TWI567446B - 內嵌式觸控顯示器 - Google Patents

Description

內嵌式觸控顯示器

本發明係有關於一種觸控顯示器，且特別是有關於一種內嵌式觸控顯示器(in-cell touch panel display)。

隨著科技日新月異的進步，消費性電子產品的應用也越來越多樣化，目前的許多電子產品中，除了以輕、薄、短、小為主外，許多可攜式的電子產品(例如個人數位助理(personal digital assistant,PDA)或行動電話)已廣泛地使用觸控式顯示器(touch panel display)。

觸控顯示器可分為外掛式(on-cell)與內嵌式(in-cell)觸控顯示器。外掛式觸控顯示器主要將觸控面板製作好之後，再將觸控面板與顯示面板進行貼合與組裝，以於顯示面板表面形成觸控顯示器，然而，額外的觸控面板會增加整體電子裝置的厚度，並降低原先顯示器的透光率，因此，業界開發出內嵌式觸控顯示器。內嵌式觸控顯示器主要將觸控元件整合於顯示裝置內，使得單一顯示器同時具有觸控與顯示的功能。

第1圖顯示習知內嵌式觸控顯示器的剖面圖，內嵌式觸控顯示器10包括第一基板12與第二基板52，其中第一基板12與第二基板52係相對設置。

第二基板52之上依序包括平坦層54與電極層56。

第一基板12(例如玻璃)可區分成主動區1a與位於主動區1a外圍之邊框區1b。於主動區1a中，第一基板12之上依序包括黑色矩陣14、第一平坦層(overcoat layer) 16、圖案化透明導電層18、絕緣層20、金屬層22、第二平坦層24、彩色濾光片26(包括26R、26G、26B)、第三平坦層28與間隔物30，整個製程需要經過11道的圖案化製程，且上述結構需要三層平坦層與一層絕緣層，若這些層使用有機材料時，經過高溫處理後容易產生熱收縮(shrink)，此應力會造成第一基板12(例如玻璃)產生嚴重翹曲(bending)現象。

此外，於邊框區1b中，導電突出物(conductive protrusion)32(例如金球)形成於金屬層22之上，用以與第二基板52之導電層56電性連接，然而，當第一基板12產生翹曲的現象時，導電突出物32也會有接觸不良的問題產生。

因此，業界亟需提出一種內嵌式觸控顯示器(in-cell touch panel)，此結構能夠解決基板翹曲的問題，且亦能提高導電突出物之電性接觸率(contact probability)，更能有效降低觸控訊號的干擾。

本發明提供一種內嵌式觸控顯示器(in-cell touch panel display)，包括：一第一基板，其中該第一基板包括一主動區及一邊框區，且該邊框區係設置於該主動區的外圍；一感測單元(sensor unit)形成於該第一基板之主動區上，其中該感測單元包括一第一圖案化電極層形成於該第一基板之主動區之內側；一彩色濾光片單元，形成於該感測單元之上，其中該彩色濾光片單元包括複數個彩色濾光片與複數個黑色矩陣；一第二基板，係與該第一基板相對設置，其中該第二基板之上包括一薄膜電晶體陣列；以及一填充層，形成於該第一基板與該第二基板之間。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參見第2A圖，第2A圖顯示本發明第一實施例內嵌式觸控顯示器(in-cell touch panel display)之俯視圖，第2B圖顯示第2A圖沿著BB’線所繪出之剖面圖。

首先，請先參見第2B圖，內嵌式觸控顯示器200包括第一基板210以及與其相對設置之第二基板310，第二基板310之上包括薄膜電晶體陣列(圖中未顯示)，以及填充層(圖中未顯示，填充層例如液晶)形成於第一基板210與第二基板310之間。須注意的是，第一基板210包括主動區與位於主動區外圍之邊框區，第2A-2B圖僅顯示主動區之結構。

於第一基板210之上依序包括感測單元220與彩色濾光片單元230，其中感測單元220包括圖案化透明導電層222、絕緣層224與金屬橋接層226，其中圖案化透明導電層222包含第一圖案化電極層222X和第二圖案化電極層222Y，其中一個電極是驅動用的，另一個電極則是感測用的。而彩色濾光片單元230包括彩色濾光片232R,232G,232B、平坦層234與黑色矩陣236，之後於黑色矩陣236之上形成間隔物240。間隔物240用以維持第一基板210與第二基板310之間的間距(gap)。

