フラットパネルディスプレイ概論（6）FPDを支える部品・材料技術（1）
タッチパネルIntroduction to Flat Panel Display (6) FPD to Components and Materials Technology (1) Touch Panel
Ukai Display Device Institute代表

工学博士

鵜飼育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Institute（In-Cell）型やオン・セル（On-Cell）型といった、最新技術

1. はじめにの動向も紹介する。

タッチパネル（Touch Panel）
は、かつては駅の券売機、銀行のATMといった産業機器だけだったが、携帯電話機やデジタル・スチルカメラといった民生機器で使われるケー

2. タッチパネルの構造と定義

スが急増してきた。特に携帯電話機の分野では、スマート

図1にタッチパネルの構造と定義を示す。外付け型タッチフォンの大ヒットによって、画面を指でポンポンと触ったり、なパネルは、ディスプレイ例えばLCDやPDPの表面に取り付ぞったりする操作が、すっかり当たり前になっている。今後けるものである。一方、タッチパネル機能をディスプレイに内は、タブレット端末をはじめ、タッチパネルの用途がますます蔵するものとしては、In-Cell型とOn-Cell型がある。図1に示広がっていくのは確実である。タッチパネルには、様々な方すように、タッチパネル機能をTFT-LCDセル内に内蔵したも式があり、しかも各方式には一長一短がある。本稿では、のをIn-Cell型と称し、偏光板とカラ―フィルタ（CF）を設けタッチパネルの代表的な抵抗膜式と投影型静電容量式をたガラス基板の間にタッチパネル機能を内蔵したものを取り上げ、その仕組みや、構造および特徴を述べる。さら

On-Cell型と呼んでいる。に、用途の広がりとともに、技術そのものも急速に進化してタッチパネルの方式は大別すると図2に示すように十数いる。ここでは、内 蔵 型タッチ パネルとしてイン・セル種もの技術があり、どの技術もオールマイティーではない。
図中の四角の枠で囲んだ方式はマルチタッチが可能である。
抵抗膜式は、最初に発明された技術であり、出荷台数および売上金額ともに大 多 数を占めていたが、AppleのiPhoneおよびiPadの登場で、最近は、投影型静電容量式が首位を占めるに至っている。
据え置き型では、表面型静電容量式、超音波（SAW）式及び赤外線走査式が主流である。これら5種類の技術で99％以上の出荷台数を占めている。

図1 タッチパネルの構造と定義

2

THE CHEMICAL TIMES

2011  No.4
（通巻222号）

フラットパネルディスプレイ概論（6）FPDを支える部品・材料技術（１）タッチパネル

図2 タッチパネルの各種方式

3. 外付け型タッチパネル用いられる。指または専用のスタイラスで上部電極を押下すると、上部が下部電極に接触して電流が通電する。電

ここでは、すべてのタッチパネルの説明をするには紙面

気抵抗の変化した接触点をコントローラICが演算処理すの制約もありできない。そこで、代表的な抵抗膜式と投影ることで、場所を検出する仕組みである。よって、ITO膜抵型静電容量式について、構造と特徴を述べる。

抗値は常に均一でなければならない。検出方式によって4

3.1 抵抗膜式

線式、5線式、7線式、8線式がある。表1に抵抗膜式タッ

抵抗膜式タッチパネルの構造は、図3に示すようにITO膜が均一にコーティングされた基板2枚を用いて、マイクロドット・スペーサ（5〜10μm）と空気を挟み込んだ構造になっている。上部電極にはITO付フィルムまたはITO付薄チパネルの特徴を示す。
表1 抵抗膜式タッチパネルの特長

・長所板ガラスが用いられる。下部電極にはITO付フィルム、・抵抗膜式は最も廉価な方式で、ITO付ガラス、ITO付プラスチックのいずれかが一般的に製品に広く搭載されている。
・ペン及び指の双方での入力検出が可能。
・ドラッグ・モーションタッチに対応。
・描画、サイン認証が可能。
・電磁ノイズによる影響に比較的強い。

・短所
・フィルム等の積層化により透過性が悪い。
・透過性の向上など、機能を高めるとコストが必要となる。
・強靭性、耐久性の高い素材が求められる。
・鋭利な物体によるダメージを受けやすい。

