電容式觸控顯示模組的抗反射結構及其性能研究

林鋼，呂岳敏，吳永俊

電容式觸控顯示模組的抗反射結構及其性能研究

林鋼*，呂岳敏，吳永俊

(汕頭超聲顯示器有限公司，廣東汕頭515041)

對電容式觸控顯示模組的抗反射結構及其性能進行研究，分析對比了當前幾種用于觸控顯示模組的抗反射技術。結果表明:全貼合技術可將內部反射率降低到3．8%左右，super AMOLED和CBD技術可將內部反射率降低到2%以下，其都能有效地提高產品在強光環境下的可讀性。此外，還提出了分別針對LCD和OLED觸控顯示模組的兩種抗反射改進結構:前者僅需將上偏光片改為貼附在觸摸屏的內表面，即可將LCD模組的內部反射率降低到4．5%，因而不僅具有低成本的優點，且在強光環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OLED模組具有更低的厚度，且內部反射率可降低到1．8%左右，由于不需采用OCA貼合，其成本也低于當前的super AMOLED模組。

電容觸摸屏;可讀性;強光環境;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用在手機、平板電腦上［1］等多種電子產品上，一般來說，其是一種包含多層透明介質層的光學組件［2］，除了其表面之外，其內部界面也會產生反射，在室外、陽光下等強光環境下，其界面反射會干擾使用者對顯示內容的觀看，降低觸控顯示模組的可讀性。

作為一種顯示系統，觸控顯示模組在強光環境中的可讀性直接依賴于環境光強、顯示亮度以及整個模組對環境光的反射程度［3］。其中，降低對環境光的反射程度，是提高觸控顯示模組在強光環境下的可讀性的最重要環節。

本文分析了當前應用在電容觸控顯示模組上的多種抗反射技術，并在此基礎上提出了兩種新型的抗反射結構。

2 觸控顯示模組內部反射的分析

如圖1所示，在觸摸屏的內部一般存在著“玻璃-OCA”、“OCA-ITO”以及“玻璃-ITO”三個界

2．1觸摸屏的內部反射

當前的投射式電容觸摸屏主要有G+G(Glass +Glass)和G+F(Glass+Film)結構。其中，G+G結構為一種由OCA(Optical Clear Adhesive，光學透明膠)粘緊的“保護鏡片(Lens)—感應板(Sensor)”雙層玻璃結構，感應板設有ITO感應電極，保護鏡片則構成了手指與感應電極間的電介質層與保護層。G+F結構與G+G的區別在于將ITO感應電極制作在PET膜而不是玻璃上，再將多層的PET膜依次貼在保護鏡片的內側形成感應電極［2］。由于存在多個PET膜層，G+F結構在強光環境下的可讀性較差，以下主要以G+G結構的觸摸屏進行討論。

觸摸屏的內部反射主要為透明介質層的界面反射，其反射率R可按照式(1)進行計算，n1、n2分別為兩種介質的折射率。面的反射，按照計算式(1)，可算得其單獨反射率分別為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膠的折射率可設定為介于ITO與玻璃的中間值1．725。

圖1 觸摸屏的內部反射Fig．1Inner reflection of touch panel

2．2顯示器內部對環境光的反射

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)和有機發光顯示器(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，當前已很少采用。全透型的LCD內部幾乎沒有可產生高反射的膜層，且在偏光片的吸收作用下，其內部(包括背光)對環境光的反射幾乎可完全消除。

對于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對環境光的反射還受到其色彩化技術的影響，其色彩化技術通常有RGB像素獨立發光和彩色濾光膜(Color Filter)兩種，采用RGB像素獨立發光的OLED對環境光的反射較大，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，依然會有一定的環境光被反射出來。因此，從提高強光環境可讀性的角度來看，采用彩色濾光膜的OLED要優于采用RGB像素獨立發光的OLED，盡管后者具有更優越的色彩表現。

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將觸摸屏與顯示器粘合起來，而在可視區，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表面及顯示器表面(TAC材質，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、顯示器的內部反射(不計觸摸屏外表面的反射)，整個觸控顯示模組的內部反射率一般都會超過10%，因此當環境的亮度高于顯示器時，整個觸控顯示模組的對比度通常會降低到10∶1以下，其可讀性非常低。

圖2 空氣層對環境光的反射Fig．2Reflection of the air-gap

3 當前的抗反射結構

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

3．1減反膜技術

減反膜技術主要在觸摸屏的內表面增加一層折射率介于內表面與空氣之間的減反膜，其最先應用在蘋果的iphone 3GS手機上，由于其電容觸摸屏為G+G雙面ITO結構［2］，內表面即折射率較高的ITO膜層，如果不采用減反膜，按照計算公式(1)，ITO膜層與空氣的界面反射率將達到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%。

對于內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

減反膜雖然可以減少觸控顯示模組的內部反射，但其作用較為有限，因此，以iphone 4為代表的新一代手機，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)對環境光反射的對比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的折射率可以設定為介于這兩者之間，因此可將這兩個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，貼合過程容易出現氣泡等問題，會使得觸摸屏和顯示器一同報廢，因此全貼合觸控顯示模組的制造成本較高。