請參見第2A圖，由圖中可觀察到本發明之黑色矩陣236係形成於彩色濾光片232之上。

本發明第一實施例之製程如下，首先提供第一基板210，之後依序經過下述9道圖案化製程：1.圖案化透明導電層222；2.絕緣層224；3.金屬橋接層226；4.彩色濾光片232R；5.彩色濾光片232G；6.彩色濾光片232B；7.平坦層234；8.黑色矩陣236；9.間隔物240。

上述圖案化製程藉由微影製程(photolithography)而達成，微影製程包括光阻塗佈(photoresist coating)、軟烘烤(soft baking)、光罩對準(mask aligning)、曝光(exposure)、曝光後烘烤(post-exposure)、光阻顯影(developing photoresist)與硬烘烤(hard baking)，這些製程為本領域人士所熟知，在此不再贅述。

此外，於本實施例中，第一基板210係為一玻璃基板，且玻璃基板之熱膨脹係數係大於第一圖案化透明電極層222X之熱膨脹係數，且其第一基板210之厚度小於0.5mm，較佳之厚度亦可小於0.1mm。

另外，未避免後續形成的膜層於薄化玻璃上時，會造成玻璃形變等問題，較佳地會使第一圖案化電極層222X之厚度小於或等於絕緣層224之厚度，且第二圖案化電極層222Y之厚度亦需小於或等於絕緣層224的厚度。另外，於製程進行時，會於各膜層形成時，於薄化玻璃上施加一預應力(pre-compression force)，於後續膜層形成後，再移除施加於薄化玻璃上的預應力。

上述之圖案化透明導電層222之材料包括氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide,IZO)、氧化鎘錫(cadmium tin oxide,CTO)、氧化鋁鋅(aluminum zinc oxide,AZO)、氧化銦錫鋅(indium tin zinc oxide,ITZO)、氧化鋅(zinc oxide)、氧化鎘(cadmium oxide,CdO)、氧化鉿(hafnium oxide,HfO)、氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide,InGaZnO)、氧化銦鎵鋅鎂(indium gallium zinc magnesium oxide,InGaZnMgO)、氧化銦鎵鎂(indium gallium magnesium oxide,InGaMgO)或氧化銦鎵鋁(indium gallium aluminum oxide,InGaAlO)。

上述之絕緣層224由無機材料所組成，例如氧化矽(SiOx)，由於無機材料受到高溫影響時，其對玻璃的應力方向(例如壓縮力(compressive force))會與後續形成之各層(如黑色矩陣236、彩色濾光片232等)應力方向(例如張力(tensile force))相反，因此，可互相平衡，進而解決第一基板210翹曲的問題。

上述之金屬橋接層226包括鉬、銅、鎳、鋁、鉻、銀、金或上述之合金。

須注意的是，習知技術先形成黑色矩陣，才形成感測單元，然而本發明先形成感測單元220，再形成彩色濾光片單元230，亦即黑色矩陣230係形成於感測單元220之上(black matrix on sensor)。由於黑色矩陣236由有機材料所組成(例如樹脂)，其經過圖案化製程時容易脆化，因此，若將黑色矩陣236形成於感測單元220之上，可減少黑色矩陣受到多道圖案化製程中高溫的影響，進而可提升黑色矩陣之可靠度(reliability)。

再者，相較於習知技術的11道製程，本發明的9道製程步驟，不但可降低整體顯示器之厚度，且可減少製程步驟與時間，進而降低製程成本。

此外，本發明亦提供第二實施例，第二實施例與第一實施例之差別在於，於第一基板210與圖案化透明導電層222之間形成一標記金屬層(圖中未顯示)，此標記金屬層包括鉬、銅、鎳、鋁、鉻、銀、金或上述之合金，且標記金屬層之作用在於幫助後續製程對準(alignment)。

