静電容量式タッチスクリーンコンポーネントにはどの材料が使用されていますか?

紹介

静電容量式タッチ スクリーンは、スマートフォンやタブレットから産業用制御パネルや車載ディスプレイに至るまで、電子機器との対話方法に革命をもたらしました。これらのタッチセンサー インターフェイスは、タッチ入力を検出して応答するために、材料とコンポーネントの複雑な相互作用に依存しています。この包括的な記事では、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに使用されるさまざまな材料、その特性、およびそれらがこれらのユビキタス デバイスの全体的な機能にどのように貢献するかについて説明します。

静電容量式タッチスクリーンの基本構造

特定の材料を詳しく調試する前に、静電容量式タッチ スクリーンの基本構造を理解することが重要です。通常、これらの画面はいくつかのレイヤーで構成されています。

1.カバーガラスまたは保護層

2. タッチセンサー層

3. ディスプレイ層(LCDやOLEDなど)

4. 制御回路

これらの各層には、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネント内に、特定の特性と機能に合わせて選択されたさまざまな材料が組み込まれています。

カバーガラス材料

静電容量式タッチ スクリーンの最外層はカバー ガラスで、保護バリアとユーザーが操作する表面の両方として機能します。カバーガラスに使用される一般的な材料は次のとおりです。

化学強化ガラス

コーニングのゴリラガラスなどの化学強化ガラスは、静電容量式タッチスクリーンコンポーネントに広く使用されています。この材料は、小さなナトリウムイオンを大きなカリウムイオンに置き換えるイオン交換プロセスを経て、表面に圧縮応力の層を形成します。これにより、耐傷性と全体的な耐久性が向上します。

化学強化のプロセスでは、ガラスを約 400°C の温度の溶融カリウム塩浴に浸します。 ガラス中のナトリウムイオンが大きなカリウムイオンに置き換わると、表面に圧縮応力の層が形成され、中心に張力が発生します。この応力プロファイルにより、衝撃や引っかき傷による損傷に対するガラスの耐性が大幅に向上します。

熱強化ガラス

熱強化ガラスは、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントのカバー ガラスの別のオプションです。この材料は軟化点付近まで加熱され、その後急速に冷却され、ガラス内に張力が発生し、強度と破損に対する耐性が向上します。

熱焼戻しプロセスでは、ガラスを軟化点のすぐ下の約600〜700°Cの温度に加熱します。次に、ガラスはエアジェットを使用して急速に冷却され、外面は内部よりも速く冷却および収縮します。これにより、内部の張力によってバランスのとれた表面に圧縮状態が生まれ、同じ厚さの焼きなましガラスの約4倍の強度を持つガラスが得られます。

合成材料

重量や柔軟性が懸念される用途では、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントのガラスの代替品として、ポリカーボネート (PC) やポリメチルメタクリレート (PMMA) などの合成材料が使用される場合があります。これらの材料には、耐衝撃性や曲面またはフレキシブルなディスプレイを作成できるなどの利点があります。

たとえば、ポリカーボネートはガラスの約 250 倍の優れた耐衝撃性で知られています。また、はるかに軽量なので、ポータブルデバイスに最適です。一般にアクリルとして知られる PMMA は、優れた光学的透明性と耐紫外線性を備えているため、屋外のタッチ スクリーン用途に適しています。

タッチセンサー層材料

タッチ センサー層は静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの心臓部であり、導電性物体 (指など) が画面に近づいたり触れたりしたときの静電容量の変化を検出する役割を果たします。この重要な層を作成するために、いくつかの材料が使用されます。

酸化インジウムスズ(ITO)

酸化インジウムスズ (ITO) は、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの透明導電性コーティングの標準材料として長い間使用されてきました。ITOは酸化インジウム(III)と酸化スズ(IV)の混合物で、高い透明性を維持しながら優れた導電性を発揮します。通常、スパッタリングや化学気相成長などのプロセスを通じて、ガラスやプラスチック基板上に薄膜として塗布される。

ITOのユニークな特性は、その電子構造に由来します。この材料は、スズ原子が酸化インジウム格子のドーパントとして機能する、重くドープされたn型半導体である。これにより、高濃度の自由電子が得られ、ITOに導電性が与えられます。同時に、バンドギャップが広いため可視光が通過し、透明になります。

メタルメッシュ

メタルメッシュ技術は、静電容量式タッチスクリーンコンポーネントにおけるITOの代替として登場しました。このアプローチでは、多くの場合銅または銀で作られた超極細金属ワイヤのグリッドを使用して、透明な導電層を作成します。金属メッシュには、ITO と比較して導電性が高く、柔軟性が高く、生産コストが低い可能性があるなどの利点があります。

