Ekrany dotykowe - rynek, dostawcy i technologie

Rys. 1. Wartość rynku ekranów dotykowych w latach 2010, 2011 i 2014 według szacunków firmy Displaybank

Zanim ekrany dotykowe podbiły rynek elektroniki użytkowej, były wykorzystywane na mniejszą skalę w różnych urządzeniach, głównie w branży spożywczej (na przykład w automatach z napojami i słodyczami), w kioskach "self check-in" na lotniskach oraz w przemyśle. Prawdziwą popularność wyświetlacze dotykowe zyskały dopiero wraz z pojawieniem się systemów operacyjnych ułatwiających implementację interfejsu tego typu w urządzeniach przenośnych.

Przykładem takich systemów operacyjnych są iOS firmy Apple, Android firmy Google, BlackBerry OS oraz Windows Phone OS. Gdy ekrany dotykowe zaczęto na masową skalę instalować w telefonach, tabletach i coraz popularniejszych czytnikach e-booków, technologia ta zaczęła cieszyć się ogromnym zainteresowaniem czołowych dostawców podzespołów do produkcji urządzeń mobilnych. W efekcie obecnie łańcuch dostaw komponentów potrzebnych do budowy wyświetlaczy dotykowych oplata cały świat, obejmując producentów z Azji, USA i Europy.

Dostawcy czujników do ekranów dotykowych

Ekrany dotykowe mają budowę warstwową. Pierwszą warstwą jest powłoka ochronna zrobiona ze specjalnie wzmocnionego szkła lub plastiku, która z reguły nie zawiera żadnych komponentów elektronicznych ani przewodów. Kolejną warstwę stanowi powłoka ze szkła lub tworzywa sztucznego pokryta matrycą czujników w postaci elektrod wykonanych z materiału przewodzącego.

Pod matrycą sensorów znajduje się wyświetlacz - na przykład LCD lub OLED. Na nim prezentowane są elementy, które użytkownik może wskazać, dotykając powierzchni ekranu. Sensory do wyświetlaczy dotykowych dostarczają obecnie głównie producenci z Azji. Są to przede wszystkim firmy z Tajwanu, na przykład Wintek oraz TPK Touch Systems, które współpracują z firmą Apple.

Przedsiębiorstwa te razem z szybko rozwijającymi się również tajwańskimi firmami Young Fast i J-Touch dostarczają obecnie większość matryc dotykowych wykorzystywanych w elektronice użytkowej produkowanej na całym świecie. Ich największą konkurencją są producenci z Japonii, m.in. firmy Gunze, Suzutora i DMC, a także dostawcy chińscy.

Producenci kontrolerów do wyświetlaczy dotykowych

Wyjścia matrycy sensorów czułych na dotyk połączone są z kontrolerem, który analizuje ich stan i na tej podstawie wyznacza położenie na ekranie punktu wskazanego przez użytkownika. Dane o tych współrzędnych są przekazywane do głównego procesora urządzenia. Kontrolery do urządzeń z wyświetlaczami dotykowymi dostarczają głównie firmy amerykańskie i europejskie.

Obecnie największy udział w tym rynku ma Atmel. Komponenty produkcji tej firmy można znaleźć m.in. w tabletach Motorola Xoom, Samsung Galaxy Tab i LG G-Slate, notebookach Iconia Acera, tabletach Transformer Asusa i Streak Della oraz w wielu innych tabletach z systemem operacyjnym Android, a także w smartfonach HTC i Motoroli.

Głównymi konkurentami Atmela na tym rynku są firma Cypress Semiconductor, której kontrolery są wykorzystywane w tabletach BlackBerry PlayBook, czytnikach e-booków Barnes and Noble Nook oraz smartfonach, na przykład HTC oraz firma Synaptics, dostarczająca kontrolery do tabletów Huawei Ideos S7 Slim oraz telefonów komórkowych z systemami operacyjnymi Android i Windows.