請參見第3A-3B圖，其中第3A圖顯示本發明第三實施例內嵌式觸控顯示器之俯視圖，第3B圖顯示第3A圖沿著CC’線所繪出之剖面圖。須注意的是，第3A-3B圖僅顯示第一基板210主動區之結構，其中第3A-3B圖中元件符號與第2A-2B圖相同者代表相同元件。

請參見第3A圖，於內嵌式觸控顯示器300中，黑色矩陣236係形成於彩色濾光片232之上。

請參見第3B圖，內嵌式觸控顯示器300包括第一基板210與第二基板310，兩基板係相對設置。於第一基板210之上依序包括感測單元220與彩色濾光片單元230，其中感測單元220包括圖案化透明導電層222、絕緣層224與金屬橋接層(圖中未繪出)，其中圖案化透明導電層222包含第一圖案化電極層222X和第二圖案化電極層222Y。而彩色濾光片單元230包括彩色濾光片232R,232G,232B、黑色矩陣236與平坦層234，之後於平坦層234之上形成間隔物240。

須注意的是，於第三實施例中，黑色矩陣236係形成於相鄰之彩色濾光片232之間，亦即黑色矩陣236之線寬(line width)由相鄰之彩色濾光片232之溝槽(trench)之寬度所決定，因此，可藉由降低溝槽之寬度而得到較小的線寬。

此外，黑色矩陣236之深度由溝槽之深度而決定，因此，可藉由提高黑色矩陣之深度(提高光遮蔽效果)，而得到較高的光學密度(optical density,OD)。

再者，由於黑色矩陣236設置於溝槽中，因此，黑色矩陣236較不會對後續顯影製程造成影響，而產生剝落(peeling)現象。

於一較佳實施例中，黑色矩陣236之線寬(line width)小於約5 μm，且光學密度大於約5。

本發明第三實施例之製程如下，首先提供第一基板210，之後依序經過下述9道圖案化製程：1.圖案化透明導電層222；2.絕緣層224；3.金屬橋接層(第3B圖中未繪出)；4.彩色濾光片232R；5.彩色濾光片232G；6.彩色濾光片232B；7.黑色矩陣236；8.平坦層234；9.間隔物240。

第三實施例同樣為9道製程步驟，不但可降低整體顯示器之厚度，且可減少製程步驟與時間，進而降低製程成本。再者，由於黑色矩陣236形成於相鄰之彩色濾光片232之間，因此，黑色矩陣236可具有較小線寬與較高光學密度。

此外，本發明亦提供第四實施例，第四實施例與第三實施例之差別在於，於第一基板210與圖案化透明導電層222之間形成一標記金屬層(圖中未顯示)，此標記金屬層包括鉬、銅、鎳、鋁、鉻、銀、金或上述之合金，且標記金屬層之作用在於幫助後續製程對準(alignment)。

請參見第4A-4B圖，其中第4A圖顯示本發明第五實施例內嵌式觸控顯示器400之俯視圖，第4B圖顯示第4A圖沿著DD’線所繪出之剖面圖。須注意的是，第4A-4B圖僅顯示第一基板210主動區之結構，其中第4A-4B圖中元件符號與第2A-2B圖相同者代表相同元件。

請參見第4A圖，於內嵌式觸控顯示器400中，黑色矩陣236係形成於彩色濾光片232之下。

請參見第4B圖，內嵌式觸控顯示器400包括第一基板210與第二基板310，兩基板係相對設置。於第一基板210之上依序包括感測單元220與彩色濾光片單元230，其中感測單元220包括圖案化透明導電層222、絕緣層224與金屬橋接層226，而彩色濾光片單元230包括黑色矩陣236、彩色濾光片232R,232G,232B與平坦層234，之後於平坦層234之上形成間隔物240。

本發明第五實施例之製程如下，首先提供第一基板210，之後依序經過下述9道圖案化製程：1.圖案化透明導電層222；2.絕緣層224；3.金屬橋接層226；4.黑色矩陣236；5.彩色濾光片232R；6.彩色濾光片232G；7.彩色濾光片232B；8.平坦層234；9.間隔物240。