・タッチパネルメーカ
・約60社以上が採用。
図3 抵抗膜式タッチパネルの構造

THE CHEMICAL TIMES

2011  No.4
（通巻222号）

3

3.2 投影型静電容量式
今、話題の静電容量式には、表面型容量（Surface示す。

Capacitive）と投影型静電容量（Projected Capacitive）が静電容量式のタッチパネルでは、タッチ時の圧力によっある。表面型容量式タッチパネルの導電層はベタで（エッて導電性物質が変形することはない。そのため、抵抗膜チングされていない）、パネル表面に均一な電界を発生さ式のものよりも耐久性が高い。また、布を使ってディスプレせて四隅からタッチ位置までの距離に反比例した微弱なイ表面をクリーニングする際に、誤動作を起こすこともな電流値を検出し、タッチされた場所を検知するものであい。ただし、これは静電気を帯びていない乾いた布を使用る。投影型静電容量式は、2層のエッチングされた導電膜した場合に限られる。電磁ノイズや水分など、ディスプレイによる電極が縦横に配置されている。2層の導電膜の間には絶縁膜を設けている。タッチされた場所を電極間の静電容量の変化でとらえる方式である。
図4に投影型静電容量式タッチパネルの検出原理と構造を示す。表面静電容量式に比べ、構造は複雑になる

表2 投影型静電容量式タッチパネルの特徴

・長所
・携帯電話で人気を博した方式で、表面型に類似している。

が、マルチタッチに対応し、より高い精度でのタッチ位置・表面型との差異は、格子状のパターニングをの検知が可能なのが投影型である。投影型タッチパネル行っている点で、透過率、耐久性が高い。の構造は、上面から順に、ガラスやプラスチックなどの透明の絶縁体、ITOなどを用いて矩形の電極パターンを形成した電極層、タッチ位置の検知に必要な演算処理を行・マルチタッチによる多点入力で、ピンチ、フリックなどの複雑な動作に対応。

・短所

う回路を搭載した基板層が並んだ構造をとっている。電・導電物以外でのペン入力ができない。

極層では、透明の絶縁体の上面と下面に、電極の矩形・コントロ－ラICを含め、比較的コスト高となる。

部がX軸方向もしくはY軸方向に沿って互いにつながるよ・マルチタッチ等の機能は、

うな電極パターンが形成されている。投影型におけるタッ全てコントロ－ラICに依存する。

チ位置の検知は、これらの電極パターンに電流を流したと・電磁ノイズの影響を受けやすく、きに、タッチを行った電極パターンの交点上で発生する静EMI対策が必要。

電容量（キャパシタンス）の変化を検知することにより行う。

・タッチパネルメーカ

表2に投影型静電容量式タッチパネルの特徴を示す。図5にはiPhone 3Gに採用された構造（TFT-LCD上に実装

図4 投影型静電容量式タッチパネルの検出原理と構造4された投影型静電容量式タッチパネル付きモジュール）を

THE CHEMICAL TIMES

2011  No.4
（通巻222号）

・約25社が採用。近年多くの企業が参入している。

フラットパネルディスプレイ概論（6）FPDを支える部品・材料技術（１）タッチパネル

図5 iPhone 3Gに採用された構造

表面の静電容量の値に影響を与えるような環境的要因に発・実用化が盛んな方式は、抵抗膜式と表面型容量式

よって、静電容量式のタッチパネルでも誤動作を起こす可および投影型静電容量式である。パネルメーカは、TFT能性がある。また、手袋をはめている場合や、スタイラスに製造に必要なプロセス数削減および製造ラインと商品戦非導電性のコーティングが施されている場合など、タッチ略から、TFTラインを用いてタッチパネルのOn-Cell化対応しても静電容量を変化させることができなくなるような外的を進めている。一方、CFメーカはVA-Mode用CF工程の要因によっても、誤動作したり、反応しなかったりすること削減（光配向やPSA式など）に伴うラインの有効利用等がある。の対応から取り組んでいる。

