新技術拓寬觸控屏幕更多的機會

    投影式電容觸控屏幕市場正在悄然發(fā)生變革�？焖俚男袠I(yè)發(fā)展不斷提供更纖薄、更高效能、更可靠且成本較低的觸摸屏。在這些發(fā)展中背后的主要動力是 ITO（氧化銦錫）, 這種主要用于手機和平板計算機觸摸屏的導電材料存在諸多局限性，因此將被替代材料所取代。ITO 從未被廣泛使用于大尺寸 AV 和 kiosk 的應用上，但有一些正在開發(fā)中的技術將取代 ITO, 這些新技術將會被用于上述應用當中。

    使用者應透徹了解所選觸摸屏內(nèi)使用的基礎材料，因為該材料會對產(chǎn)品外觀產(chǎn)生重大差異，最重要的是會顯著影響效能�？萍嫉氖褂糜袝r在某一種應用中可能是非常有效的技術, 但是, 當被用于另一種應用中，則可能存在嚴重局限性。在本文中，我們的目標是，透過檢閱六項替代材料技術并研究它們各自的優(yōu)勢與不足，協(xié)助使用者做出明智選擇。我首先會探討在某些應用中 ITO 被取代的原因，并繼續(xù)研究替代方案。

    為何要舍棄 ITO？

    投影電容觸控式技術變革背后的一個關鍵驅動因素是，轉移至將觸控功能集成到 LCD 面板本身（「內(nèi)嵌式」技術），從而無需單獨的觸摸屏面板（分立觸控面板）。 做到這一點后，就可生產(chǎn)出更容易集成的更薄更輕的觸控裝置。光學效能及亮度也可 透過縮減 LCD 與使用者之間的距離和層數(shù)而獲得改善。

    但是，制造「內(nèi)嵌式」觸摸屏的流程仍朝向更完善的目標發(fā)展當中，因此它們在 業(yè)界被廣泛采用受到了限制。結果， ITO 導體的分立投影式觸控屏幕面板仍舊是主要 被使用的技術，至少在智能型手機、平板計算機及可穿戴式設備中仍是如此，但它隨著 顯示尺寸增加超過 20 寸就會存在諸多缺陷，主要是因為其相對較高的電阻會妨礙效 能，并使其成為不適合某些應用的材料。

    那么，哪些導電材料可用于較大尺寸的觸摸屏呢？目前有三種主要的材料技術處 于領先地位：銅微線 (Copper Micro Wires)、銀金屬網(wǎng)格 (Silver Metal Mesh) 和奈米銀線 (Silver Nano Wires)，還有其他三種：奈米碳管 (Carbon Nanobuds)、導電聚合物 (Conductive Polymers) 和石墨烯 (Graphene)，它們?nèi)�都處于開發(fā)初期并可能在未來幾年 上市。我們將探討前五種材料技術的四個主要參數(shù)：經(jīng)濟性、阻抗、可見度和可用 性；還會探討石墨烯，石墨烯處于開發(fā)初期，目前尚未市售。

    經(jīng)濟性

    考慮到觸摸屏的成本時，關鍵問題包括初始加工成本及持久材料壽命要求等等。 不需開模(光罩)而直接寫入基材的技術基本上不需要加工，并可更便宜地進行小批量生 產(chǎn)。若需要開模或其他加工，則會限制小批量生產(chǎn)不同尺寸能力的靈活度，但有潛力 對標準尺寸提供較大批量的生產(chǎn)。

    在加工方面，銅微線具有延展性優(yōu)勢。電極可以直接寫入基材，不需雷射、開模/化學 物質/蝕刻或加工。奈米銀線可以透過雷射剝離法進行一定程度的客制，但還需要額外 制程來將邊界的導體連接至控制器。導電聚合物透過網(wǎng)版印刷應用起來相對簡單，但 是，它們需要在絲網(wǎng)印刷階段或者在蝕刻或雷射處理之后再作 pattern (制作圖騰)。 相比之下，銀金屬網(wǎng)格技術是在材料來源上制作圖騰 (pattern)，因此需提前指定傳感 器的尺寸。這會讓每個傳感器設計產(chǎn)生 1 萬至 2 萬美元的加工費用，具體取決于屏幕 大小。碳奈米芽 (Carbon NanoBuds) 的沉積程序很復雜，需使用「奈米芽反應器」 (NanoBud Reactor) 然后再使用雷射制圖工藝來制作電極。

    制造成本的另一個關鍵因素是所需層數(shù)。銅微線可以絕緣，因此 x 和 y 電極可以在單 層中形成。封裝絕緣還可以防止材料氧化，但在暴露于高溫高濕度下時會大大降低觸 控式屏幕的效能。奈米銀線、金屬網(wǎng)格和導電聚合物傳感器結構一般需要兩層或多層 來絕緣（x 和 y）導體，從而增加單層設計上的材料內(nèi)容。碳奈米芽也是一種兩層技 術。另外還必須小心防止?jié)駳膺M入材料，否則可能導致上述氧化及觸摸屏幕故障。

