電容式觸控顯示模組的抗反射結(jié)構(gòu)及其性能研究

林鋼，呂岳敏，吳永俊

電容式觸控顯示模組的抗反射結(jié)構(gòu)及其性能研究

林鋼*，呂岳敏，吳永俊

(汕頭超聲顯示器有限公司，廣東汕頭515041)

對(duì)電容式觸控顯示模組的抗反射結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行研究，分析對(duì)比了當(dāng)前幾種用于觸控顯示模組的抗反射技術(shù)。結(jié)果表明:全貼合技術(shù)可將內(nèi)部反射率降低到3．8%左右，super AMOLED和CBD技術(shù)可將內(nèi)部反射率降低到2%以下，其都能有效地提高產(chǎn)品在強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性。此外，還提出了分別針對(duì)LCD和OLED觸控顯示模組的兩種抗反射改進(jìn)結(jié)構(gòu):前者僅需將上偏光片改為貼附在觸摸屏的內(nèi)表面，即可將LCD模組的內(nèi)部反射率降低到4．5%，因而不僅具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，且在強(qiáng)光環(huán)境下也具有良好的可讀性;后者通過圓偏光片與OGS電容觸摸屏的組合，使得整個(gè)OLED模組具有更低的厚度，且內(nèi)部反射率可降低到1．8%左右，由于不需采用OCA貼合，其成本也低于當(dāng)前的super AMOLED模組。

電容觸摸屏;可讀性;強(qiáng)光環(huán)境;抗反射

Key words:capacitive touch;readability;bright environment;anti-reflecting

1 引言

由電容觸摸屏與平板顯示器組合而成的電容式觸控顯示模組已被廣泛地應(yīng)用在手機(jī)、平板電腦上［1］等多種電子產(chǎn)品上，一般來說，其是一種包含多層透明介質(zhì)層的光學(xué)組件［2］，除了其表面之外，其內(nèi)部界面也會(huì)產(chǎn)生反射，在室外、陽光下等強(qiáng)光環(huán)境下，其界面反射會(huì)干擾使用者對(duì)顯示內(nèi)容的觀看，降低觸控顯示模組的可讀性。

作為一種顯示系統(tǒng)，觸控顯示模組在強(qiáng)光環(huán)境中的可讀性直接依賴于環(huán)境光強(qiáng)、顯示亮度以及整個(gè)模組對(duì)環(huán)境光的反射程度［3］。其中，降低對(duì)環(huán)境光的反射程度，是提高觸控顯示模組在強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性的最重要環(huán)節(jié)。

本文分析了當(dāng)前應(yīng)用在電容觸控顯示模組上的多種抗反射技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種新型的抗反射結(jié)構(gòu)。

2 觸控顯示模組內(nèi)部反射的分析

如圖1所示，在觸摸屏的內(nèi)部一般存在著“玻璃-OCA”、“OCA-ITO”以及“玻璃-ITO”三個(gè)界

2．1觸摸屏的內(nèi)部反射

當(dāng)前的投射式電容觸摸屏主要有G+G(Glass +Glass)和G+F(Glass+Film)結(jié)構(gòu)。其中，G+G結(jié)構(gòu)為一種由OCA(Optical Clear Adhesive，光學(xué)透明膠)粘緊的“保護(hù)鏡片(Lens)—感應(yīng)板(Sensor)”雙層玻璃結(jié)構(gòu)，感應(yīng)板設(shè)有ITO感應(yīng)電極，保護(hù)鏡片則構(gòu)成了手指與感應(yīng)電極間的電介質(zhì)層與保護(hù)層。G+F結(jié)構(gòu)與G+G的區(qū)別在于將ITO感應(yīng)電極制作在PET膜而不是玻璃上，再將多層的PET膜依次貼在保護(hù)鏡片的內(nèi)側(cè)形成感應(yīng)電極［2］。由于存在多個(gè)PET膜層，G+F結(jié)構(gòu)在強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性較差，以下主要以G+G結(jié)構(gòu)的觸摸屏進(jìn)行討論。

