柔性AMOLED 顯示觸摸屏技術現狀及發展趨勢

史世明，李園園，鄭美珠，薄賾文，張 嵩，王大巍

（京東方科技集團股份有限公司，北京 100176）

1 引 言

2007 年互容式電容觸摸屏被應用到蘋果手機上，觸摸屏取代了以往繁多的物理按鍵，人們和手機的人機交互體驗有了質的提升，電容觸摸屏技術也得到迅速發展，成為便攜式智能終端產品的主流觸控技術［1-2］。尤其近幾年，隨著柔性AMOLED 顯示技術的發展，對顯示產品厚度減薄和形態多變提出了更高要求。

三星、華為、歐珀等各主流手機品牌也先后推出折疊屏手機產品，聯想、英特爾等電腦品牌也陸續發布折疊屏筆記本。為了滿足越來越多樣的柔性AMOLED 顯示產品需求，柔性顯示模組中觸摸屏的減薄、耐彎折和耐卷曲已是相應觸控技術開發的主流方向。柔性顯示模組的信賴性需求，對柔性電極材料提出更高要求，電極材料的高透過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，到后來高分子材料基材和各種耐彎折導電材料的可折疊觸控開發，再到近幾年柔性AMOLED 手機產品使用的集成觸控方案，行業努力打破思維局限及解決技術難題，電容觸摸屏的結構和材料均有了多方位發展，為廣大消費者提供更加實用、形態更加多樣、性能更加優秀的智能交互產品。

2 電容式觸摸屏分類

2.1 根據檢測原理分類

根據檢測原理不同，投射式電容觸摸屏分為自電容和互電容兩種。自電容檢測每個感應單元自身電容（對地電容）的變化。當手指靠近或觸摸到觸摸屏時，手指的電容疊加到屏體電容上，屏體電容增加。對于行列電極設計的自容屏，在觸摸檢測時，只能檢測X行+Y列個電容，當兩指觸摸時，X和Y方向分別產生兩個信號，會報鬼點［3］。點陣電極設計的自容屏，共有X×Y個電極，可以分別檢測X×Y個對地電容，可支持多點觸控。點陣自容電極設計如圖1（a）所示，是目前小尺寸穿戴式產品常用觸控方案。互電容檢測兩個交叉感應塊之間形成的電容，兩個感應塊分別構成電容的兩極。驅動電極提供激勵信號，感應電極同時接收信號，這樣可以檢測到所有橫向和縱向交匯點的電容大小。當手指觸摸時，從驅動電極到感應電極的電場部分轉移到手指上，觸摸位置互電容減少。即使屏上有多個觸摸點，也能計算出每個觸摸點的真實坐標，即可以支持多點觸控［4］。互容電極設計如圖1（b）所示，是目前手機、平板等中小尺寸產品的主要觸控解決方案之一。

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

2.2 根據結構分類

本文主要介紹可用于柔性AMOLED 顯示屏的觸控方案，根據與柔性AMOLED 顯示屏的相對關系，可分為外掛式觸摸屏和集成式觸摸屏。兩種結構對比如圖2 所示。其中外掛式觸摸屏通常由觸摸屏廠制作完成，通過光學膠貼合到顯示屏上，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構可降低金屬可視風險，光學性能更優。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）、石墨烯及導電聚合物等［5］；不透明金屬材料如銅、銀等通常用于金屬網格（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格觸摸屏，如圖2（b）所示。此結構可省去一張模組貼合的外掛觸摸屏和光學膠，實現顯示模組的減薄。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構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現狀

柔性AMOLED 顯示形態由平面、固定曲面逐漸向折疊和卷曲等更多樣的顯示形態發展，電容觸摸屏的厚度也越來越薄。圖3 列舉了幾種外掛觸摸屏結構，其中根據各廠商工藝能力塑料基材厚度可對應10～50 μm。圖3（d）中單面電極架橋結構是目前手機、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 產品主要采用金屬網格方案，對應結構主要為圖3（a）、圖3（c）。Cambrios 和C3Nano 也積極開發和推廣用于觸摸屏電極的透明SNW 材料，可對應觸摸屏結構為圖3（a）、（b）、（c）。

圖3 幾種外掛觸摸屏結構Fig.3 Several structures of out-cell touch sensor

3.1 ITO 觸控技術

觸摸屏中常用ITO 電極材料，方阻范圍在40～150 Ω/□，透過率90%左右，具有良好的導電性能和透光性能，且工藝成熟，目前仍占據外掛電容屏的主要市場［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，但是對設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為高精度的黃光和蝕刻工藝。