須注意的是，與第一實施例(第2A-2B圖)相比，第五實施例之黑色矩陣236係形成於彩色濾光片232之下，第五實施例同樣為9道製程步驟，不但可降低整體顯示器之厚度，且可減少製程步驟與時間，進而降低製程成本。

此外，本發明亦提供第六實施例，第六實施例與第五實施例之差別在於，於第一基板210與圖案化透明導電層222之間形成一標記金屬層(圖中未顯示)，此標記金屬層包括鉬、銅、鎳、鋁、鉻、銀、金或上述之合金，且標記金屬層之作用在於幫助後續製程對準(alignment)。

請參見第5A-5D圖，該些圖示繪示本發明邊框區各種不同實施例之剖面圖。邊框區係設置於主動區之外圍，且不需要形成彩色濾光片，僅需要形成接觸單元(包括該導電層520、絕緣層224、金屬橋接層226b、黑色矩陣236b與導電突出物550)，以使感測單元220與第二基板310電性連接，其中第一圖案化電極層520是由主動區內的圖案化導電層222延伸形成。

首先，請參見第5A圖，於第一基板210之上依序形成導電層520、絕緣層224、金屬橋接層226b與黑色矩陣236b。須注意的是，黑色矩陣236b具有複數個開口540，以暴露出金屬橋接層226b，而導電突出物550形成於開口540中，以使金屬橋接層226b與第二基板310電性連接。相較於習知技術，本發明之導電突出物550形成於黑色矩陣236b之開口540中，係因邊框區所需堆疊的膜層較少，因此其膜厚變異性降低，故可提高電性接觸穩定性(contact stability)。

上述之導電層520包括圖案化透明導電層、金屬層或上述之組合。

請參見第5B圖，其中黑色矩陣236b具有複數個開口540，且開口540延伸穿過絕緣層224，暴露導電層520，導電突出物550形成於開口540中，以與導電層520電性連接。

請參見第5C圖，其中黑色矩陣236b具有複數個開口540，且開口540延伸穿過絕緣層224，暴露金屬橋接層226b，導電突出物550形成於開口540中，以與金屬橋接層226b電性連接。

請參見第5D圖，此圖與第5A-5C圖之差別在於，第5D圖多形成了一層標記金屬層510。由於標記金屬層510與導電層520僅形成於部份的第一基板210之上，而厚度一致之絕緣層224形成於導電層520之上，因此，絕緣層224之表面會形成高度不一致的凹凸結構(或稱為波浪結構)。之後，金屬橋接層226b形成於絕緣層224之上，因此金屬橋接層226b同樣具有凹凸結構(或稱為波浪結構)，因此，導電突出物550形成於開口540中，以與金屬橋接層226b之凹凸結構電性連接。

須注意的是，於第5D圖中，藉由標記金屬層510、導電層520之厚度差異，使得金屬橋接層226b具有凹凸結構，此凹凸結構可提高與導電突出物550之間的接觸面積，進而可提升電性接觸率(contact probability)。

請參見第6A圖，其繪示本發明第七實施例之內嵌式觸控顯示器600之剖面圖。於內嵌式觸控顯示器600中與上述實施例的主要差異於其感測單元中圖案化電極層之配置。於本實施例中，第一圖案化電極層222X與第二圖案化電極層222Y係分別設置於第一基板210之內外兩側，且藉由貼合膠430黏合第一基板210與第三基板410。

本發明第七實施例之製程如下，將第一基板210與第二基板310製程完成後，再將其組立。接著，使用貼合膠430將第三基板410貼合至組立完的第一基板210上。

請參見第7A圖，繪示本發明第八實施例之內嵌式觸控顯示器700之剖面圖。本實施例與前七個實施例的最主要的差異在於感測單元的設置，目的是為了降低訊號干擾，進而提高觸控靈敏性(touch sensitivity)。

第八實施例之內嵌式觸控顯示器更包括一第三基板410、第二感測單元420以及貼合膠430，其中感測單元220係設置於第一基板210之內側，第二感測單元420則設置次第三基板410之內側。由於感測單元220與第二感測單元係分別形成於不同基板上，因此可以大幅減化製程，例如可使用較低成本的雷射蝕刻或是網印等方式，特別是應用於薄化基板時，皆可有效提供製程穩定性以及良率。

