史世明，李園園，鄭美珠，薄賾文，張 嵩，王大巍

（京東方科技集團(tuán)股份有限公司，北京 100176）

1 引 言

2007 年互容式電容觸摸屏被應(yīng)用到蘋果手機(jī)上，觸摸屏取代了以往繁多的物理按鍵，人們和手機(jī)的人機(jī)交互體驗(yàn)有了質(zhì)的提升，電容觸摸屏技術(shù)也得到迅速發(fā)展，成為便攜式智能終端產(chǎn)品的主流觸控技術(shù)［1-2］。尤其近幾年，隨著柔性AMOLED 顯示技術(shù)的發(fā)展，對(duì)顯示產(chǎn)品厚度減薄和形態(tài)多變提出了更高要求。

三星、華為、歐珀等各主流手機(jī)品牌也先后推出折疊屏手機(jī)產(chǎn)品，聯(lián)想、英特爾等電腦品牌也陸續(xù)發(fā)布折疊屏筆記本。為了滿足越來(lái)越多樣的柔性AMOLED 顯示產(chǎn)品需求，柔性顯示模組中觸摸屏的減薄、耐彎折和耐卷曲已是相應(yīng)觸控技術(shù)開發(fā)的主流方向。柔性顯示模組的信賴性需求，對(duì)柔性電極材料提出更高要求，電極材料的高透過(guò)率需求與低方阻需求又互相制約。從早期的玻璃基材的ITO 觸控方案，到后來(lái)高分子材料基材和各種耐彎折導(dǎo)電材料的可折疊觸控開發(fā)，再到近幾年柔性AMOLED 手機(jī)產(chǎn)品使用的集成觸控方案，行業(yè)努力打破思維局限及解決技術(shù)難題，電容觸摸屏的結(jié)構(gòu)和材料均有了多方位發(fā)展，為廣大消費(fèi)者提供更加實(shí)用、形態(tài)更加多樣、性能更加優(yōu)秀的智能交互產(chǎn)品。

2 電容式觸摸屏分類

2.1 根據(jù)檢測(cè)原理分類

根據(jù)檢測(cè)原理不同，投射式電容觸摸屏分為自電容和互電容兩種。自電容檢測(cè)每個(gè)感應(yīng)單元自身電容（對(duì)地電容）的變化。當(dāng)手指靠近或觸摸到觸摸屏?xí)r，手指的電容疊加到屏體電容上，屏體電容增加。對(duì)于行列電極設(shè)計(jì)的自容屏，在觸摸檢測(cè)時(shí)，只能檢測(cè)X行+Y列個(gè)電容，當(dāng)兩指觸摸時(shí)，X和Y方向分別產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，會(huì)報(bào)鬼點(diǎn)［3］。點(diǎn)陣電極設(shè)計(jì)的自容屏，共有X×Y個(gè)電極，可以分別檢測(cè)X×Y個(gè)對(duì)地電容，可支持多點(diǎn)觸控。點(diǎn)陣自容電極設(shè)計(jì)如圖1（a）所示，是目前小尺寸穿戴式產(chǎn)品常用觸控方案?；ル娙輽z測(cè)兩個(gè)交叉感應(yīng)塊之間形成的電容，兩個(gè)感應(yīng)塊分別構(gòu)成電容的兩極。驅(qū)動(dòng)電極提供激勵(lì)信號(hào)，感應(yīng)電極同時(shí)接收信號(hào)，這樣可以檢測(cè)到所有橫向和縱向交匯點(diǎn)的電容大小。當(dāng)手指觸摸時(shí)，從驅(qū)動(dòng)電極到感應(yīng)電極的電場(chǎng)部分轉(zhuǎn)移到手指上，觸摸位置互電容減少。即使屏上有多個(gè)觸摸點(diǎn)，也能計(jì)算出每個(gè)觸摸點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，即可以支持多點(diǎn)觸控［4］?；ト蓦姌O設(shè)計(jì)如圖1（b）所示，是目前手機(jī)、平板等中小尺寸產(chǎn)品的主要觸控解決方案之一。

圖1 自容和互容觸控電極設(shè)計(jì)Fig.1 Touch electrode design of self-capacitive and mutual-capacitive touch sensor

