Von Roland Maurer

Mit einem Marktanteil von rund 85% sind die analog-resistiven Touchscreens die Arbeitspferde in der Industrie, gefolgt von den kapazitiven Systemen mit 10% und den beiden Touchtechnologien Oberflächenwelle und Infrarot mit zusammen 5%. Die hohen Anforderungen im industriellen Umfeld erfüllt jedoch nicht jeder der rund 50 Touchscreen-Hersteller. Zum Teil gibt es erhebliche Unterschiede in der Qualität, die in erster Linie aus den konstruktiven Merkmalen und der Materialauswahl resultieren.

Das Funktionsprinzip eines analogresistiven Touchscreen basiert auf zwei gegenüberliegenden, mit leitfähigem ITO-Material beschichteten Flächen – in der Regel eine Folie auf Glas (ITO: Indium-Zinn-Oxid ist ein transparenter, leitfähiger Mineralwerkstoff). Diese Folie wird umlaufend mit einem Kleberahmen, dem Spacer, auf das Glas laminiert. Die untere Ebene ist mit kleinen Punkten (Mikro-Dots) rasterförmig bedruckt, die eine ungewollte Kontaktierung der beiden ITO-Flächen verhindert. Eine Berührung des Touchscreen mit dem Finger oder Stift stellt einen Kontakt der beiden Flächen her. Die Positionsparameter werden anhand der resultierenden Spannungsteiler zum Beispiel mit einem PenMount-Touch-Controller alternierend mit 200Hz über die obere und untere ITO-Fläche ermittelt. Die Ansprechzeit der Betätigung liegt somit bei 5ms.

Übliche Varianten analog-resistiver Touchscreens sind die 4-, 8- sowie die 5-Draht-Technik. Bei den 4- und 8-Draht-Ausführungen erfolgt die Positionsbestimmung in x- und y-Richtung getrennt auf den beiden Flächen des Touchscreen. Bei der 8-Draht-Technik werden zusätzlich vier Messleitungen für den Touchcontroller nach außen geführt, um die tatsächlich an den Folien anliegende Spannung abzugreifen. Damit kann der Touchcontroller physikalische Alterungsprozesse und die Drift kompensieren.

Die 5-Draht-Technik ermöglicht die Positionsbestimmung allein auf der Glasseite. Die obere Folie, der so genannte fünfte Draht, dient lediglich als Messleitung. Der Vorteil: Änderungen in den Eigenschaften der oberen ITO-Folie wirken sich nicht auf die Funktion und Linearität des Touchscreen aus. Allerdings erfordert diese Technik eine spezielle Spannungseinleitung über ein besonderes Leiterbahn-Design an den Eckpunkten des ITO-Glases. Damit erreichen 5-Draht-Touchscreens eine garantierte Linearität von über 99 %. Bei einer Display-Diagonalen von 15 Zoll beträgt die maximale Abweichung der Abbildung auf dem Display zum tatsächlichen Aktivierungspunkt somit nur 0,38mm.

Industrietaugliches Design

Die Applikation bestimmt den Aufbau eines Touchpanel: vollflächig laminiert (oben), mit einem Fensterausschnitt (Mitte) für den Touchscreen versehen oder für einen rückseitigen Einbau in ein Bediengehäuse (unten) vorbereitet.

Nur vorqualifizierte ITO-Materialien eignen sich für weite Temperaturbereiche und extreme Klima-Anforderungen. Ein weiteres wichtiges Kriterium für den Einsatz von Touchscreens im industriellen Umfeld ist ein luftdichter Aufbau zwischen den Lagen, um ein vollflächiges Aufwölben der ITO-Folie (Pillowing) durch die wärmebedingte Luftausdehnung zu vermeiden. Das erfordert eine spezielle Bedruckung der Mikro-Dots mit UVhärtenden Materialien. Diese Mikro-Dots sind aufgrund ihrer geringen Höhe von maximal 40μm weder sichtbar noch fühlbar und reduzieren das Volumen zwischen den beiden ITO-Flächen auf ein Minimum. Dies ermöglicht den Einsatz dieser Touchscreens für Temperaturen bis zu +80 °C.

