Metal-Mesh-Sensoren als Alternative zu ITO bei Touch-Displays

Autor / Redakteur: Johannes Schad * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei Touchdisplays sind leitfähige und unsichtbare Strukturen notwendig. Bisher wurden Sensoren aus ITO gefertigt. Doch hat das Nachteile. Eine Alternative sind Metal-Mesh-Sensoren auf Silberbasis.

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Toucheingabe bei Weißer Ware: Die Leiterbahnen der Sensorfolie PolyTC sind unter zehn Mikrometer dick. Dank der hohen Leitfähigkeit verfügen die Sensoren über ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis.
Toucheingabe bei Weißer Ware: Die Leiterbahnen der Sensorfolie PolyTC sind unter zehn Mikrometer dick. Dank der hohen Leitfähigkeit verfügen die Sensoren über ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis.
(Bild: PolyIC)

Kapazitive Multitouch-Sensoren sind robust und haben sich in der Industrie durchgesetzt: Bei Displayelementen werden Touchsensoren mit leitfähigen und gleichzeitig unsichtbaren Strukturen benötigt. Dazu sind überwiegend Sensoren aus ITO = Indium Tin Oxide notwendig. Das Material ist jedoch aufgrund seiner elektrischen und mechanischen Eigenschaften in seinen Einsatzmöglichkeiten eingeschränkt.

Touchsensoren mit silberbasierten Metallstrukturen bieten eine Alternative mit entscheidenden Vorzügen. Der Flächenwiderstand von Indium Tin Oxide liegt typischerweise bei etwa 100 Ω/□. Dadurch ist eine fehlerfreie Detektion der Touchsignale von den Materialdicken der Bedienblenden abhängig, die Größe der Sensorfläche ist limitiert und die Auslesezeit relativ hoch.

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Hinzu kommt, dass ITO ein starres Material ist: Es lässt sich nicht an stark gebogene Oberflächen anpassen. Daher ist es überwiegend nur für flache Touchdisplays einsetzbar. Geschwungene Displays, wie sie im Automobil oder bei Hausgeräten zunehmend gefragt sind, erfordern eine andere Sensortechnik. Ein weiterer Nachteil ist der stark schwankende Preis des seltenen Rohstoffs Indium, der die Herstellung von ITO-Sensoren beeinflusst. Die weltweiten Ressourcen lagern überwiegend in Asien und bei der Produktion von ITO-Sensoren liegt China bei einem Marktanteil von 60 Prozent. Eine alternative Technik ist von Seiten der Industrie gewünscht und willkommen.

Metal-Mesh-Sensoren im Serieneinsatz

PolyIC hat spezielle kapazitive Touchsensoren entwickelt, die im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit hochleitfähigen und gleichzeitig transparenten Metal-Mesh-Strukturen belegt werden. Das Unternehmen ist eine Tochter von der Leonhard Kurz Stiftung & Co. KG. Die silberbasierten Sensoren auf Basis der Technologie PolyTC bieten mit einem Flächenwiderstand von <25 Ω/□ eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit. Metal-Mesh-Strukturen sind für ihre sehr gute Leitfähigkeit bekannt.

Bei den herkömmlichen Metallgitter-Techniken fehlt bisher die hohe optische Transparenz. Metal-Mesh-Leiterbahnen waren bisher über 25 µm breit und damit deutlich sichtbar. Dem Hersteller PolyIC ist es gelungen, PolyTC-Sensoren mit Leiterbahnbreiten unter zehn Mikrometern herzustellen. Die Sensoren sind bereits erfolgreich in industriellen Touchanwendungen im Einsatz. Vor allem dort, wo eine hohe optische Transparenz erforderlich ist. Sie werden bereits in großer Stückzahl in Serie in Touchbedienfelder von Weißer Ware eingebaut.

Sensorleistung durch hohe Leitfähigkeit

Die hohe Leitfähigkeit der PolyTC-Sensoren führt zu einem ausgezeichneten Signal-Rauschverhältnis, sie lassen sich schnell auslesen, bieten eine verlustarme Signalübertragung sowie störungsfreie Sensorfunktion ohne Fehlsignale. Dadurch werden hohe Touchreichweiten erzielt, sodass auch bei dicken Kunststoffblenden die Eingabe zuverlässig erkannt wird. Anders als bei ITO-Sensoren ist aufgrund des deutlich geringeren Flächenwiderstands kein aufwendiger Abgleich von Touchsensor zu Touchcontroller in der laufenden Serienproduktion nötig.

Die teure Kalibrierung des Touchsystems am Ende der Prozesskette entfällt. Die Sensorgröße ist dank der Leitfähigkeit flexibel. Spezielle PolyTC-Sensoren werden in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess in hohen Stückzahlen günstig hergestellt. Die mit Metal-Mesh-Strukturen belegten Folienrollen können kilometerlang sein. Eine Rolle enthält mehrere zehntausend Touchsensoren. Die Metal-Mesh-Strukturen werden im Herstellungsprozess auf flexible PET-Trägerfolien aufgebracht, die zwischen 50 und 75 µm dick sind. Über leitfähige Strukturen kommen besondere Schutzschichten zum Einsatz.

Dazu gehören beispielsweise eine Folienversiegelung für hohe Beständigkeitsanforderungen. Außerdem lassen sich Kontaktverstärkungen sowie ein Tail mit Stiffener für ZIF-Steckverbinder direkt integrieren. Zusätzlich werden Primer- oder Kleberschichten in Kunststoffblenden appliziert. Die Strukturierung der Leiterbahnen lässt sich kundenindividuell und anwendungsspezifisch gestalten. Je engmaschiger das Metallgitter ist, desto höher die Leitfähigkeit. Der physikalische Effekt konkurriert mit der Transparenz der Sensoren. Für die Transparenz gilt: je weniger Metall, desto besser. PolyIC hat es mit der patentierten PolyTC-Technik geschafft, für individuelle Kundenanforderungen einen optimalen Kompromiss zwischen Leitfähigkeit und Transparenz zu finden.

Metal-Mesh-Sensoren sind flexibel und vielseitig

Für Chip-on-Board-Designs bieten PolyTC-Sensoren einen kostenrelevanten Vorteil: Der Tail lässt sich direkt mit der Sensorfolie mitproduzieren und muss nicht aufwendig in einem separaten Arbeitsschritt mit ACF (Anisotropic Conductive Film) gebondet werden. Der Sensor lässt sich über den Steckkontakt mit der Controller-Platine verbinden. ITO-Sensoren sind nicht in diesen Varianten produzierbar, das ACF-Bonding des Tails ist fast immer erforderlich.

Wird die Chip-on-Flex-Technik eingesetzt, sind PolyTC-Sensoren auch ohne Tail erhältlich. PolyTC-Metal-Mesh-Sensoren auf Polyesterträger sind mechanisch robust und biegsam und dadurch flexibel einsetzbar. Sie sind für flache wie gewölbte Kunststoffbauteile geeignet und können in industriell standardisierten Prozessen integriert werden: im Laminierverfahren mit Klebern, mit IML (In-Mold-Labelling) oder in einem dem Heißprägeverfahren ähnlichen Prozess, dem Functional Foil Bonding (FFB). Die Sensoren lassen sich mit den Oberflächendesigns der Muttergesellschaft Leonhard Kurz verarbeiten. Werden die Sensoren in Spritzgussteile integriert, erfolgen Spritzgießen, Dekoration und Sensorintegration in einem Arbeitsschritt.

* Johannes Schad arbeitet bei PolyIC als Product Manager für Touchsensoren für den Bereich Home Appliance.

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