクリーンは、主に、容量、抵抗、弾性表面波及び光学などの方式でタッチ動作のセンシングを行う。ただし、弾性表面波タッチスクリーン（弾性表面波技術）は、従来のタッチスクリーン技術のうち、タッチ圧力をセンシングし得る唯一の技術であり、しかし、この技術は大きなサイズのものに応用できず、表面汚れに過敏であり、音声に妨害されやすく、マルチタッチの実現が困難であり、静圧への感知が困難であるなどの多くの欠点を有しているため、現在では、携帯電話及びタブレットコンピューターなどのような主流の応用には参入していないため、主流になることが困難である。容量性タッチスクリーンは、マルチタッチを実現することができ、かつ、位置感度が高く、現在の主流となるタッチスクリーン技術である。

タッチスクリーンは、マン−マシンインタラクションの重要でかつ直接な入出力ツールの一種として、いまだにほとんどが二次元に基づくものであり、すなわち、スクリーンに平行するｘ−ｙ平面上の利用者の動作を感知可能なものである。電子機器がよりスマート化ないしヒューマニゼーション化になるにつれて、例えば、機器に人間の感情を感知させ、適切に応答できるように、より多くのマン−マシンインタラクション方式を開発する必要がある。物体又は他人にタッチ圧を印加すること、例えば、楽器を演奏する力の度合い、絵画時の筆触の加減、及び他人に対して身体タッチ圧の方式で明示又は暗示するなどのことは、人間が情報又は感情を伝える方式の一種である。この考慮に基づき、圧力をマン−マシンインタラクションのもう１つの次元の技術として研究し、圧力センシングを真新しいマン−マシンインタラクション方式にすることは、広く応用される見込みがある。

このことに鑑みて、本発明の主な目的は、感圧式ディスプレイタッチユニット、タッチスクリーン及びその製造方法を提供し、このタッチユニットを利用して外部圧力を電流信号に変換し、圧力を情報入力方式の一種とすることにある。さらに、それを従来の容量性タッチスクリーン又は抵抗性タッチスクリーンと組み合わせて、該タッチユニットが従来技術のマルチタッチ機能と互換性があるとともに、圧力大きさの変化を鋭く感知することができ、さらに、従来のタッチスクリーンの機能を強化させることもでき、タッチスクリーンのためにより豊富な操作応用を提供している。

上記の目的を達成するために、本発明の技術的解決手段は次のように実現される。感圧式ディスプレイタッチユニットであって、駆動電極、下部電極、及び前記駆動電極と下部電極との間にあり、厚さ０．５ｎｍ〜５ｎｍの誘電体層、を含む。

ただし、前記駆動電極と下部電極との間に圧力を印加すると、トンネル電流Ｉ_Ｔが形成され、前記駆動電極と下部電極との間には電圧Ｖ_Ｔが存在し、前記トンネル電流Ｉ_Ｔと、駆動電極、下部電極間の電圧Ｖ_Ｔとの関係は下式で示される。
Ｉ_Ｔ＝ＣＶ_Ｔｅｘｐ（−ＡＵ_０ｄ）；
（ただし、ＣとＡは比例定数であり、Ｕ_０は駆動電極と下部電極のエスケープバリアの算術平均値であり、ｄは誘電体層の厚さである。）

前記駆動電極及び下部電極は、透明または半透明の導体であり、その材料は、インジウムスズ酸化物ＩＴＯ、アルミニウムドープ酸化亜鉛ＡＺＯ、フッ素ドープ酸化スズＦＴＯ、ガリウムドープ酸化亜鉛ＧＺＯ、グラフェン又は金属ナノワイヤアレイからなる群より選択されるいずれか一種である。

前記誘電体層の材料は、ポリアミド、ポリイミド、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、ポリ尿素、アルミナ、ジルコニア、酸化ハフニウム、シリカ、アルミニウムアルコキシド又はＺｉｎｃｏｎｅ（亜鉛の一つの金属と有機化合物のハイブリッド材料）である。