金属メッシュは通常、フォトリソグラフィーまたは印刷技術を使用して作成され、ワイヤーパターンを正確に制御できます。ワイヤーは非常に細い (通常は幅 5 マイクロメートル未満)、肉眼では見えないため、画面の透明性が維持されます。メッシュのオープン構造により、固体ITOフィルムと比較して柔軟性も向上します。

銀ナノワイヤ

銀ナノワイヤ技術も静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの有望な材料です。これらの信じられないほど細い銀線は、基板上にランダムに分散され、導電性ネットワークを形成します。銀ナノワイヤは優れた導電性と柔軟性を備えているため、硬質タッチ スクリーンとフレキシブル タッチ スクリーンの両方に適しています。

銀ナノワイヤは通常、溶液ベースのプロセスを通じて合成され、スプレーコーティングやロールツーロール印刷などの技術を使用して基板に適用できます。アスペクト比 (長さと幅) が高いため、比較的低い濃度で導電性ネットワークを形成し、高い透明性を維持できます。銀ナノワイヤネットワークの柔軟性は、柔軟で伸縮性のあるエレクトロニクスの新たなアプリケーションにも理想的です。

グラフェン

六角形の

格子状に配置された炭素原子の単層であるグラフェンは、静電容量式タッチスクリーン部品の次世代材料として研究されています。その卓越した導電性、光学的透明性、柔軟性により、将来のタッチ スクリーン技術にとって魅力的な選択肢となっています。

グラフェンのユニークな特性は、その二次元構造から生じます。グラフェン中の炭素原子のsp2ハイブリダイゼーションにより、シート上を自由に移動できる非局在化した電子が得られ、優れた導電性が得られます。同時に、単一原子の厚さにより可視光を最大97.7%透過できるため、透明度が高くなります。

基板材料

基板

は、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントのタッチ センサー層の基礎として機能します。一般的な基板材料には次のようなものがあります。

グラス

ガラスは、その優れた光学特性、剛性、さまざまな製造プロセスとの互換性により、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの基板材料として依然として人気があります。用途の特定の要件に応じて、ソーダ石灰ガラスやホウケイ酸ガラスなど、さまざまな種類のガラスが使用される場合があります。

ソーダ石灰ガラスは、低コストで製造が容易なため、タッチ スクリーンで使用される最も一般的なタイプです。主にシリカ (SiO2)、酸化ナトリウム (Na2O)、酸化カルシウム (CaO) で構成されています。三酸化ホウ素 (B2O3) を含むホウケイ酸ガラスは、耐熱性と耐薬品性に優れているため、より要求の厳しい用途に適しています。

ポリエチレンテレフタレート(PET)

PET は、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネント、特に曲げ可能なディスプレイや曲面ディスプレイを必要とする用途で一般的に使用される柔軟なプラスチック基板です。光学的透明性に優れ、ITO成膜に必要な温度に耐えることができる。

PET はポリエステル ファミリーの熱可塑性ポリマーであり、高い強度対重量比と優れた寸法安定性で知られています。応力下でも形状を維持できるため、フレキシブルなタッチスクリーンに最適です。PETは湿気や耐薬品性にも優れており、タッチスクリーン部品の耐久性に貢献します。

ポリイミド

ポリイミドフィルムは、高温耐性と柔軟性が要求される静電容量式タッチスクリーン部品の基板として使用されます。これらの材料は、フレキシブルで折りたたみ可能なディスプレイ用途に特に適しています。

ポリイミドは、優れた熱安定性、耐薬品性、機械的特性で知られる耐熱ポリマーの一種です。最大400°Cの温度に耐えることができるため、タッチスクリーン製造における高温加工工程に対応します。広い温度範囲にわたって柔軟性と電気的特性を維持できるため、高度なフレキシブルで折りたたみ可能なディスプレイに最適です。

接着剤

接着剤は、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントのさまざまな層を接着する上で重要な役割を果たします。これらの材料は、光学的透明度を維持し、タッチセンシング機能を妨げないようにしながら、強力な接着力を提供する必要があります。一般的な接着剤には次のようなものがあります。

光学的に透明な接着剤(OCA)

OCA は、エアギャップを発生させたり光学性能に影響を与えたりすることなく、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの層を接着するように設計された特別に配合された接着剤です。これらの接着剤は通常アクリルベースで、優れた透明性と耐久性を備えています。