Der Spacer fungiert als Klebeband zwischen den beiden Lagen und muss dazu folgende Eigenschaften erfüllen: Die definierte Klebekraft darf sich auch bei unterschiedlichen Temperaturen und wechselnder Luftfeuchtigkeit nicht verändern. Gleichzeitig muss der Spacer die verschiedenen Längenausdehnungen von ITO-Folie und -Glas kompensieren.

Die größte Schwachstelle vieler Touchscreens sind instabile Übergangswiderstände der internen Leitklebeverbindungen zu den ITO-Lagen sowie zwischen der Anschlussfahne und den bedruckten Leiterbahnen. Daraus resultieren typische Fehlerbilder wie Unlinearitäten bei einer Erwärmung des Touchpanel, das heißt Fehlabbildungen der Zeigerposition bis hin zum Totalausfall. Abhilfe schaffen spezielle Kontaktmaterialien mit einem geringen Übergangswiderstand, hoher Temperaturstabilität und starker Klebekraft zu den Leiterbahnen. Sie sorgen für eine gleichermaßen robuste wie flexible mechanische Verbindung zwischen den ITO-Lagen.

Einsatz unter extremen Bedingungen

Anforderungen, wie sie zum Beispiel in Baumaschinen oder in der Lebensmittelproduktion auftreten, verlangen einen besonderen Aufbau – die 5-Lagen-Technik. Anstatt des üblichen 3-lagigen Aufbaus mit ITO-Folie, Kleberahmen und ITO-Glas wird die Touchfunktion mit zwei ITO-Folien realisiert, die auf ein weiteres Trägermaterial auflaminiert werden. Diese zusätzliche Trägerlage hat eine rein mechanische Funktion und kann daher aus stabilem Verbundglas, chemisch gehärtetem Glas oder aus bruchfestem Kunststoff wie Polycarbonat (PC) oder Plexiglas (PMMA) bestehen. Die zwei Anschlussfahnen des 5-Lagen-Touchscreen sind nicht verklebt, sondern in einem Stück mit der ITO-Folie konstruiert. Bei Bedarf lässt sich die Widerstandsfähigkeit des Touchscreen mit einer zusätzlichen, vollflächig laminierten Designfolie oder mit auswechselbaren Schutzfolien weiter erhöhen.

Speziell in der Chemie ist mit schädlichen Gasen zu rechnen, die eine Oxidation der mit Silberleitfarbe bedruckten Kontaktflächen bis hin zu deren kompletten Zersetzung verursachen können. Als Gegenmaßnahme eignet sich eine komplette Abdichtung des Touchscreen inklusive der Anschlussfahnen mittels UV-Klebstoff. Die korrosionsgefährdeten Leiterbahnen der ITO-Übergänge werden mit speziellen Isolationslacken geschützt.

Eine häufig geforderte Eigenschaft ist die Ablesbarkeit bei direkter Sonneneinstrahlung im Freien. Maßgeblichen Einfluss darauf hat die Reflektionsrate der verwendeten Folie, die bei Standard-Geräten zwischen 16 bis 22% liegt. Spezielle Polarisations-Folien erreichen dagegen Reflektionsraten bis unter 2,5%. Solche Touchscreens müssen allerdings im Aufbau dem Polarisationswinkel des dahinter liegenden Displays lagerichtig angepasst werden. Ansonsten verdunkelt der „Polarizer“ das Displaybild total.

Bei Indoor-Anwendungen und kostengünstigeren Lösungen kommen Antireflexions-ITO-Folien mit einer erhöhten Lichtdurchlässigkeit über 90% zum Einsatz. Optische Unterschiede bestehen auch in der farblichen Eintrübung in Folge der Oberflächenhärtung (Hardcoating) und Entspiegelung (Antiglare-Beschichtung) der ITO-Folien.