前記誘電体層は、原子層成長又は分子層成長法により作製される。

前記感圧式ディスプレイタッチユニットを含む容量性タッチスクリーンであって、ガラス又はポリマーのフロントパネル上に前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイが作製されている。

前記感圧式ディスプレイタッチユニットを含む抵抗性タッチスクリーンであって、前記抵抗性タッチスクリーンのフレキシブル基板上に前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイが作製され、かつ、絶縁膜で前記アレイが覆われている。

感圧式ディスプレイタッチユニットの製造方法であって、原子層成長又は分子層成長法によって作製され、厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍ間である１つの誘電体層を駆動電極と下部電極との間に設けることを含む方法である。

前記感圧式ディスプレイタッチユニットの製造方法を含む容量性タッチスクリーンの製造方法であって、ガラス又はポリマーのフロントパネル上に前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイを作製する方法である。

前記感圧式ディスプレイタッチユニットの製造方法を含む抵抗性タッチスクリーンの製造方法であって、前記抵抗性タッチスクリーンのフレキシブル基板上に前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイを作製し、かつ、絶縁膜で前記アレイを覆う方法である。

本発明にかかる感圧式ディスプレイタッチユニット、タッチスクリーン及びその製造方法は、次のような利点を有する。
１）該ディスプレイタッチユニットは、外部圧力を電流信号に変換することができ、該電流信号の変化を検知することによってタッチ圧力の大きさを感知することができ、このように、タッチ圧力信号を受信することだけで、接触力の大きさを鋭く感知することができ、これにより、圧力を情報入力方式として利用することが実現される。

２）該ディスプレイタッチユニットは、さらに従来の容量性タッチスクリーン及び抵抗性タッチスクリーンと互換性があり、かつ、マルチタッチと互換性があり、前記タッチユニットを容量性タッチスクリーン又は抵抗性タッチスクリーンと組み合わせることで、マルチタッチの機能が実現できるとともに、圧力を鋭く感知することもでき、高感度で多機能（例えば、力フィードバック機能付き）のタッチ／タッチディスプレイの設計及び実現に有利である。

図１は、本発明の感圧式ディスプレイタッチユニットの構造模式図である。図２は本発明の１つの実施例に記載の容量性タッチスクリーンと互換性があるタッチ圧力センサの模式図である。図３は本発明のもう１つの実施例に記載の抵抗性タッチスクリーンと互換性があるタッチ圧力センサの模式図である。

以下、図面及び本発明の実施例を参照しながら、本発明のディスプレイタッチユニット及びその製造方法についてさらに詳しく説明する。

図１は、本発明の感圧式ディスプレイタッチユニットの構造模式図である。図１は、タッチ圧力センサの１つの最も基本的なユニットを示し、主に上部電極（駆動電極）１０１と、下部電極１０２と、中間にある超薄型の誘電体層１０３と、からなる。ただし、前記上部電極１０１と下部電極１０２は、いずれも透明または半透明の導体であり、その材料は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、グラフェン、金属ナノワイヤアレイなどであってもよいが、これらに限られない。その通常の膜厚及び製造方法は業界に公知されている。

前記中間にある超薄型の誘電体層１０３は、厚さ範囲が０．５ｎｍ〜５ｎｍであり、かつ、緻密性が非常に優れている。その緻密性及び無欠陥の特性を実現するために、該誘電体層１０３（薄膜である）は、原子層成長（ＡＬＤ）又は分子層成長（ＭＬＤ）の方式により作製される。その材料は、ポリアミド、ポリイミド、ポリパラフェニレンテレフタルアミド（ＰＰＴＡ）、ポリ尿素、アルミナ、ジルコニア、酸化ハフニウム、シリカ、アルミニウムアルコキシド（Ａｌｕｃｏｎｅ）又はＺｉｎｃｏｎｅなどであってもよいが、これらに限られない。