Oprócz tego na rynku kontrolerów do ekranów dotykowych działają też firmy: Braodcom, której produkty można znaleźć w urządzeniach z systemem operacyjnym iOS, w tym w iPadzie 2, Texas Instruments dostarczający kontrolery do iPhonów, STMicroelectronics, która ostatnio rozszerzyła o kolejne produkty rodzinę kontrolerów S-Touch, IDT oferujący kontrolery PureTouch, a także Silicon Labs, Analog Devices oraz Freescale.

Ta ostatnia firma obsługę ekranów dotykowych zaimplementowała w wielu swoich mikrokontrolerach, w tym w urządzeniach z rodziny Kinetis, S08, ColdFire+ oraz i.MX.

Technologie wyświetlaczy dotykowych

Dwa obecnie najpopularniejsze typy ekranów dotykowych to panele rezystancyjne i pojemnościowe (rys. 2). W tych pierwszych jako sensor dotyku wykorzystuje się dwie warstwy pokryte przewodzącym materiałem, które są umieszczone jedna na drugiej w pewnej odległości. Na skutek odkształcania górnej płytki pod wpływem dotyku obie warstwy stykają się.

Wówczas w kontrolerze wykrywane jest połączenie. Pojemnościowe wyświetlacze dotykowe wykonuje się natomiast w postaci matrycy złożonej z pojedynczych elektrod (ekrany typu surface capacitive) lub ich par (ekrany typu projected capacitive). W pierwszym przypadku w momencie dotknięcia ekranu elektroda i palec tworzą kondensator, którego pojemność jest mierzona i analizowana w kontrolerze.

W przypadku sensora złożonego z dwóch elektrod w chwili przyłożenia palca do wyświetlacza zmienia się ich pojemność wzajemna. Ekrany pojemnościowe są też dostępne w wersjach wielodotykowych. Można w ich wypadku manipulować obiektami na wyświetlaczu, używając kilku palców w taki sam sposób, jak za pomocą kursora myszki na ekranie komputera.

Ekrany przyszłości

Rys. 2. Podział rynku ekranów dotykowych w 2010 roku według DisplaySearch. Od lat najpopularniejszą technologią ekranów dotykowych są wyświetlacze pojemnościowe i rezystancyjne

Technologie produkcji dotykowych ekranów pojemnościowych i rezystancyjnych rozwijane są aktualnie głównie pod kątem zmniejszenia kosztów. Jednym ze sposobów umożliwiających osiągnięcie tego celu jest zastąpienie tlenku cynowo-indowego obecnie stosowanego do wytwarzania elektrod i powłok rezystancyjnych nowymi materiałami.

W tym zakresie pod uwagę brane są na przykład przezroczyste przewodniki wykonywane z wykorzystaniem nanokabli (nanowires) ze srebra w technologii ClearOhm firmy Cambrios Technologies, powłoki z nanorurek węglowych, nad którymi pracuje firma C3Nano, przewodzące polimery oraz epitaksjalne powłoki z grafenu. Oprócz tego równolegle rozwijane są technologie konkurencyjne.

Największe szanse na zagrożenie monopolowi technologii pojemnościowej i rezystancyjnej na rynku ekranów dotykowych ma obecnie technologia optyczna. W wyświetlaczach tego typu wykorzystuje się diody LED emitujące promieniowanie o długości fali w zakresie podczerwieni, które rozmieszcza się wzdłuż krawędzi dookoła ekranu.

W momencie przyłożenia palca do jego powierzchni strumień świetlny zostaje przerwany, co pozwala wyznaczyć współrzędne dotkniętego punktu. Technologia ta łączy w sobie zalety ekranów pojemnościowych pod względem szybkości odpowiedzi oraz rezystancyjnych pod względem atrakcyjnej ceny.

Nad rozwiązaniami w zakresie optycznych ekranów dotykowych pracuje aktualnie m.in. firma NextWindow, która bezdotykowe ekrany optyczne dostarcza do komputerów TouchSmart firmy Hewlett-Packard oraz Texas Instruments wspólnie ze szwedzką firmą Neonode. Ekrany optyczny zForce tej ostatniej zostały już nawet wdrożone w czytnikach Sony Reader.

Monika Jaworowska