4. 内蔵型タッチパネル
内蔵型タッチパネルの特徴は、

1．はじめに5.
技術動向
5.1 マルチタッチ技術①デバイスの薄型化・軽量化・狭額縁化・堅牢化。

2007年にAppleが発売したiPhoneは2点検知が可能②TFT-LCD本来の特性を維持（外付けタッチパネル

なタッチパネルを用いることで、例えば、撮影した写真を2によるコントラスト比減少、輝度減少、表面反射増

本の指で自由自在に拡大・縮小ができるようにした。簡加）。

単な操作だけでなく、使う「楽しさ」をユーザに提供した。

③タッチパネルの調達が不要になり、付加価値をパネルメーカやCFメーカに取り込める。

これに続いて発売されたiPadは年間1000万台も売れ、この流れを決定付けたといえる。などである。外付け型およびOn-Cell型にはパターニング

マルチタッチの技術は、1982年にトロント大学のNimishおよびフィルムのラミネーション技術が求められる。一方、

Mehtaが提出した “A flexible machine interface” と題し

In-Cell型にはTFT技術が求められる。In-Cell型にも抵抗た修士論文が最初であることはあまり知られていない。

膜式、光学式、容量式やそれらを組み合わせたハイブリッ

最近では1〜100点の同時入力が可能になっている。図

ド型が開発・実用化されている。

2で抵抗膜式のアナログ抵抗膜では、マルチタッチは不On-Cell型は、抵抗膜式および容量式に限られている。

可能であった。しかし、2点マルチ用のICが開発実用化

すなわち、光学式はTFT技術で光学センサをTFTアレイされ、このICを用いたデジタル・スチルカメラも市販されて基板上に作製するため、TFT技術を必要とし、CFメーカいる。投影型静電容量式のタッチパネルは広くモバイルには参入のチャンスはない。On-Cell型タッチパネルの開機器等に用いられているが、タッチパネルおよびICの価

THE CHEMICAL TIMES

2011  No.4
（通巻222号）

5

格は抵抗膜式のそれらに比べ相対的に高い。しかも、材としては、毛糸、天然・合成皮革、化学繊維など各種現行の投影型静電容量式のタッチパネルは指でしか入素材に対応できる。さらに、合成樹脂製ペンと指による力ができない。しかし、抵抗膜式は指のみならず手袋を同時操作もできるため、様々な利用シーンへの適用を想しても問題なく、しかもペン入力も可能である。したがっ定した新しいアプリケーションや携帯端末機器の実現がて、抵抗膜式はマルチタッチが可能になったことから見可能になるという。

直される可能性が高い。

5.2 内蔵技術

一方、静電容量式は透明導電膜として用いられてい図6に内蔵型タッチパネルの分類とSID 11（The Society

るITOの導電率が小さいため、10型以下のタッチパネル

for Information Display 2011）までに学会発表された代として広く用いられている。更なる大型化対応技術とし表的な論文番号を示す。て、ITOに代わるAgナノ粒子等を用いたタッチパネルが5.2.1 In-Cell型実用化されている。

5.2.1.1 光学型

投影型静電容量式タッチパネルは、高精細化の方向

2009年5月にシャープから発売されたノートPCに光学に進化している携帯端末でさらに細かな操作を行うため式のIn-Cell型タッチパネルが搭載された。この方式は、に合成樹脂製ペンを用いた入力への対応が求められて照明や太陽光などの外光が強いと、ノイズとなり位置検いるほか、寒冷地の屋外などにおける手袋を着用した出が難しくなるという課題があった。実用化に当たっては状態でデジタル・スチルカメラの操作を行うなど多様な入周囲光を赤外線センサで検出し、使用環境を最適化す力手段に対するニーズが高まっている。

る方法で対処していた。しかし、その後の展開が見られ最近、日立ディスプレイズでは絶縁体の入力情報を静電容量に変換することにより、合成樹脂製ペンや手袋をこの方式も含め各社が開発した方式は、センサの光はめた手などの絶縁体による入力ができる投影型静電源にバックライト・ユニット（BLU）の白色LEDを光源に用容量式タッチパネルを開発した。検出制御には、一般のいている。しかし、入力としての指等の検出にはBLUおコントローラICが適用可能であり、その操作性能として、よび周囲光の両方の光源を考慮する必要があり、感度ペン先直径が0.8mmの樹脂ペンによる操作では、座標設定等の課題が多かった。

検出誤差±0.5mm以下（座標検出精度：±1.0％）を達成

そこで、シャープは赤外線発光ダイオードを光源に用しており、細かな文字の入力も可能。また、絶縁体の素

いたIn-Cell タッチパネルを開発した。これは、赤外線セ

図6 内蔵型タッチパネルの分類と学会発表

6ない。

THE CHEMICAL TIMES

2011  No.4
（通巻222号）

フラットパネルディスプレイ概論（6）FPDを支える部品・材料技術（１）タッチパネル

ンサとして低温ポリシリコン（LTPS）によるラテラルpinフォできるかがカギである。すなわち信号（S）とノイズ（N）の比トダイオードを内蔵したものである。このダイオードの感度（S/N）
を大きくすることが重要である。