その動作原理については、前記誘電体層１０３は、電極における自由電子の障壁であり、障壁の厚さが極めて薄いため、上部電極１０１と、下部電極１０２との間に圧力が印加された後、量子力学原理により、電子が障壁を透過して、トンネル電流Ｉ_Ｔを形成する確率がある。前記トンネル電流Ｉ_Ｔと、上部、下部電極間の圧力Ｖ_Ｔとの関係を次のように示す。
Ｉ_Ｔ＝ＣＶ_Ｔｅｘｐ（−ＡＵ_０ｄ）；
ただし、ＣとＡは比例定数であり、Ｕ_０は両電極のエスケープバリアの算術平均値であり、ｄは誘電体層１０３の厚さである。表現式からわかるように、指でタッチすることにより、超薄型の誘電体層１０３に変形が発生し、すなわち、厚さｄの微小な変化により、トンネル電流Ｉ_Ｔが指数関数的に影響される。トンネル電流Ｉ_Ｔの変化を検知することで、タッチ圧力の大きさの変化を検知することができる。

図２は本発明の１つの実施例に示す、容量性タッチスクリーンと互換性があるタッチ圧力センサの模式図である。図２に示すように、ガラス又はポリマーのフロントパネル２０５上に、従来の容量性スクリーンの駆動電極２０１と受信電極２０２とが形成されている。

ただし、前記駆動電極２０１と受信電極２０２の材料は、ＩＴＯ、ＡＺＯなどであってもよいが、これらに限られない。該実施例では、ＩＴＯであることが好ましく、その製造方法及びパラメータは容量性タッチスクリーン業界に公知されている。

図２に示すように、駆動パルス信号２０７は、駆動バッファー２０６によって駆動電極２０１に印加され、その後、受信回路２０９を用いて電荷を受信電極２０２を介して収集し、ｘ−ｙ平面のタッチ動作及び位置を感知する。

駆動電極２０１の下方に、超薄型の誘電体層２０３を設けて、下部電極２０４とともに感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイを構成する。該誘電体層２０３は、原子層成長（ＡＬＤ）又は分子層成長（ＭＬＤ）により作製することができ、その材料は、ポリアミド、ポリイミド、ポリパラフェニレンテレフタルアミド（ＰＰＴＡ）、ポリ尿素、アルミナ、ジルコニア、酸化ハフニウム、シリカなど、アルミニウムアルコキシド（Ａｌｕｃｏｎｅ）、Ｚｉｎｃｏｎｅなどであってもよいが、これらに限られない。該実施例では、ＭＬＤ成長されたポリ尿素であることが好ましく、その膜厚は０．５〜３ｎｍであり、好ましくは１ｎｍである。

誘電体層２０３上に圧力を印加して前記下部電極２０４をタッチする。前記下部電極２０４の一部が、圧力感知回路２０８と接続されるように伸び出し、駆動パルス信号２０７の下部電極２０４上で発生する電流を感知して、圧力の大きさを感知するためである。前記下部電極２０４の材料は、ＩＴＯ、ＡＺＯなどであってもよいが、これらに限られず、好ましくはＩＴＯであり、膜厚が５０〜１０００ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍである。

図３は本発明のもう１つの実施例に記載の抵抗性タッチスクリーンと互換性があるタッチ圧力センサの模式図である。図３に示すように、本発明のタッチセンサ基本ユニットは、従来の抵抗性タッチスクリーンと組み合わせ、タッチスクリーン硬質基板３０１上には、絶縁支点３０３とタッチスクリーンの他方のフレキシブル基板３０２とが連結されるように、第１の抵抗膜３０４が形成されている。前記フレキシブル基板３０２の最下端には第２の抵抗膜３０５が形成されている。上記硬質基板３０１、フレキシブル基板３０２、絶縁支点３０３、第１の抵抗膜３０４及び第２の抵抗膜３０５のいずれも公知の抵抗性タッチスクリーンの製造方法により形成された。第２の抵抗膜３０５を形成する前に、まずフレキシブル基板３０２上に第２の電極（すなわち、駆動電極）３０８及び超薄型の誘電体層３０９のアレイを形成してから、第１の電極（すなわち、下部電極）３０７を形成し、最後に１つの絶縁膜３０６で該アレイを覆うという点より、従来の抵抗性タッチスクリーンと相違している。

