1.2.1 觸控顯示技術的發展歷程

觸控屏源于20世紀60年代，是美國軍方為軍事用途而研制的。經過50多年的發展，觸控屏現已得到廣泛應用。2007年第一代iPhone手機拉開了智能手機觸控顯示時代的序幕。2010年，隨著智能手機的爆發式增長和平板電腦的面世，電容式觸控操作和高分辨率顯示技術在智能移動終端上的核心地位得到認可。第一代iPad發布，使得觸控屏在中大尺寸產品市場得以拓展。

1.觸控技術從發明到產業化

1965年，約翰遜（E.A.Johnson）首次提出電容式觸控屏的設想：屏幕的主體是一塊復合的玻璃屏，內表面涂有一層ITO導電層，四個角落分布四個電極。當手指觸碰到玻璃屏時，由于人體自帶的電場，會令手指和玻璃內層的金屬層形成一個電容，從而“吸走”該位置的少量電流。這個“泄漏”的電流是從四個電極流出來的，而且理論上流經不同電極的部分與手指到電極的距離成正比。通過控制器的精密計算，就可以準確地得到手指的位置。1967年，約翰遜制造了歷史上第一塊觸控屏：手指點到哪里，屏幕就會在該處發出亮光，如圖1-12（a）所示。

20世紀70年代，為了提高武器裝備的自動化水平，美國科學家研制了一種方便控制的智能化瞄準調節器，該調節器能夠通過手指觸摸，調節顯示器屏幕來控制其視野中的十字坐標位置。其采用的觸控機制是電阻式觸控技術。1970年，塞繆爾·赫斯特（Samuel Hurst）通過手工方式制造出了世界上第一臺電阻式觸控屏“AccuTouch”。1977年，摩托羅拉公司推出了第一款支持觸摸筆輸入的掌上電腦Palmpilot，標志著電阻式觸控屏商業化的開始，如圖1-12（b）所示。1982年，SamHurst與西門子合作，將電阻式觸控技術應用于電視機。1996年，Palm公司憑借Pilot系列掌控PDA掌上電腦市場近十年，隨后開始轉向智能手機開發。1999年，摩托羅拉公司推出了第一款集成了電阻式觸控屏的手機A6188，支持手寫中文。

光學式觸控顯示和聲波式觸控顯示的發展較早，但由于使用的限制，很長一段時間內并未得到充分的發展及應用。20世紀70年代，美國Carroll Touch公司最早商業性地開發了紅外陣列式觸控屏。這種顯示屏把紅外LED陣列置于顯示屏的兩個鄰邊，把光電二極管（PD）置于LED的對邊。當LED開啟時，光電二極管探測到LED的信號，當發生觸摸動作時，系統會根據紅外信號被阻斷來識別觸摸的位置。如圖1-13（a）所示，1983年推出的惠普PC-150是最早的商用觸屏電腦之一，屏幕上網格紅外線可記錄手指運動，但其感應器會堵塞灰塵，需要經常清潔。如圖1-13（b）所示，1994年IBM公司推出了第一部智能手機“IBM西蒙（IBM Simon）”，該手機采用壓力傳感觸控屏，可替代機械按鍵。

進入21世紀，帶有觸控屏的智能手機普遍流行，出現了諾基亞Symbian系統手機、微軟Windows Mobile及索尼愛立信UIQ平臺手機。2007年是觸控屏發展的分水嶺。當年3月，LG公司推出首款具有多點觸控功能的電容式觸控屏手機Parada。同年6月，蘋果公司推出具有高分辨率和多點觸控功能的電容式觸控屏手機iPhone。隨著智能手機的爆發式增長和平板電腦的面世，觸控操作尤其是電容式觸控操作在智能移動終端上確立了核心地位。第一代iPad發布使觸控屏競爭擴展到中大尺寸領域。微軟推出的Windows 7系統使家用計算機支持多點觸控。