由于近幾年柔性顯示屏技術的發展，ITO 觸摸屏也被應用于固定曲面手機產品上。業界也對ITO 材料在折疊產品上的應用做了系統研究。將高溫工藝成膜的ITO 觸摸屏置于顯示模組的中性層時，在彎折半徑5 mm 時有機會達成10 萬次的彎折信賴性測試。但當ITO 電極層距離中性層較遠，或彎折半徑更小時，隨著彎折次數增加ITO 的方阻會急劇上升，甚至出現斷裂，導致觸控功能失效。

3.2 金屬網格觸控技術

由于銅或銀等金屬材料本身具有非常優秀的導電性能，由這些材料制作的金屬網格方阻可以做到5 Ω/□以下，通道阻抗明顯較ITO 電極低很多，從而有更優秀的觸控性能，尤其在中大尺寸產品上受到青睞。此外，由于金屬材料的延展性，使其具有更好的耐彎折性能，彎折測試后依舊保持良好的導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，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，其制作的金屬網格透過率高低與網格線寬和密度成反比。目前也有金屬網格透明電極的研究報道，低方阻的前提下還可以達到與ITO 相當的光學性能［9］。

光學摩爾紋目前是金屬網格觸控方案最棘手的問題。在金屬網格設計時，需根據OLED 像素設計匹配金屬網格。金屬網格制作工藝主要有光刻工藝、納米壓印工藝等，參考表2［14］，目前可量產線寬3 μm 左右。手機屏幕要求近眼使用也不能看到摩爾紋，要求網格線寬小于2 μm，由于工藝限制，目前還在僅可提供測試樣品階段，無法量產。對于無近眼使用場景需求的中大尺寸產品，低方阻的金屬網格具有明顯優勢，被筆記本電腦、車載、工控等多種產品應用。另外金屬網格電極的鏤空設計，使其具有負載小、信號衰減慢、電極接收到來自顯示的噪聲波動小等優勢，對產品支持主動筆的使用有一定優勢。

表2 金屬網格成膜技術Tab.2 Forming technologies of metal mesh sensor

3.3 SNW 觸控技術

SNW 是采用化學法生長的直徑為25～300 nm、長度10～200 μm 的銀納米材料。除具有銀優良的導電性之外，由于納米級別的尺寸效應，還具有優異的透光性、耐撓曲性，因此被視為最有可能替代傳統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 觸摸屏的缺點是霧度高，可能導致在室外強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，納米銀線的直徑已下降至30 nm 以下，霧度問題已顯著改善，圖4 是C3Nano 專利（專利號：CN105102555B）披露的第6 代不同方阻的SNW/PET 膜材的透過率和霧度光學數據，其中納米銀材料的方阻分別為103 Ω/□、90 Ω/□、75 Ω/□、50 Ω/□［15］。數據表明，隨著材料方阻的降低，其光學性能也會變差。

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

4 集成式電容觸控技術現狀

4.1 集成式觸控技術的優勢

隨著近幾年業界技術難題的攻克，集成式電容屏在可穿戴、曲面手機、折疊手機等柔性AMOLED 顯示產品上已被越來越多地應用［16］。相較于常規的外掛式觸控方案，集成式觸控方案具有以下優勢：

（1）簡化模組結構，更適合柔性產品。集成式觸控無需要外掛式觸控所需的基材和光學膠，觸控層厚度僅5 μm 左右。在折疊、卷曲甚至可拉伸等新的產品形態中，更薄、更簡單的堆疊結構，對應力調整更容易，為其他模組材料的選擇和調整預留更多空間。圖5 為內折顯示模組集成觸控和外掛觸控兩種結構對應的各膜層材料的應變數據，可以看出在集成式觸控方案模組結構中觸摸屏受到的應變明顯降低，且偏光片、顯示封裝層應變也普遍更小，更好地保障了材料的可靠性。

圖5 集成觸控結構和外掛觸控結構各膜層材料應變對比Fig.5 Comparison of strain of each film layer under the structure of on-cell and out-cell touch sensor

（2）更佳的光學性能。集成式觸控在顯示功能區的金屬線位于像素定義層開口中間，精確避讓RGB 像素發光區域，如圖6（b）所示，不會出現外掛metal mesh 的摩爾紋問題，也無ITO 及SNW 等面電極材料造成的透過率損失或霧度過高問題。同時，觸控電極位于偏光片下方，可以降低圖案可視風險［17］。

圖6 基于RGB 像素的外掛觸控和集成觸控金屬網格設計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制作在顯示功能區外，無需預留貼合公差，且顯示屏制造廠的設備精度高，可以制作更小的線寬線距，最大限度壓縮觸控的邊框。