2.2 根據(jù)結(jié)構(gòu)分類

本文主要介紹可用于柔性AMOLED 顯示屏的觸控方案，根據(jù)與柔性AMOLED 顯示屏的相對(duì)關(guān)系，可分為外掛式觸摸屏和集成式觸摸屏。兩種結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2 所示。其中外掛式觸摸屏通常由觸摸屏廠制作完成，通過(guò)光學(xué)膠貼合到顯示屏上，如圖2（a）所示，可貼合于偏光片上方或偏光片下方，其中觸控電極層位于偏光片下方的結(jié)構(gòu)可降低金屬可視風(fēng)險(xiǎn)，光學(xué)性能更優(yōu)。制作工藝主要有印刷工藝、激光工藝、黃光工藝、壓印工藝等；常用的透明導(dǎo)電材料有氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）、納米銀線（Silver Nano Wire，SNW）、碳納米管（Carbon Nano Tube，CNT）、石墨烯及導(dǎo)電聚合物等［5］；不透明金屬材料如銅、銀等通常用于金屬網(wǎng)格（Metal Mesh）觸摸屏電極。集成式觸摸屏則是采用光刻工藝直接制作于薄膜封裝層上的金屬網(wǎng)格觸摸屏，如圖2（b）所示。此結(jié)構(gòu)可省去一張模組貼合的外掛觸摸屏和光學(xué)膠，實(shí)現(xiàn)顯示模組的減薄。表1 列舉了外掛觸摸屏不同分類方式［6-7］。

圖2 外掛與集成式觸控模組結(jié)構(gòu)Fig.2 Out-cell and On-cell touch module structure

表1 外掛柔性觸摸屏分類方式Tab.1 Classification of out-cell flexible touch sensor

3 外掛式電容觸摸屏技術(shù)現(xiàn)狀

柔性AMOLED 顯示形態(tài)由平面、固定曲面逐漸向折疊和卷曲等更多樣的顯示形態(tài)發(fā)展，電容觸摸屏的厚度也越來(lái)越薄。圖3 列舉了幾種外掛觸摸屏結(jié)構(gòu)，其中根據(jù)各廠商工藝能力塑料基材厚度可對(duì)應(yīng)10～50 μm。圖3（d）中單面電極架橋結(jié)構(gòu)是目前手機(jī)、平板電腦等中小尺寸AMOLED顯示模組的主要外掛式觸控解決方案，其透明面電極材料主要是ITO 材料，架橋電極為銅金屬。筆記本電腦等中大尺寸AMOLED 產(chǎn)品主要采用金屬網(wǎng)格方案，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)主要為圖3（a）、圖3（c）。Cambrios 和C3Nano 也積極開發(fā)和推廣用于觸摸屏電極的透明SNW 材料，可對(duì)應(yīng)觸摸屏結(jié)構(gòu)為圖3（a）、（b）、（c）。

圖3 幾種外掛觸摸屏結(jié)構(gòu)Fig.3 Several structures of out-cell touch sensor

3.1 ITO 觸控技術(shù)

觸摸屏中常用ITO 電極材料，方阻范圍在40～150 Ω/□，透過(guò)率90%左右，具有良好的導(dǎo)電性能和透光性能，且工藝成熟，目前仍占據(jù)外掛電容屏的主要市場(chǎng)［8］。ITO 成膜工藝分為低溫工藝和高溫工藝，高溫工藝可以制作致密性高、方阻低的ITO 膜，但是對(duì)設(shè)備和工藝能力要求較高。ITO 觸控圖案制作工藝，也由原先低精度的激光工藝改進(jìn)為高精度的黃光和蝕刻工藝。

由于近幾年柔性顯示屏技術(shù)的發(fā)展，ITO 觸摸屏也被應(yīng)用于固定曲面手機(jī)產(chǎn)品上。業(yè)界也對(duì)ITO 材料在折疊產(chǎn)品上的應(yīng)用做了系統(tǒng)研究。將高溫工藝成膜的ITO 觸摸屏置于顯示模組的中性層時(shí)，在彎折半徑5 mm 時(shí)有機(jī)會(huì)達(dá)成10 萬(wàn)次的彎折信賴性測(cè)試。但當(dāng)ITO 電極層距離中性層較遠(yuǎn)，或彎折半徑更小時(shí)，隨著彎折次數(shù)增加ITO 的方阻會(huì)急劇上升，甚至出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致觸控功能失效。

3.2 金屬網(wǎng)格觸控技術(shù)

由于銅或銀等金屬材料本身具有非常優(yōu)秀的導(dǎo)電性能，由這些材料制作的金屬網(wǎng)格方阻可以做到5 Ω/□以下，通道阻抗明顯較ITO 電極低很多，從而有更優(yōu)秀的觸控性能，尤其在中大尺寸產(chǎn)品上受到青睞。此外，由于金屬材料的延展性，使其具有更好的耐彎折性能，彎折測(cè)試后依舊保持良好的導(dǎo)電性和電阻的整面均勻性，從而可以滿足更小的彎折半徑和更多的彎折次數(shù)，成為柔性顯示模組的觸控解決方案之一。由于金屬材料的不透光性，其制作的金屬網(wǎng)格透過(guò)率高低與網(wǎng)格線寬和密度成反比。目前也有金屬網(wǎng)格透明電極的研究報(bào)道，低方阻的前提下還可以達(dá)到與ITO 相當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)性能［9］。