ここで、前記第２の電極３０８と超薄型の誘電体層３０９と第１の電極３０７とは共に、前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイを構成する。

第２の電極３０８と第１の電極３０７の材料は、ＩＴＯ、銀ナノワイヤアレイ、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）などであってもよいが、これらに限られず、ここでは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳであることが好ましく、その製造方法は、インクジェット印刷、プラズマ重合、スピンコート、気相真空成長などであってもよいが、これらに限られず、ここではインクジェット印刷であることが好ましく、その膜厚は５００ｎｍである。前記絶縁膜３０６を製造する材料は、ポリ尿素、ポリイミド、アルミニウムアルコキシドなどであってもよいが、これらに限られず、ここではポリ尿素であることが好ましく、その膜厚は０．８ｎｍであることが好ましく、成長方法はＭＬＤである。

使用時に、第１の電極３０７によって電圧を印加し、第２の電極３０８アレイ上の各々の検出ポイントでの電流を感知することで、圧力を感知する。

以上の説明は、本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明の保護範囲を制限するためではない。

Claims

駆動電極、下部電極、及び前記駆動電極と下部電極との間にあり、厚さ０．５ｎｍ〜５ｎｍの誘電体層、を含むことを特徴とする感圧式ディスプレイタッチユニット。
前記駆動電極と下部電極との間に圧力を印加すると、トンネル電流Ｉ_Ｔが形成され、前記駆動電極と下部電極との間には電圧Ｖ_Ｔが存在し、前記トンネル電流Ｉ_Ｔと、駆動電極、下部電極間の電圧Ｖ_Ｔとの関係は下式で示されることを特徴とする請求項１に記載の感圧式ディスプレイタッチユニット。
Ｉ_Ｔ＝ＣＶ_Ｔｅｘｐ（−ＡＵ_０ｄ）；
（ただし、ＣとＡは比例定数であり、Ｕ_０は駆動電極と下部電極のエスケープバリアの算術平均値であり、ｄは誘電体層の厚さである。）
前記駆動電極及び下部電極は、透明または半透明の導体であり、その材料は、インジウムスズ酸化物ＩＴＯ、アルミニウムドープ酸化亜鉛ＡＺＯ、フッ素ドープ酸化スズＦＴＯ、ガリウムドープ酸化亜鉛ＧＺＯ、グラフェン又は金属ナノワイヤアレイからなる群より選択されるいずれか一種であることを特徴とする請求項１又は２に記載の感圧式ディスプレイタッチユニット。
前記誘電体層の材料は、ポリアミド、ポリイミド、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、ポリ尿素、アルミナ、ジルコニア、酸化ハフニウム、シリカ、アルミニウムアルコキシド又はＺｉｎｃｏｎｅであることを特徴とする請求項２に記載の感圧式ディスプレイタッチユニット。
前記誘電体層は、原子層成長又は分子層成長法により作製されることを特徴とする請求項２又は４に記載の感圧式ディスプレイタッチユニット。
ガラス又はポリマーのフロントパネル上に前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイが作製されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の感圧式ディスプレイタッチユニットを含む容量性タッチスクリーン。
抵抗性タッチスクリーンのフレキシブル基板上に前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイが作製され、かつ、絶縁膜で前記アレイが覆われていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の感圧式ディスプレイタッチユニットを含む抵抗性タッチスクリーン。
原子層成長又は分子層成長法によって作製され、厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍ間である１つの誘電体層を駆動電極と下部電極との間に設けることを含むことを特徴とする感圧式ディスプレイタッチユニットの製造方法。
ガラス又はポリマーのフロントパネル上に前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイを作製する方法であることを特徴とする請求項８に記載の感圧式ディスプレイタッチユニットの製造方法を含む容量性タッチスクリーンの製造方法。
前記抵抗性タッチスクリーンのフレキシブル基板上に前記感圧式ディスプレイタッチユニットのアレイを作製し、かつ、絶縁膜で前記アレイを覆うことを特徴とする請求項８に記載の感圧式ディスプレイタッチユニットの製造方法を含む抵抗性タッチスクリーンの製造方法。