4.2 集成式觸控技術的挑戰

誠然，除了以上列舉的幾點優勢外，柔性AMOLED 的集成觸控方案同樣面臨諸多挑戰：

（1）工藝及材料的挑戰。需要在AMOLED薄膜封裝層上進行觸控制作工藝。由于高溫對AMOLED 發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；為了進一步提升折疊及卷曲性能，需開發低溫平坦化有機層材料；為降低負載，還要考慮開發低介電有機封裝材料，實現更厚的金屬制作工藝等。

（2）觸控圖案設計、IC 的驅動及算法挑戰。

（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 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載是外掛觸控方案的幾倍甚至十幾倍，對觸控IC 的驅動能力要求更高。屏幕顯示信號透過負載電容對觸控電極造成信號波動，形成噪聲。由于On-cell 結構的負載數倍于外掛結構，觸控接收到噪聲的強度也將明顯增強。為了實現更高及更可靠的觸控性能，IC 需要更有效地在驅動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更大挑戰。互容式觸控方案在人體與設備間弱接地情況下（如手機置于桌面上操作），人體到設備地導引電荷的通路受阻，如圖7（b）所示，手指接收到驅動信號后回傳給感應電極（Retransmission），導致觸控信號量減小，表現為大手指按壓拆點或多指同軸按下消點。圖8（b）所示為大手指按壓拆點現象。從示意圖9 可看出，此現象與Cfrx、Cftx、Cm-C’m（即ΔCm）有關。在超薄的模組結構下，手指與電極距離減小，Cfrx、Cftx增大導致信號回傳量增大，若ΔCm增加較小，在人體弱接地觸控情況下，ΔCm形成的觸控信號將被回傳信號大幅減弱甚至出現負值。

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

圖8 大拇指按壓報點對比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 產品，如折疊筆記本電腦，因尺寸變大，信號強度和噪聲環境將進一步劣化。互容方案觸控電極電容負載進一步增大，觸控信號衰減更嚴重。由于尺寸增加，顯示陰極電阻增大，與TFT 背板信號線耦合電容增加，又由于觸控負載電容增大，顯示背板信號跳變通過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，報點率將很難提升。同樣由于噪聲強度太大，電容式主動筆的信噪比也很難提升，劃線精度及懸浮功能將難以保障。

基于以上的技術挑戰，實際項目中根據不同的尺寸和堆疊結構，可選擇自電容或互電容集成式觸控方案。小尺寸穿戴產品以點陣式自容觸控方案為佳，其信號量較高，足以穿透較厚的玻璃蓋板，且因電極數量少，引線形成的觸控盲區小。手機尺寸產品則以互容式觸控方案為宜，引線數量較少，能夠實現窄邊框。隨著觸控IC 的不斷迭代，手機尺寸集成式觸控已能實現240 Hz以上的手指報點率，可滿足用戶游戲場景下的操作需求。但對于更大尺寸的產品，如筆記本電腦、大尺寸車載顯示，為了降低觸控的負載，降低顯示背板對觸控的噪聲水平，自容式集成觸控方案會是一個開發方向，此方案由于引線數量巨大，不利于下端窄邊框設計，但左右邊框可以做到極窄［19］。集成式觸控結構是否能夠勝任大尺寸AMOLED 顯示產品，目前暫無量產品能夠給出確切結論。

5 柔性AMOLED 顯示觸摸屏發展趨勢

面對市場對柔性AMOLED 顯示輕薄化、形態多樣化的需求，要求顯示模組堆疊結構越來越簡單，屏體越來越薄。蓋板膜材減薄、功能膜材集成化是技術發展趨勢。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 產品上將成為主流。但隨著模組結構的減薄、顯示尺寸的增大，集成式觸控的負載會更大、接收噪聲強度更高［20］。當圖案設計、驅動信號、降噪算法優化至一定水平后，觸控端的技術改善將迎來瓶頸。如果觸控IC 能力提升有限，不足以應對以上問題時，為了降低負載、降低顯示噪聲干擾，外掛式觸控方案可能會是部分中大尺寸AMOLED 產品的選擇方案。其中，金屬網格方案由于電極方阻小，大尺寸下通道阻抗更小，更有優勢。如果SNW、石墨烯、導電高分子等透明導電材料未來能夠在保障光學品質的前提下實現更低方阻，將會給中大尺寸柔性產品帶來更多選擇方案。

6 結 論

柔性AMOLED 顯示屏作為更有優勢的顯示技術具有巨大的市場空間。隨著人機交互體驗需求的提升，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面臨的挑戰需要從信號提升和噪聲抑制兩方面著手，需要觸摸屏設計和驅動、顯示屏設計和驅動共同努力。挑戰即機遇，集成式觸控面臨的挑戰或許會促進外掛觸摸屏用柔性導電材料和柔性基材的發展。相信技術的革新會給出解決方案，或開發出一種全新的觸控技術。