光學(xué)摩爾紋目前是金屬網(wǎng)格觸控方案最棘手的問(wèn)題。在金屬網(wǎng)格設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)OLED 像素設(shè)計(jì)匹配金屬網(wǎng)格。金屬網(wǎng)格制作工藝主要有光刻工藝、納米壓印工藝等，參考表2［14］，目前可量產(chǎn)線寬3 μm 左右。手機(jī)屏幕要求近眼使用也不能看到摩爾紋，要求網(wǎng)格線寬小于2 μm，由于工藝限制，目前還在僅可提供測(cè)試樣品階段，無(wú)法量產(chǎn)。對(duì)于無(wú)近眼使用場(chǎng)景需求的中大尺寸產(chǎn)品，低方阻的金屬網(wǎng)格具有明顯優(yōu)勢(shì)，被筆記本電腦、車載、工控等多種產(chǎn)品應(yīng)用。另外金屬網(wǎng)格電極的鏤空設(shè)計(jì)，使其具有負(fù)載小、信號(hào)衰減慢、電極接收到來(lái)自顯示的噪聲波動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)，對(duì)產(chǎn)品支持主動(dòng)筆的使用有一定優(yōu)勢(shì)。

表2 金屬網(wǎng)格成膜技術(shù)Tab.2 Forming technologies of metal mesh sensor

3.3 SNW 觸控技術(shù)

SNW 是采用化學(xué)法生長(zhǎng)的直徑為25～300 nm、長(zhǎng)度10～200 μm 的銀納米材料。除具有銀優(yōu)良的導(dǎo)電性之外，由于納米級(jí)別的尺寸效應(yīng)，還具有優(yōu)異的透光性、耐撓曲性，因此被視為最有可能替代傳統(tǒng)ITO 透明電極的材料。被作為柔性、可折疊顯示屏的觸控方案廣泛研究。SNW 觸摸屏的缺點(diǎn)是霧度高，可能導(dǎo)致在室外強(qiáng)光照射的情況下看不清屏幕。隨著Cambrios，C3Nano 等材料廠商的工藝改進(jìn)，納米銀線的直徑已下降至30 nm 以下，霧度問(wèn)題已顯著改善，圖4 是C3Nano 專利（專利號(hào)：CN105102555B）披露的第6 代不同方阻的SNW/PET 膜材的透過(guò)率和霧度光學(xué)數(shù)據(jù)，其中納米銀材料的方阻分別為103 Ω/□、90 Ω/□、75 Ω/□、50 Ω/□［15］。數(shù)據(jù)表明，隨著材料方阻的降低，其光學(xué)性能也會(huì)變差。

圖4 第6 代納米銀薄膜電學(xué)和光學(xué)參數(shù)Fig.4 Electrical and optical parameters of the Gen-6 nano silver films

4 集成式電容觸控技術(shù)現(xiàn)狀

4.1 集成式觸控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

隨著近幾年業(yè)界技術(shù)難題的攻克，集成式電容屏在可穿戴、曲面手機(jī)、折疊手機(jī)等柔性AMOLED 顯示產(chǎn)品上已被越來(lái)越多地應(yīng)用［16］。相較于常規(guī)的外掛式觸控方案，集成式觸控方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）簡(jiǎn)化模組結(jié)構(gòu)，更適合柔性產(chǎn)品。集成式觸控?zé)o需要外掛式觸控所需的基材和光學(xué)膠，觸控層厚度僅5 μm 左右。在折疊、卷曲甚至可拉伸等新的產(chǎn)品形態(tài)中，更薄、更簡(jiǎn)單的堆疊結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)力調(diào)整更容易，為其他模組材料的選擇和調(diào)整預(yù)留更多空間。圖5 為內(nèi)折顯示模組集成觸控和外掛觸控兩種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的各膜層材料的應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以看出在集成式觸控方案模組結(jié)構(gòu)中觸摸屏受到的應(yīng)變明顯降低，且偏光片、顯示封裝層應(yīng)變也普遍更小，更好地保障了材料的可靠性。

圖5 集成觸控結(jié)構(gòu)和外掛觸控結(jié)構(gòu)各膜層材料應(yīng)變對(duì)比Fig.5 Comparison of strain of each film layer under the structure of on-cell and out-cell touch sensor