3．3super AMOLED結構

如圖4所示，super AMOLED將觸摸感應電極集成在OLED內部，因此，只需在OLED上增加一片保護鏡片則可構成觸控顯示模組［6］。貼附在OLED表面的圓偏光片除了可消除像素反射之外，還可以消除感應電極反射;除此之外，保護鏡片也通過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的價格非常昂貴，因而整體模組的價格更高，目前主要應用在三星Galaxy系列等高端手機上。

圖4 super AMOLED的結構Fig．4Structure of super AMOLED

圖5 super AMOLED，對環境光表現出極低的反射Fig．5Extremely low reflectivity of the ambient light，by a super AMOLED module

3．4CBD技術

CBD(Clear black display)技術主要應用在諾基亞Lumia系列以及N9、N8等產品上，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，同時也具有良好的強光環境可讀性(如圖6所示)。

如圖7所示，CBD技術一般采用G+G結構的觸摸屏，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表面，按照圖7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環境光的反射幾乎被消除［7］。

3．5幾種抗反射技術的對比

上述幾種抗反射技術或多或少都可減少觸控顯示模組的內部反射，為了進一步對其效果進行對比，我們采購了相應的觸控顯示模組，以光電測試儀DMS505配合D50光源模擬強光環境對其觸控顯示模組的內部反射率(扣除外表面的反射)進行測試，其結果如表1，可以看出，全貼合可使

圖6 采用CBD技術的產品(左)與一般產品(右)的對比，CBD技術表現出非常好的強光環境下的可讀性Fig．6Comparison of the ambient light reflection between a general produce(right)and a CBD produce(left)

圖7 采用CBD技術的觸控顯示模組結構，其中，環境光(a)產生的空氣層反射(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 幾種抗反射技術的對比Tab．1Comparison among anti-reflecting technologies

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

4 抗反射技術的改進

上述幾種抗反射技術雖可在一定程度上提高產品在強光環境下的可讀性，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技術則采用了昂貴的OLED顯示器。另一方面，隨著消費類電子產品的輕薄化發展，一體式電容觸摸屏(OGS，One glass solution)由于具有更低厚度的優點，必定會繼G+G、G+F之后，成為一種更加重要的結構類型，其相關觸控顯示模組在強光環境下的可讀性是更需要重視的。針對這些問題，我們提出了兩種抗反射結構。

4．1改進的LCD觸控顯示模組

如圖8所示，對于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表面，以構成一種不需要采用OCA貼合的新型結構［8］。

圖8 改進的LCD模組結構，其中，環境光(a)產生的空氣層反射(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

這種結構僅在LCD與上偏光片之間增加一折射率各向同性的空氣層，其一般不會對LCD的顯示造成影響。偏光片的吸收率一般為60%左右(可認為包含50%的偏光吸收及10%的非偏光吸收)。當環境光入射觸控顯示模組時，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%，加上觸摸屏的內部反射，得到這種觸控顯示模組的內部反射率約為4．5%。

因此，采用這種結構可將內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表面，其不僅容易實現，且不會增加額外成本，也不會導致制造良率的下降。

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，環境光還需要穿過延遲膜，延遲膜會使其偏光狀態發生變化，因此，當其再次通過上偏光片時，還存在一定的非偏光吸收，其反射率要比上述的計算值更小，使得觸控顯示模組對環境光的整體反射率更低。

4．2改進的OLED觸控顯示模組

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

圖9 改進的OLED模組結構，其中，環境光(a)產生的空氣層反射(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技術類似，在此不重復論述，其內部反射由OGS內部的“ITO層—玻璃”，以及“ITO層-OCA(圓偏光片的膠層，折射率調節為1．68)”、“OCA-TAC(三醋酸纖維，折射率為1．47)”三個界面產生，如圖10所示，可算得這幾個界面的單獨反射率分別為1．03%、1．35%和1．45%，模組的總體內部反射率僅有1．83%，因而具有極好的強光環境可讀性。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。

圖10 OGS貼附圓偏光片的膜層結構對環境光的反射Fig．10Inner reflection of OGS with circular polarizer

5 結論

本文從觸控顯示模組的結構入手，研究了觸控顯示模組對環境光的反射，結果表明:一般的觸控顯示模組具有10%以上的內部反射率，在強光環境下的可讀性較低，而在當前幾種觸控顯示模組的抗反射技術中，采用全貼合可將內部反射率降低到3．8%左右，super AMOLED和CBD技術可將內部反射率降低到2%以下，其都能夠有效地提高產品在強光環境下的可讀性。除此之外，在我們提出的兩種新型結構中，改進的LCD觸控顯示模組，其上偏光片僅需改為貼附在觸摸屏的內表面，因而具有非常低的成本，適合應用在采用LCD的觸控顯示模組上，其內部反射率可降低到4．5%左右，在強光環境下也具有良好的可讀性;而改進OLED觸控顯示模組，其不僅利用了OGS電容觸摸屏超薄的優點，具有更低的厚度，成本也低于當前的super AMOLED，其內部反射率約為1．8%，在強光環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業化(No．2011912008)

*通信聯系人，E-mail:ganglin@goworld-lcd．com

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