Ungeeignete ITO-Materialien verursachen Interferenzen an den Schichten des Aufbaus, so genannte Newtonsche-Ringe. Sie entstehen, wenn das Umgebungslicht an der Ober- und Unterseite unbehandelter ITO-Schichten reflektiert wird. Eine spezielle Oberflächenbehandlung der ITO-Schichten löst dieses optische Problem.

Keine Qual bei der Wahl

Bei hohen Anforderungen bezüglich größtmöglicher Lebensdauer und Linearität kommen Touchscreens in der 5-Draht-Technik zum Einsatz, die eine Lebensdauer von 36 Millionen Betätigungen an jedem Display-Punkt garantieren. Für die 5-Draht-Screens sprechen auch ihre Langzeitstabilität und Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen. Große Display-Diagonalen bis zu 21 Zoll sind daher überwiegend im 5-Draht-Design realisiert. Außerdem hat diese Technik Vorteile beim rückseitigen Einbau in Bediengehäuse oder Schaltschränke.

Wird eine optimale Langzeitstabilität bei einer nur einmaligen Kalibrierung des Touchscreen gefordert, wird ab 10,4 Zoll üblicherweise der 8-Draht-Touchscreen verwendet. Die Lebensdauer der 4- und 8-Draht-Technik liegt bei rund 10 Millionen Betätigungen.

Für kleine Displays mit sehr schmalem Rand und für mobile Geräte sind 4-Draht-Touchscreens die optimale Wahl. Die stete Verbesserung der ITO-Materialien ermöglicht aber auch den industriellen Einsatz bis zu 15 Zoll. Für eine bis zu dreifach erhöhte Biege- und Schlagfestigkeit der Touchscreens sorgen chemisch gehärtete ITO-Gläser. Im Hinblick auf eine Gewichtsreduzierung kommt gehärtetes Glas häufig auch in Handheld-Applikationen zum Einsatz.

Einbau ohne Schmutzkanten

Beispiele kundenspezifischer Touchpanels mit vollflächig laminierter Front.

Die Besonderheit der Touchscreen-Integration der Firma Schurter ist das vollflächige Laminieren einer entspiegelten Polyesterfolie über den kompletten Touchpanel, das heißt über den Touchscreen und die Trägerplatte. Bei diesem Aufbau treten weder Ränder noch Absätze zwischen Gehäuse-Ausschnitt und Touchscreen auf. Dadurch lässt sich das Touchpanel reinigen und desinfizieren, ohne dass Flüssigkeiten in das Innere eindringen oder sich an den Übergängen festsetzen können. Die transparente und kratzfeste Laminierung ist temperaturstabil und unempfindlich gegenüber Klima-Einwirkungen. Auch hat sie keine Auswirkung auf die Betätigungskraft der im Panel integrierten Touch-Sensoren.

Ein weiterer Vorteil dieser Folie besteht im erhöhten Schutz der Touchscreens gegen aggressive Medien und mechanische Einwirkungen. Wenn es die Einsatzbedingungen erlauben, kann aus Kostengründen für die aktive Fläche des Touchscreen ein Fenster in der Designfolie ausgespart werden. Dieser Ausschnitt bewirkt lediglich einen geringen Absatz, ist aber ebenfalls plan und dicht. Eine individuelle grafische Gestaltung der Panels ist durch eine rückseitige Bedruckung möglich. Frontseitig stehen unterschiedliche Struktureigenschaften zur Auswahl. Tasten, Tastenfelder, Touch-Keypads sowie eine LED-Beleuchtung lassen sich ebenfalls integrieren. Die Firma Schurter verwendet Touchscreens der Firma Apex Material Technology (AMT) sowie Touchcontroller (Boards und Chiplösungen) der Firma PenMount.

Autor

Roland Maurer ist Produktmanager bei Schurter in Endingen.