觸摸屏的內(nèi)部反射主要為透明介質(zhì)層的界面反射，其反射率R可按照式(1)進(jìn)行計(jì)算，n1、n2分別為兩種介質(zhì)的折射率。面的反射，按照計(jì)算式(1)，可算得其單獨(dú)反射率分別為1．03%、0．36%和1．03%，而總反射率為1.54%，其中ITO的折射率為1．9，玻璃的折射率為1．55，OCA膠的折射率可設(shè)定為介于ITO與玻璃的中間值1．725。

圖1 觸摸屏的內(nèi)部反射Fig．1Inner reflection of touch panel

2．2顯示器內(nèi)部對(duì)環(huán)境光的反射

電容式觸控顯示模組所采用的顯示器主要有液晶顯示器(LCD)和有機(jī)發(fā)光顯示器(OLED)。

LCD一般有反射、半反半透及全透3種模式。反射、半反半透模式雖有較好的室外可讀性，但其顯示效果不佳，當(dāng)前已很少采用。全透型的LCD內(nèi)部幾乎沒有可產(chǎn)生高反射的膜層，且在偏光片的吸收作用下，其內(nèi)部(包括背光)對(duì)環(huán)境光的反射幾乎可完全消除。

對(duì)于OLED而言，由于其像素一般制作在金屬電極上，而金屬電極一般具有較高的反射率，因此必須在OLED表面貼一層消除像素反射的圓偏光片［4］。OLED對(duì)環(huán)境光的反射還受到其色彩化技術(shù)的影響，其色彩化技術(shù)通常有RGB像素獨(dú)立發(fā)光和彩色濾光膜(Color Filter)兩種，采用RGB像素獨(dú)立發(fā)光的OLED對(duì)環(huán)境光的反射較大，在不貼附圓偏光片的情況下，其像素的反射率可超過80%，而采用彩色濾光膜的OLED，其彩色濾光膜可以吸收掉約60%的透過光，因此其像素反射率僅為20%左右。雖然圓偏光片在正視角幾乎可將像素的反射消除，但是從非正視角，由于圓偏光片的色散作用，依然會(huì)有一定的環(huán)境光被反射出來。因此，從提高強(qiáng)光環(huán)境可讀性的角度來看，采用彩色濾光膜的OLED要優(yōu)于采用RGB像素獨(dú)立發(fā)光的OLED，盡管后者具有更優(yōu)越的色彩表現(xiàn)。

2．3空氣層反射

如圖2所示，一般的電容式觸控顯示模組通常只在周邊的非可視區(qū)將觸摸屏與顯示器粘合起來，而在可視區(qū)，觸摸屏與顯示器由一空氣層隔開，因此存在著涉及到觸摸屏內(nèi)表面及顯示器表面(TAC材質(zhì)，折射率約為1．47)的空氣層反射，依式(1)可算出兩者的反射率分別為4．5%和3.5%，總反射率約為8%，加上觸摸屏、顯示器的內(nèi)部反射(不計(jì)觸摸屏外表面的反射)，整個(gè)觸控顯示模組的內(nèi)部反射率一般都會(huì)超過10%，因此當(dāng)環(huán)境的亮度高于顯示器時(shí)，整個(gè)觸控顯示模組的對(duì)比度通常會(huì)降低到10∶1以下，其可讀性非常低。

圖2 空氣層對(duì)環(huán)境光的反射Fig．2Reflection of the air-gap

3 當(dāng)前的抗反射結(jié)構(gòu)

為了解決當(dāng)前觸控顯示模組可讀性不高的問題，很多廠商都在產(chǎn)品上采用一定的抗反射技術(shù)，其主要有:減反膜技術(shù)、全貼合、super AMOLED及CBD(Clear black display)技術(shù)，以下將對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行討論。

3．1減反膜技術(shù)

減反膜技術(shù)主要在觸摸屏的內(nèi)表面增加一層折射率介于內(nèi)表面與空氣之間的減反膜，其最先應(yīng)用在蘋果的iphone 3GS手機(jī)上，由于其電容觸摸屏為G+G雙面ITO結(jié)構(gòu)［2］，內(nèi)表面即折射率較高的ITO膜層，如果不采用減反膜，按照計(jì)算公式(1)，ITO膜層與空氣的界面反射率將達(dá)到9．5%，而在該界面增加一層折射率為1．4的PET膜，則可將界面反射率降低到約5%。