    阻抗

    觸摸屏阻抗是決定觸控靈敏度或「訊噪比」(SNR) 的一個關鍵因素。較高電阻材料 會限制流經(jīng)導體的電流量，使其更難正確地找出，來自顯示屏幕、電源或其他周邊電 子產(chǎn)品周圍環(huán)境干擾 (EMI) 產(chǎn)生的誤觸控事件。顯然，這一阻抗對較大尺寸觸控式螢 幕的影響更大，特別是在需要多點觸控、防誤觸和近距感測（在手指實際與屏幕接觸 前識別觸控）等功能時。

    如上所述，ITO 因其相對高的阻抗（每平方約 100Ω）而僅限用于較小的觸摸屏； 因此，大多數(shù)使用此材料的觸摸屏小于約 22 寸，超出此尺寸將存在顯著的效能限 制。奈米銀線具有比 ITO（PET 薄膜基材上每平方約 30 - 50 Ω）更好的電阻。因此，使 用此技術的投影電容觸控式傳感器可擴展至約 42 寸（再次重申：超出此尺寸將限制觸 控效能）。銀金屬網(wǎng)格具有每平方約 15 Ω 至 30 Ω 的較低電阻，因此能用于尺寸達約 65 寸的觸摸屏。銅微線提供每平方約 5 Ω 或更低的最低電阻，并可用于建立尺寸 遠超 100 寸的巨大儲控屏幕。另外，極低電阻還提供最佳的訊噪比，使觸摸屏能 偵測對很厚的面板玻璃甚至穿戴手套時進行的觸控，而無需在高電壓下驅動電子裝置 或使用多個連接控制器并排顯示屏幕（替代材料技術這使用兩種巧妙方法實現(xiàn)大尺寸 觸摸屏）。

    可見性

    所有分立面板投影電容技術包括在用戶和屏幕之間引入一定的材料元素，以對圖像 產(chǎn)生一定的光學差別（無論多小）。透過采用銅微線技術，10um 導體網(wǎng)格可見，尤其 是在關閉顯示時。這就是說，光透射性很出色，并且在運用任何抗反射處理前處于 90% 的范圍內(nèi)。相比之下，奈米銀線和銀金屬網(wǎng)格技術可以建立可見度略低的導電軌 （5-10um 范圍的金屬網(wǎng)格）；但是，奈米線和導電聚合物涂層可在整個屏幕上產(chǎn)生輕 微的偏色或蒙籠感，以及約只有 85% 的透光度。

    可用性及使用壽命 少數(shù)專業(yè)制造商生產(chǎn)銅微線觸控式傳感器已近 20 年，該傳感器是一款成熟的投影電容 觸控式技術，適用于最嚴酷環(huán)境中的大尺寸屏幕。過去幾年來，銀金屬網(wǎng)格和銀線觸控 式技術已快速成為主流，其中，許多制造商負責安裝必要印刷及雷射 pattern (制作圖 騰)設備。在觸摸屏產(chǎn)業(yè)，這兩種技術相對新穎，意味著它們的長期可靠性尚未證 實，尤其是關于在暴露于戶外頗具挑戰(zhàn)性的應用中的溫度及濕度下其電阻（及觸控效 能）會如何變化。

    石墨烯

    即將到來的是一種可能改變游戲規(guī)則的新型觸摸屏材料技術：采用石墨烯的形 式。石墨烯最初于 2004 年在曼徹斯特大學被發(fā)現(xiàn)，此后有陸續(xù)發(fā)布關于其強度、透明 性和導電性的可喜成果，但開發(fā)仍處于起步階段。石墨烯沉積為一個原子厚度的碳分 子，將類似的低電阻結合到銅微線，具有「不可見」導體的潛力。然而，盡管具有適 合作為投影電容觸摸屏材料的潛力，但這種令人興奮的新技術還適合其他許多應 用，例如水凈化、電池和太陽能電池；大多數(shù)開發(fā)商目前仍將工作重點放在這些方 面，在開發(fā)路線圖上，觸摸屏使用率要低得多。

    更遠大的愿景 總之，投影電容觸摸屏并不存在「完美的」導電材料，設計師應不斷尋找效能、 光學、耐用性、可擴展性和可靠性的最佳組合，以適合其觸摸屏應用。手機及平 板計算機觸摸屏的全球市場令商業(yè) AV 市場相形見絀，Touch Display Research Inc. 估 計 ITO 替代市場可能在 2023 年前達到 130 億美元。因此，新的觸控屏幕材料開發(fā)必然 會專注于這一巨大市場。但是，這個方面的投資幾乎肯定會給商業(yè)與工業(yè)市場帶來諸多利益。