（2）更佳的光學(xué)性能。集成式觸控在顯示功能區(qū)的金屬線位于像素定義層開口中間，精確避讓RGB 像素發(fā)光區(qū)域，如圖6（b）所示，不會(huì)出現(xiàn)外掛metal mesh 的摩爾紋問(wèn)題，也無(wú)ITO 及SNW 等面電極材料造成的透過(guò)率損失或霧度過(guò)高問(wèn)題。同時(shí)，觸控電極位于偏光片下方，可以降低圖案可視風(fēng)險(xiǎn)［17］。

圖6 基于RGB 像素的外掛觸控和集成觸控金屬網(wǎng)格設(shè)計(jì)Fig.6 Out-cell and On-cell touch metal mesh design on RGB pixels

（3）更窄的邊框。集成式觸控的邊緣走線可以精準(zhǔn)制作在顯示功能區(qū)外，無(wú)需預(yù)留貼合公差，且顯示屏制造廠的設(shè)備精度高，可以制作更小的線寬線距，最大限度壓縮觸控的邊框。

4.2 集成式觸控技術(shù)的挑戰(zhàn)

誠(chéng)然，除了以上列舉的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)外，柔性AMOLED 的集成觸控方案同樣面臨諸多挑戰(zhàn)：

（1）工藝及材料的挑戰(zhàn)。需要在AMOLED薄膜封裝層上進(jìn)行觸控制作工藝。由于高溫對(duì)AMOLED 發(fā)光材料壽命具有不良影響，因此需要低溫光阻材料、低溫金屬沉積和刻蝕工藝；為了進(jìn)一步提升折疊及卷曲性能，需開發(fā)低溫平坦化有機(jī)層材料；為降低負(fù)載，還要考慮開發(fā)低介電有機(jī)封裝材料，實(shí)現(xiàn)更厚的金屬制作工藝等。

（2）觸控圖案設(shè)計(jì)、IC 的驅(qū)動(dòng)及算法挑戰(zhàn)。

（a）觸控做在薄膜封裝層上，觸控電極距離AMOLED 顯 示 陰 極 僅10 μm 左 右，常 規(guī) 外 掛 觸控距離陰極一般是幾十甚至上百微米。觸控電極距離陰極越近，與陰極的耦合電容越大。因而與陰極形成的電容負(fù)載是外掛觸控方案的幾倍甚至十幾倍，對(duì)觸控IC 的驅(qū)動(dòng)能力要求更高。屏幕顯示信號(hào)透過(guò)負(fù)載電容對(duì)觸控電極造成信號(hào)波動(dòng)，形成噪聲。由于On-cell 結(jié)構(gòu)的負(fù)載數(shù)倍于外掛結(jié)構(gòu)，觸控接收到噪聲的強(qiáng)度也將明顯增強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)更高及更可靠的觸控性能，IC 需要更有效地在驅(qū)動(dòng)端或接收端降低噪聲［18］。

（b）超薄的柔性蓋板給觸控性能帶來(lái)更大挑戰(zhàn)。互容式觸控方案在人體與設(shè)備間弱接地情況下（如手機(jī)置于桌面上操作），人體到設(shè)備地導(dǎo)引電荷的通路受阻，如圖7（b）所示，手指接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后回傳給感應(yīng)電極（Retransmission），導(dǎo)致觸控信號(hào)量減小，表現(xiàn)為大手指按壓拆點(diǎn)或多指同軸按下消點(diǎn)。圖8（b）所示為大手指按壓拆點(diǎn)現(xiàn)象。從示意圖9 可看出，此現(xiàn)象與Cfrx、Cftx、Cm-C’m（即ΔCm）有關(guān)。在超薄的模組結(jié)構(gòu)下，手指與電極距離減小，Cfrx、Cftx增大導(dǎo)致信號(hào)回傳量增大，若ΔCm增加較小，在人體弱接地觸控情況下，ΔCm形成的觸控信號(hào)將被回傳信號(hào)大幅減弱甚至出現(xiàn)負(fù)值。

圖7 不同接地情況下手指和觸摸屏電場(chǎng)示意圖Fig.7 Electric field diagram of finger and touch sensor under different grounding conditions

圖8 大拇指按壓報(bào)點(diǎn)對(duì)比Fig.8 Contrast of report point under the press of thumb

圖9 手指觸摸電容屏電路示意圖Fig.9 Circuit schematic of mutual-capacitive touch sensor when finger touching