本發明第八實施例之製程如下，將第一基板210與第二基板310製程完成後，再將其組立。接著形成第二感測單元420於第三基板410之上，再藉由貼合膠430將具有第二感測單元420的第三基板410貼合至第一基板210。

綜上所述，本發明所提供之內嵌式觸控顯示器，具有下述優點：

(1)　藉由改變黑色矩陣之位置，使黑色矩陣形成於感測單元之上，不但可以減少整體製程之步驟與顯示器厚度，且藉由絕緣層無機材料之設置，以解決第一基板翹曲的問題。

(2)　黑色矩陣形成於相鄰之彩色濾光片之間，因而可縮小黑色矩陣之線寬(line width)與提高光學密度(optical density,OD)，且可避免黑色矩陣產生剝落(peeling)的問題。

(3)　本發明之導電突出物係形成於黑色矩陣之開口中，由於堆疊的膜層較少，所以膜厚變異性低，且可形成於凹凸結構的導電層中，因此，可提高電性接觸率。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1a．．．主動區

1b．．．邊框區

10．．．內嵌式觸控顯示器

12．．．第一基板

14．．．黑色矩陣

16．．．第一平坦層

18．．．圖案化透明導電層

20．．．絕緣層

22．．．金屬層

24．．．第二平坦層

26．．．彩色濾光片

28．．．第三平坦層

30．．．間隔物

32．．．導電突出物

52．．．第二基板

54．．．平坦層

56．．．電極層

200．．．內嵌式觸控顯示器

210．．．第一基板

220．．．感測單元

222．．．圖案化透明導電層

222X．．．第一圖案化電極層

222Y．．．第二圖案化電極層

224．．．絕緣層

226．．．金屬橋接層

226b．．．金屬橋接層

230．．．彩色濾光片單元

232．．．彩色濾光片

234．．．平坦層

236．．．黑色矩陣

240．．．間隔物

300．．．內嵌式觸控顯示器

310．．．第二基板

400．．．內嵌式觸控顯示器

410．．．第三基板

420．．．第二感測單元

430．．．貼合膠

510．．．標記金屬層

520．．．導電層

540．．．開口

550．．．導電突出物

600．．．內嵌式觸控顯示器

700．．．內嵌式觸控顯示器

第1圖為一剖面圖，用以說明習知之內嵌式觸控顯示器。

第2A圖與第2B圖分別為一俯視圖與一剖面圖，用以說明本發明第一實施例之內嵌式觸控顯示器。

第3A圖與第3B圖分別為一俯視圖與一剖面圖，用以說明本發明第三實施例之內嵌式觸控顯示器。

第4A圖與第4B圖分別為一俯視圖與一剖面圖，用以說明本發明第五實施例之內嵌式觸控顯示器。

第5A-5D圖分別為一系列剖面圖，用以說明本發明內嵌式觸控顯示器之邊框區之接觸單元結構。

第6圖為一剖面圖，用以說明本發明第七實施例之內嵌式觸控顯示器。

第7圖為一剖面圖，用以說明本發明第八實施例之內嵌式觸控顯示器。

200．．．內嵌式觸控顯示器

210．．．第一基板

220．．．感測單元

222．．．圖案化透明導電層

222X．．．第一圖案化電極層

222Y．．．第二圖案化電極層

224．．．絕緣層

226．．．金屬橋接層

230．．．彩色濾光片單元

232．．．彩色濾光片

234．．．平坦層

236．．．黑色矩陣

240．．．間隔物

310．．．第二基板

Claims (9)