は低いためLTPS-TFTによるアンプを画素内に構成している。

TMDは、LTPS-TFTによるセンサ回路を開発し、センサが検出した信号を増幅して出力するためのアンプ回

SID 10での発表では、赤外光のオンとオフを交互に路を画素内に形成することで、センサの信号を確実に繰り返し、指からの反射光を含む信号と指からの反射光TFT-LCDの外部へ出力する構成とした。これにより安定を含まない外光のみによる信号を光センサで順に検出すで応答の速いタッチパネル動作を実現した。

るようにした（バックライト差分法という）。これら二つの信5.2.2 On-Cell型

号の差分を取ることで、ノイズを除去し指の位置を精度良く検出できるようにした。この方式を3.8型WVGA（800

上述したように、In-Cell型は外付け型タッチパネルと比べ数々の特徴がある半面、×480）のTFT-LCDに採用することで7万ルクスの太陽光①画素にセンサや、これにアクセスするための配線を下でも使え、しかも消費電力はオン・オフの繰り返す方式集積することに伴い、画素の開口率が減少する。

によって1/40に低減できる。バックライト差分法の適用で②構造が複雑化すること。即ち、TFT基板に画素回シグナルのみ抽出が可能になり、画像解析によりユーザ路とセンサ回路を集積する場合、製造工程の難易の操作情報を詳細に把握でき、以下の機能の動作が度が上がり、製造歩留まりに影響を与える。

可能となる。
①タッチした指の画像解析を行うことで、タッチした方向を検出する機能。
②タッチした指の接触面積を解析することで、指の圧力を検出する機能。
③シグナル光の強度を解析することで、指の高さを検出し、ホバー入力する機能。

ことがある。
そこで、On-Cell型は、高い開口率と簡単な構造のため注目を集めている。現在、TFT-OLEDに適用された投影型静電容量式タッチパネルはOn-Cell型で封止用ガラスにタッチパネル機 能を付 加したものである。Super
OLEDの名称で商品化されているが、OLEDはSuperでないことに注意が必要である。TFT-LCDへの取り組み

ホバー入力は、従来のタッチパネルでは不可能であっは種々報告されてはいるが、いずれも商品化には至ってた。カーソルを移動させるだけの動作を可能にするといういない。TFT-LCDモジュールの薄型化とカラーフィルタ点で、ユーザインタフェースにとって重要な機能である。

基板の両面加工技術との両立が困難なためと思われ赤外線検出式は低消費電力で、マルチタッチも可能でる。

あり今後のモバイル機器用In-Cell タッチパネルとして期待される技術である。
5.2.1.2 静電容量型

6. おわりに

東芝モバイルディスプレイ（TMD）
は、LTPS-TFT技術

タッチパネルの方式は十数種類もあり、それぞれ一長を用い静電容量式のIn-Cell型タッチパネル内蔵の7型一短がありオールマイティーでないことを述べた。現状のWSVGA（1024×600）を開発した。このデバイスは、マル

タッチパネルは、間接的な測定を基本にしており、今後チタッチ入力が可能で車載、産業用途向けである。内は、直接測定が可能な技術の確立が望まれる。タッチパ蔵化によって、外付けタッチパネルの従来品に比べ厚みネルの技術は、ディスプレイデバイスと切っても切れないは57％減の約1ｍｍ、重量は48％の225ｇ、そして外光反関係にある。特にモバイル機器には、薄型、軽量、狭額射 率は約 10％低 減され、モバイル用途の機 器の薄 型縁および低消費電力が必須である。ここで紹介したタッ化・軽量化、および省資源、省電力などの環境負荷低チパネルの内蔵技術は、これらの要求を満たすことだけ減が可能となる。さらに、明るい場所でも外光の反射がではなく、ディスプレイメーカにとって付加価値の創造と抑えられ鮮明な表示と直感的なマルチタッチ操作が可

競合他社との差異化に繋がる重要な技術である。タッ能となった。静電容量式のタッチパネルは、いかに指がチパネルは今後とも目が離せない技術の一つである。

パネルに軽くタッチしたことによる容量変化を確実に検出

THE CHEMICAL TIMES

2011  No.4
（通巻222号）

7