OCA は通常、制御された温度と圧力の条件下でタッチ スクリーン層の間に積層される薄膜またはシートとして供給されます。これらは、接着する材料の屈折率に一致するように設計されており、界面での光の反射を最小限に抑え、それによって画面の光学的透明度を維持します。

液体光学透明接着剤(LOCA)

LOCAは、塗布後にUV光を使用して硬化する液体接着剤です。これらの接着剤は小さな隙間や凹凸に流れ込むことができ、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに優れた接着性能と光学性能を提供します。

LOCA の液体の性質により、表面の凹凸に完全に適合し、タッチ感度や光学性能に影響を与える可能性のあるエアギャップが排除されます。塗布後、接着剤は紫外線にさらされ、重合反応が始まり、液体が光学的に透明な固体層に変わります。このプロセスにより、接着剤の厚さと分布を正確に制御できます。

制御回路材料

静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの制御回路は、タッチ入力を処理し、デバイスのメイン プロセッサと通信する役割を果たします。この分野で使用される主な材料は次のとおりです。

プリント基板(PCB)材料

静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの PCB は通常、ガラス繊維布とエポキシ樹脂バインダーの複合材料である FR-4 (難燃性 4) 材料で作られています。この材料は、優れた電気絶縁性と機械的安定性を提供します。

FR-4は、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維生地の複数の層で構成されています。FR-4 の「4」は、材料の難燃性評価を指します。この複合構造により、FR-4 は高強度、低吸水性、優れた電気絶縁特性を備えており、タッチ スクリーン制御回路での使用に最適です。

導電性トレース

銅は、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの PCB 上の導電性トレースに使用される最も一般的な材料です。これらのトレースは、タッチセンサー層を制御回路に接続し、タッチ入力を検出する電気信号を伝送します。

銅は、金属の中で銀に次ぐ優れた導電性から選ばれています。銅トレースは通常、PCB 基板上にエッチングまたは添加剤メッキのプロセスを通じて作成されます。これらのトレースの厚さと幅は、電気的性能と最新のタッチ スクリーン デバイスにおけるコンパクトで高密度の回路の必要性のバランスをとるように慎重に設計されています。

集積回路(IC)

静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに使用される IC は通常、シリコンで作られており、必要なトランジスタと相互接続を作成するためにさまざまなドーパントと金属層が追加されています。これらのチップはタッチ入力の処理を担当し、ジェスチャー認識やパームリジェクションなどの追加機能が含まれる場合があります。

最新のタッチ スクリーン コントローラー IC は非常に洗練されており、多くの場合、複数の処理コア、A/D コンバーター、ノイズ リダクションとタッチ検出のための特殊なアルゴリズムが組み込まれています。シリコン基板は、一連のフォトリソグラフィ、エッチング、蒸着ステップを通じて処理され、ICを構成するトランジスタと相互接続の複雑なネットワークを作成します。

新興材料・技術

より高度な静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの需要が高まる中、Reshine Display のような研究者やメーカーは、パフォーマンスを向上させ、新機能を実現するための新しい材料やテクノロジーを模索しています。

量子ドット

量子ドットは、ディスプレイの色再現とエネルギー効率を向上させるために、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントでの使用が研究されています。これらのナノスケールの半導体粒子をディスプレイ層に統合して、視覚性能を向上させることができます。

量子ドットは通常、セレン化カドミウムやリン化インジウムなどの半導体材料から作られます。それらの独特の光学特性は、材料中の電子のエネルギー準位が連続的ではなく離散的になる量子閉じ込め効果から生じます。これにより、量子ドットは励起時に非常に特定の波長の光を放射できるようになり、ディスプレイのより正確な色制御が可能になります。

自己修復材料

自己修復ポリマーは、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントで使用するために開発されており、小さな傷や損傷を自動的に修復できるスクリーンを作成しています。これらの材料は、タッチ スクリーン デバイスの寿命を大幅に延ばす可能性があります。

自己修復材料は通常、材料が壊れた結合を自律的に再形成できる内因性自己修復、または治癒剤が材料内にカプセル化され、損傷が発生したときに放出される外因性自己修復の 2 つのメカニズムのいずれかを通じて機能します。タッチ スクリーンについては、研究者らは自己修復特性を提供しながら透明性と導電性を維持できる材料を研究しています。

圧電材料

機械的ストレスに応答して電荷を発生させる圧電材料は、感圧タッチ入力と触覚フィードバックを可能にする静電容量式タッチスクリーンコンポーネントでの使用が検討されています。