1. 一種內嵌式觸控顯示器(in-cell touch panel)，包括：一第一基板，其中該第一基板包括一主動區及一邊框區，且該邊框區係設置於該主動區的外圍；一感測單元(sensor unit)形成於該第一基板之主動區上，其中該感測單元包括一第一圖案化電極層形成於該第一基板之主動區之內側；一彩色濾光片單元，形成於該感測單元之上，其中該彩色濾光片單元包括複數個彩色濾光片與複數個黑色矩陣；一第二基板，係與該第一基板相對設置，其中該第二基板之上包括一薄膜電晶體陣列；一填充層，形成於該第一基板與該第二基板之間；一接觸單元形成於該第一基板之邊框區，其中該接觸單元(contact unit)包括：一導電層、一絕緣層、一金屬橋接層與該黑色矩陣，其中位於該邊框區之黑色矩陣具有複數個開口，且該導電層由該主動區的第一圖案化電極層延伸而形成；以及一標記金屬層，形成於該第一基板與該導電層之間，以使該絕緣層具有一凹凸結構，其中該黑色矩陣包括複數個開口，且暴露該絕緣層之該凹凸結構，且複數個導電突出物形成於該些開口之中與該凹凸結構電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之內嵌式觸控顯示器，其中該感測單元更包括： 一第二圖案化電極層，形成於該第一基板之內側；一絕緣層，形成於該第一圖案化電極層與第二圖案化電極層之上；以及一金屬橋接層，成於該絕緣層之上，其中該金屬橋接層與該第一圖案化電極層電性連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述之內嵌式觸控顯示器，其中該第一基板係為一玻璃基板，且該玻璃基板之熱膨脹係數係大於該第一圖案化電極層之熱膨脹係數，其中該第一基板之厚度小於0.5mm。
4. 如申請專利範圍第2項所述之內嵌式觸控顯示器，其中該第一圖案化電極層之厚度係小於或等於該絕緣層之厚度，且該第二圖案化電極層之厚度係小於或等於該絕緣層之厚度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之內嵌式觸控顯示器，其中該彩色濾光片單元之上更包括複數個間隔物(spacer)，以維持該第一基板與該第二基板之間的間距(gap)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之內嵌式觸控顯示器，其中該感測單元更包括：一第二圖案化電極層，形成於該第一基板之外側；一第三基板，係對立設置於該第一基板上；以及一貼合膠，形成於該第一基板與第三基板之間，用以黏合該第一基板及該第三基板。
7. 如申請專利範圍第1項所述之內嵌式觸控顯示器，更包括： 一第三基板，係對立設置於該第一基板上；一第二感測單元，形成於該第三基板之內側；以及一貼合膠，形成於該第一基板與第三基板間，用以黏合該第一基板及該第三基板。
8. 一種內嵌式觸控顯示器，包括：一第一基板，其中該第一基板包括一主動區及一邊框區，且該邊框區係設置於該主動區的外圍；一感測單元形成於該第一基板之主動區上，其中該感測單元包括一第一圖案化電極層形成於該第一基板之主動區之內側；一彩色濾光片單元，形成於該感測單元之上，其中該彩色濾光片單元包括複數個彩色濾光片與複數個黑色矩陣；一第二基板，係與該第一基板相對設置，其中該第二基板之上包括一薄膜電晶體陣列；一填充層，形成於該第一基板與該第二基板之間；以及一接觸單元形成於該第一基板之邊框區，其中該接觸單元(contact unit)包括：一導電層、一絕緣層、一金屬橋接層與該黑色矩陣，其中位於該邊框區之黑色矩陣具有複數個開口，其中該些開口暴露該金屬橋接層，且複數個導電突出物形成於該些開口之中與該金屬橋接層電性連接。
9. 一種內嵌式觸控顯示器，包括：一第一基板，其中該第一基板包括一主動區及一邊框區，且該邊框區係設置於該主動區的外圍； 一感測單元形成於該第一基板之主動區上，其中該感測單元包括一第一圖案化電極層形成於該第一基板之主動區之內側；一彩色濾光片單元，形成於該感測單元之上，其中該彩色濾光片單元包括複數個彩色濾光片與複數個黑色矩陣；一第二基板，係與該第一基板相對設置，其中該第二基板之上包括一薄膜電晶體陣列；一填充層，形成於該第一基板與該第二基板之間；以及一接觸單元形成於該第一基板之邊框區，其中該接觸單元(contact unit)包括：一導電層、一絕緣層、一金屬橋接層與該黑色矩陣，其中位於該邊框區之黑色矩陣具有複數個開口，其中該些開口延伸穿過該絕緣層，以暴露該導電層或該金屬橋接層，且複數個導電突出物形成於該些開口之中與該導電層或該金屬橋接層電性連接。