對(duì)于內(nèi)表面為玻璃的觸摸屏，一般可在該表面鍍一層折射率約為1．38的氟化鎂(MgF2)膜，其可將“玻璃-空氣”界面反射率從4．6%降低到約3%左右。

3．2全貼合技術(shù)

減反膜雖然可以減少觸控顯示模組的內(nèi)部反射，但其作用較為有限，因此，以iphone 4為代表的新一代手機(jī)，其觸控顯示模組都改為效果更為明顯的全貼合(Non air-gap)模組，全貼合即通過OCA將觸摸屏與顯示器貼合起來，以消除觸摸屏與顯示器之間的空氣層。［5］

圖3 一般觸控顯示模組(左)與全貼合觸控顯示模組(右)對(duì)環(huán)境光反射的對(duì)比Fig．3Comparison of the ambient light reflection between the general module(left)and non air-gap module(right)

由于觸摸屏內(nèi)表面與顯示器表面的折射率差別不大，且OCA的折射率可以設(shè)定為介于這兩者之間，因此可將這兩個(gè)表面的反射率降低到可忽略水平(小于0．05%)。然而，采用OCA將硬質(zhì)的觸摸屏與顯示器貼合起來具有較大的工藝難度，貼合過程容易出現(xiàn)氣泡等問題，會(huì)使得觸摸屏和顯示器一同報(bào)廢，因此全貼合觸控顯示模組的制造成本較高。

3．3super AMOLED結(jié)構(gòu)

如圖4所示，super AMOLED將觸摸感應(yīng)電極集成在OLED內(nèi)部，因此，只需在OLED上增加一片保護(hù)鏡片則可構(gòu)成觸控顯示模組［6］。貼附在OLED表面的圓偏光片除了可消除像素反射之外，還可以消除感應(yīng)電極反射;除此之外，保護(hù)鏡片也通過OCA與OLED貼合，使得這種電容式觸控顯示模組整體上具有非常低的反射率(如圖5所示)。但是，由于OCA貼合的難度較高，而OLED的價(jià)格非常昂貴，因而整體模組的價(jià)格更高，目前主要應(yīng)用在三星Galaxy系列等高端手機(jī)上。

圖4 super AMOLED的結(jié)構(gòu)Fig．4Structure of super AMOLED

圖5 super AMOLED，對(duì)環(huán)境光表現(xiàn)出極低的反射Fig．5Extremely low reflectivity of the ambient light，by a super AMOLED module

3．4CBD技術(shù)

CBD(Clear black display)技術(shù)主要應(yīng)用在諾基亞Lumia系列以及N9、N8等產(chǎn)品上，其通過圓偏光片來消除空氣層反射而不需采用OCA貼合，因而其制造成本非常低，同時(shí)也具有良好的強(qiáng)光環(huán)境可讀性(如圖6所示)。

如圖7所示，CBD技術(shù)一般采用G+G結(jié)構(gòu)的觸摸屏，顯示器則為彩色濾光膜的OLED，圓偏光片并不貼在OLED上，而是貼在觸摸屏的內(nèi)表面，按照?qǐng)D7的原理，由于空氣層處于圓偏光片的后方，圓偏光片除了吸收OLED像素的反射光之外，還吸收了空氣層的反射光，使得觸控顯示模組對(duì)環(huán)境光的反射幾乎被消除［7］。

3．5幾種抗反射技術(shù)的對(duì)比

上述幾種抗反射技術(shù)或多或少都可減少觸控顯示模組的內(nèi)部反射，為了進(jìn)一步對(duì)其效果進(jìn)行對(duì)比，我們采購(gòu)了相應(yīng)的觸控顯示模組，以光電測(cè)試儀DMS505配合D50光源模擬強(qiáng)光環(huán)境對(duì)其觸控顯示模組的內(nèi)部反射率(扣除外表面的反射)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表1，可以看出，全貼合可使

圖6 采用CBD技術(shù)的產(chǎn)品(左)與一般產(chǎn)品(右)的對(duì)比，CBD技術(shù)表現(xiàn)出非常好的強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性Fig．6Comparison of the ambient light reflection between a general produce(right)and a CBD produce(left)

圖7 采用CBD技術(shù)的觸控顯示模組結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)境光(a)產(chǎn)生的空氣層反射(b)、(c)以及像素反射(d)都幾乎被圓偏光片吸收Fig．7Structure of CBD module，in which，the air-gap reflection(b)，(c)and the pixel reflection(d)created by ambient light(a)were almost totally absorbed by the circular polarizer