一般的な圧電材料には、石英、チタン酸バリウム、ポリフッ化ビニリデン (PVDF) などがあります。これらの材料をタッチ スクリーン コンポーネントに統合すると、タッチの位置に加えてタッチの力も検出できるため、新たなインタラクションの可能性が可能になります。また、触覚フィードバックのために局所的な振動を作成し、ユーザー エクスペリエンスを向上させるためにも使用できます。

環境への配慮

静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの使用が増加し続けるにつれて、その製造に使用される材料が環境に与える影響への注目が高まっています。Reshine Display のようなメーカーは、希少で高価な元素であるインジウムを含む ITO などの材料の、より持続可能な代替品とリサイクル プロセスを模索しています。

1つのアプローチは、より豊富な元素を使用する代替の透明導電性材料を開発することです。たとえば、アルミニウムをドープした酸化亜鉛 (AZO) は、ITO の代替品として研究されています。もう 1 つの戦略は、タッチ スクリーン コンポーネントのリサイクル プロセスを改善し、貴重な材料を回収して再利用できるようにすることです。

さらに、タッチ スクリーン コンポーネント用の生分解性およびバイオベースの材料への関心が高まっています。たとえば、研究者らは、廃棄されたデバイスの環境への影響を軽減できるセルロース ナノファイバーを基板材料として使用することを検討しています。

結論

静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに使用される材料は、これらのユビキタス インターフェイスのパフォーマンス、耐久性、機能を決定する上で重要な役割を果たします。画面を保護するカバーガラスからタッチ入力を検出する導電層に至るまで、各素材は、その特定の特性とシステム全体にどのように貢献するかを考慮して慎重に選択されています。

テクノロジーが進歩し続けるにつれて、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに新しい素材と革新が見られ、さらに応答性が高く、耐久性があり、多用途なタッチ インターフェイスが可能になることが期待されます。グラフェン、量子ドット、自己修復ポリマーなどの材料に関する進行中の研究は、タッチ スクリーン技術で可能なことの限界を押し広げることを約束します。

静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに使用されている材料を理解することで、私たちが毎日操作する滑らかで応答性の高い表面の背後にある複雑さと創意工夫をより深く理解できるようになります。これらのテクノロジーが進化し続けるにつれて、私たちがデバイスや周囲の世界と対話する方法を、ますますシームレスで直感的な方法で形作ることは間違いありません。

よくある質問

1. 静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに使用される最も一般的な導電性材料は何ですか?

酸化

インジウムスズ (ITO) は、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントで最も広く使用されている導電性材料であり続けています。高い導電性と光学的透明性の組み合わせにより、タッチ スクリーンのセンシング層の作成に最適です。しかし、金属メッシュや銀ナノワイヤのような代替品は、性能の向上とコストの削減の可能性から人気が高まっている。

2. 自己修復材料は静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントでどのように機能しますか?

静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに使用される自己修復材料には、通常、マイクロカプセル化された治癒剤または動的化学結合が含まれています。傷や軽微な損傷が発生すると、これらの素材はさまざまなメカニズムを通じて自動的に修復されます。たとえば、マイクロカプセルが破裂して傷を埋める治癒剤を放出したり、小さな隙間を埋めるために動的結合が再形成されたりすることがあります。この技術はまだ開発中ですが、より耐久性のあるタッチ スクリーンを作成することが期待されています。

3. 静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントのカバー材料としてガラスが一般的な選択肢であるのはなぜですか?

ガラスは、その優れた光学的透明性、耐傷性、耐久性により、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントのカバー材料として広く使用されています。特に化学強化ガラスは、タッチ操作に必要な滑らかな表面を維持しながら、衝撃や傷に対する耐性を強化します。ガラスは、消費者が高品質のデバイスを連想するプレミアムな外観と感触も提供します。

4. 量子ドットは静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントの性能をどのように向上させますか?

量子ドットは、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントのタッチ検出機能とは直接関係ありませんが、ディスプレイ品質を大幅に向上させることができます。量子ドットをディスプレイ層に統合すると、色の再現性が向上し、明るさが向上し、エネルギー効率が向上します。これにより、より鮮やかで正確な色が得られ、タッチ スクリーン デバイスの消費電力が削減される可能性があります。

5. 静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに銀ナノワイヤを使用する利点は何ですか?

銀ナノワイヤは、静電容量式タッチ スクリーン コンポーネントに使用すると、いくつかの利点があります。ITOと同様に、高い光学的透明性を維持しながら優れた導電性を提供します。ただし、銀ナノワイヤは柔軟性も優れているため、曲げ可能または折りたたみ可能なディスプレイに適しています。さらに、よりシンプルで安価な製造プロセスを使用して適用できるため、タッチ スクリーン デバイスの製造コストの削減につながる可能性があります。