（c）大尺寸柔性AMOLED 產(chǎn)品，如折疊筆記本電腦，因尺寸變大，信號(hào)強(qiáng)度和噪聲環(huán)境將進(jìn)一步劣化?；ト莘桨赣|控電極電容負(fù)載進(jìn)一步增大，觸控信號(hào)衰減更嚴(yán)重。由于尺寸增加，顯示陰極電阻增大，與TFT 背板信號(hào)線耦合電容增加，又由于觸控負(fù)載電容增大，顯示背板信號(hào)跳變通過(guò)陰極給到觸控電極的噪聲干擾更大。在如此條件下，手指觸控的信噪比很難提升，報(bào)點(diǎn)率將很難提升。同樣由于噪聲強(qiáng)度太大，電容式主動(dòng)筆的信噪比也很難提升，劃線精度及懸浮功能將難以保障。

基于以上的技術(shù)挑戰(zhàn)，實(shí)際項(xiàng)目中根據(jù)不同的尺寸和堆疊結(jié)構(gòu)，可選擇自電容或互電容集成式觸控方案。小尺寸穿戴產(chǎn)品以點(diǎn)陣式自容觸控方案為佳，其信號(hào)量較高，足以穿透較厚的玻璃蓋板，且因電極數(shù)量少，引線形成的觸控盲區(qū)小。手機(jī)尺寸產(chǎn)品則以互容式觸控方案為宜，引線數(shù)量較少，能夠?qū)崿F(xiàn)窄邊框。隨著觸控IC 的不斷迭代，手機(jī)尺寸集成式觸控已能實(shí)現(xiàn)240 Hz以上的手指報(bào)點(diǎn)率，可滿足用戶游戲場(chǎng)景下的操作需求。但對(duì)于更大尺寸的產(chǎn)品，如筆記本電腦、大尺寸車載顯示，為了降低觸控的負(fù)載，降低顯示背板對(duì)觸控的噪聲水平，自容式集成觸控方案會(huì)是一個(gè)開發(fā)方向，此方案由于引線數(shù)量巨大，不利于下端窄邊框設(shè)計(jì)，但左右邊框可以做到極窄［19］。集成式觸控結(jié)構(gòu)是否能夠勝任大尺寸AMOLED 顯示產(chǎn)品，目前暫無(wú)量產(chǎn)品能夠給出確切結(jié)論。

5 柔性AMOLED 顯示觸摸屏發(fā)展趨勢(shì)

面對(duì)市場(chǎng)對(duì)柔性AMOLED 顯示輕薄化、形態(tài)多樣化的需求，要求顯示模組堆疊結(jié)構(gòu)越來(lái)越簡(jiǎn)單，屏體越來(lái)越薄。蓋板膜材減薄、功能膜材集成化是技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。隨著OLED 顯示屏廠的觸控制作工藝良率提升，集成式觸控在中小尺寸AMOLED 產(chǎn)品上將成為主流。但隨著模組結(jié)構(gòu)的減薄、顯示尺寸的增大，集成式觸控的負(fù)載會(huì)更大、接收噪聲強(qiáng)度更高［20］。當(dāng)圖案設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)、降噪算法優(yōu)化至一定水平后，觸控端的技術(shù)改善將迎來(lái)瓶頸。如果觸控IC 能力提升有限，不足以應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題時(shí)，為了降低負(fù)載、降低顯示噪聲干擾，外掛式觸控方案可能會(huì)是部分中大尺寸AMOLED 產(chǎn)品的選擇方案。其中，金屬網(wǎng)格方案由于電極方阻小，大尺寸下通道阻抗更小，更有優(yōu)勢(shì)。如果SNW、石墨烯、導(dǎo)電高分子等透明導(dǎo)電材料未來(lái)能夠在保障光學(xué)品質(zhì)的前提下實(shí)現(xiàn)更低方阻，將會(huì)給中大尺寸柔性產(chǎn)品帶來(lái)更多選擇方案。

6 結(jié) 論

柔性AMOLED 顯示屏作為更有優(yōu)勢(shì)的顯示技術(shù)具有巨大的市場(chǎng)空間。隨著人機(jī)交互體驗(yàn)需求的提升，觸摸屏在柔性AMOLED 顯示模組中的地位舉足輕重。目前集成式觸控技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)需要從信號(hào)提升和噪聲抑制兩方面著手，需要觸摸屏設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)、顯示屏設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)共同努力。挑戰(zhàn)即機(jī)遇，集成式觸控面臨的挑戰(zhàn)或許會(huì)促進(jìn)外掛觸摸屏用柔性導(dǎo)電材料和柔性基材的發(fā)展。相信技術(shù)的革新會(huì)給出解決方案，或開發(fā)出一種全新的觸控技術(shù)。