表1 幾種抗反射技術(shù)的對(duì)比Tab．1Comparison among anti-reflecting technologies

觸控顯示模組的內(nèi)部反射率降低到3．8%，superAMOLED和CBD技術(shù)都可以使內(nèi)部反射率降低到2%以內(nèi)，因而都可有效地提高觸控顯示模組在強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性。除此之外，表1還列出了這幾種抗反射技術(shù)的成本對(duì)比。

4 抗反射技術(shù)的改進(jìn)

上述幾種抗反射技術(shù)雖可在一定程度上提高產(chǎn)品在強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性，但也存在著一些不足，例如，全貼合的工藝難度較高，而super AMOLED和CBD技術(shù)則采用了昂貴的OLED顯示器。另一方面，隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品的輕薄化發(fā)展，一體式電容觸摸屏(OGS，One glass solution)由于具有更低厚度的優(yōu)點(diǎn)，必定會(huì)繼G+G、G+F之后，成為一種更加重要的結(jié)構(gòu)類型，其相關(guān)觸控顯示模組在強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性是更需要重視的。針對(duì)這些問題，我們提出了兩種抗反射結(jié)構(gòu)。

4．1改進(jìn)的LCD觸控顯示模組

如圖8所示，對(duì)于LCD觸控顯示模組，我們將原貼附于LCD上表面的上偏光片改為貼附到觸摸屏的內(nèi)表面，以構(gòu)成一種不需要采用OCA貼合的新型結(jié)構(gòu)［8］。

圖8 改進(jìn)的LCD模組結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)境光(a)產(chǎn)生的空氣層反射(b)、(c)大部分被上偏光片吸收Fig．8Structure of the improved LCD module，in which，the air-gap reflection(b)and(c) created by ambient light(a)were mostly absorbed by the front polarizer

這種結(jié)構(gòu)僅在LCD與上偏光片之間增加一折射率各向同性的空氣層，其一般不會(huì)對(duì)LCD的顯示造成影響。偏光片的吸收率一般為60%左右(可認(rèn)為包含50%的偏光吸收及10%的非偏光吸收)。當(dāng)環(huán)境光入射觸控顯示模組時(shí)，首先穿過上偏光片，其透過率約為40%;接著，在空氣層與上偏光片的界面以及LCD表面(玻璃表面)發(fā)生反射，其反射率分別為3．5%和4．5%;反射之后，其通過上偏光片時(shí)再次被吸收(非偏光吸收)，其透過率為90%。因此，可算得空氣層的總體反射率為40%×(3．5%+4．5%)×90%=2．7%，加上觸摸屏的內(nèi)部反射，得到這種觸控顯示模組的內(nèi)部反射率約為4．5%。

因此，采用這種結(jié)構(gòu)可將內(nèi)部反射降低一半以上，具有明顯的抗反射效果，而在制造方法上僅需將上偏光片改為貼附在觸摸屏的內(nèi)表面，其不僅容易實(shí)現(xiàn)，且不會(huì)增加額外成本，也不會(huì)導(dǎo)致制造良率的下降。

由于多種類型的LCD都含有延遲膜，因此，在兩次穿過上偏光片之間，環(huán)境光還需要穿過延遲膜，延遲膜會(huì)使其偏光狀態(tài)發(fā)生變化，因此，當(dāng)其再次通過上偏光片時(shí)，還存在一定的非偏光吸收，其反射率要比上述的計(jì)算值更小，使得觸控顯示模組對(duì)環(huán)境光的整體反射率更低。

4．2改進(jìn)的OLED觸控顯示模組

OGS與OLED構(gòu)成的觸控顯示模組不僅顯示效果良好，且厚度更低。對(duì)于這種模組，如圖9所示，我們提出了將OLED的圓偏光片貼附在OGS的內(nèi)表面的新型結(jié)構(gòu)［9］:

圖9 改進(jìn)的OLED模組結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)境光(a)產(chǎn)生的空氣層反射(b)、(c)及像素反射(d)幾乎被圓偏光片吸收Fig．9Structure of the improved OLED module，in which，the air-gap reflection(b)，(c)and the pixel reflection were almost totally absorbed by the circular polarizer

其空氣層的反射與CBD技術(shù)類似，在此不重復(fù)論述，其內(nèi)部反射由OGS內(nèi)部的“ITO層—玻璃”，以及“ITO層-OCA(圓偏光片的膠層，折射率調(diào)節(jié)為1．68)”、“OCA-TAC(三醋酸纖維，折射率為1．47)”三個(gè)界面產(chǎn)生，如圖10所示，可算得這幾個(gè)界面的單獨(dú)反射率分別為1．03%、1．35%和1．45%，模組的總體內(nèi)部反射率僅有1．83%，因而具有極好的強(qiáng)光環(huán)境可讀性。除此之外，由于不需采用OCA貼合，其制造成本也明顯低于super AMOLED技術(shù)。

圖10 OGS貼附圓偏光片的膜層結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境光的反射Fig．10Inner reflection of OGS with circular polarizer

5 結(jié)論

本文從觸控顯示模組的結(jié)構(gòu)入手，研究了觸控顯示模組對(duì)環(huán)境光的反射，結(jié)果表明:一般的觸控顯示模組具有10%以上的內(nèi)部反射率，在強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性較低，而在當(dāng)前幾種觸控顯示模組的抗反射技術(shù)中，采用全貼合可將內(nèi)部反射率降低到3．8%左右，super AMOLED和CBD技術(shù)可將內(nèi)部反射率降低到2%以下，其都能夠有效地提高產(chǎn)品在強(qiáng)光環(huán)境下的可讀性。除此之外，在我們提出的兩種新型結(jié)構(gòu)中，改進(jìn)的LCD觸控顯示模組，其上偏光片僅需改為貼附在觸摸屏的內(nèi)表面，因而具有非常低的成本，適合應(yīng)用在采用LCD的觸控顯示模組上，其內(nèi)部反射率可降低到4．5%左右，在強(qiáng)光環(huán)境下也具有良好的可讀性;而改進(jìn)OLED觸控顯示模組，其不僅利用了OGS電容觸摸屏超薄的優(yōu)點(diǎn)，具有更低的厚度，成本也低于當(dāng)前的super AMOLED，其內(nèi)部反射率約為1．8%，在強(qiáng)光環(huán)境下具有極好的可讀性。

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Anti-reflecting structure and its performance of capacitive touch-display modules

LIN Gang，LV Yue-min，WU Yong-jun
(Shantou Goworld Display Co．，Ltd．，Shantou 515041，China)

The anti-reflecting structure and its performance of capacitive touch-display modules was studied．An analysis and comparison of several current anti-reflecting technologies of the touch-display modules were made．The results indicated that:for current modules，the inner reflectivity can reduce about 3．8%by the non airgap technology and to lower than 2%by the super AMOLED and CBD technologies，so the readability under bright circumstance of the corresponding products can be improved effectively．In addition，two improved antireflecting structures respectively for LCD and OLED module were also provided．For the LCD module，the front polarizer was just laminated to the rear surface of the touch panel instead of the LCD surface，and the inner reflectivity was reduced to about 4．5%，so its readability under bright circumstance would be improved effectively and its low price would also be kept．For the OLED module，instead of attaching to the OLED itself，the circular polarizer was assembled to an OGS touch panel which would reduce the thickness of the module，and the inner reflectivity of the module was also reduced to about 1．8%．Because there was no need of OCA lamination，the price of this kind of modules would be lower than current super AMOLED modules．

TN141;TN602

A

10．3788/YJYXS20153004．0621

林鋼(1977－)，男，廣東汕頭人，碩士，工程師，從事顯示器件及觸控器件的研究工作。E-mail:ganglin@goworldlcd．com

呂岳敏(1980－)，男，廣東潮陽人，碩士，工程師，從事顯示器件及觸控器件的研究工作。

1007-2780(2015)04-0621-07

2014-12-15;

2015-01-15．

電容觸摸式顯示屏研究及產(chǎn)業(yè)化(No．2011912008)

*通信聯(lián)系人，E-mail:ganglin@goworld-lcd．com

吳永俊(1967－)，男，廣東揭陽人，碩士，高級(jí)工程師，從事顯示器件及觸控器件的研究工作。