2.從外掛式觸控到內嵌式觸控

早期的觸控顯示模組將觸控模塊和顯示模塊分開，稱為外掛式觸控顯示技術（Out-Cell）。外掛式觸控顯示技術對于蓋板可視區（顯示區域）以外的左右邊框部分（非顯示區域）都需要制作金屬線路，同時金屬線路要和顯示區域的透明導電材料ITO搭界，從而組成一個完整的觸控顯示模組，因此觸控屏左右邊框需要一定的寬度來走線，導致邊框較粗。另外，外掛式觸控屏和手機機殼結合的主要方式為泡棉膠貼和點膠，其中點膠對于邊框要求一般比泡棉膠的小，沒有良好的一體化體驗。如圖1-14所示，早期的觸控顯示模組使用GG（Glass-Glass）觸控屏方案，后來觸控模塊為了優化GG感應結構，推出GFF（Glass-Film-Film）、G1F（Glass-Film）、OGS（One Glass Solution）等觸控屏方案。其中，GFF、G1F均需要使用銦錫氧化物ITO膜；GG則是在玻璃襯底上，使用濺射鍍膜方式涂布ITO圖案，達到如同GFF、G1F的ITO薄膜感應效果。

使用外掛式觸控技術，研究者大多把輕薄化設計著眼于電路載板、元件上面，或使用高效能的鋰聚合物電池進行產品厚度改善，但實際上通過改善元件厚度與載板優化能改善的輕薄化設計已相當有限，移動設備開發商需要開發更積極的產品輕薄化設計方案。解決方案是將觸控屏感測功能集成到蓋板上或內置于顯示屏中，分別形成OGS觸控顯示技術和On-Cell/In-Cell觸控顯示技術。整合型觸控顯示技術的發展歷程如圖1-15所示，其中出現過各種各樣的技術類型，均為將觸控感測電極的位置進行簡單更換。

OGS技術由于減少了一塊襯底玻璃的使用，結構更為輕薄、透光性更好。由于省掉一片襯底玻璃和一道貼合工序，利于降低生產成本、提高產品良率。但是，該技術面臨在感測電極的工藝選擇、兼容蓋板玻璃時的強度保持與質量穩定性、控制芯片的調校等問題，量產廠商較少。

On-Cell是指將觸控屏嵌入LCD的彩色濾光片基板和偏光片之間的技術，即在顯示屏上配觸控感測電極。在OLED中，觸控感測電極一般在偏光片和封裝層之間，相比In-Cell技術難度降低不少，有利于提高合格率。On-Cell多應用于三星AMOLED產品上，致力于解決技術上輕薄化、觸控時產生的顏色不均等問題。三星在On-Cell技術上的成果有YOUM（柔性主動有機發光顯示器）、AP1S（過渡方案）、Youm On-Cell Touch AMOLED（Y-OCTA）等。另外，Cambrios公司提出的FF和F2超薄觸控疊構，更是為這項技術提供了一個可行的解決方向。

In-Cell結構將觸控感測電極嵌入液晶像素中，需要在TFT陣列基板上的像素內部嵌入觸控感測功能。為此，必須使用復雜的半導體制造工藝，影響成品率。另外，在像素內嵌入觸控感測電極，會降低像素開口率，影響畫質。根據觸控感測電極中驅動電極（Tx）與接收電極（Rx）放在顯示屏中的位置不同，得到了混合式In-Cell、單電極式In-Cell結構、掩膜節省式In-Cell結構等。其中索尼的混合式In-Cell技術（Hybrid In-Cell）同蘋果的互電容式In-Cell技術相比，區別主要在于前者的驅動電極在顯示屏內部，接收電極在顯示屏外部，而后者的驅動電極與接收電極都在顯示屏內部?；诨ル娙菔絀n-Cell結構的iPhone 5，直接將觸摸感應驅動電路嵌入LCD顯示屏的TFT基板上，使iPhone 5的厚度壓縮到了7.6mm，比上一代iPhone手機薄了18%。

從GF2、GG等外掛式觸控屏技術到OGS、In-Cell等整合型觸控屏技術，觸控顯示模組的集成度更高，產品更為輕薄。表1-2給出了GF2、GG、OGS、In-Cell四種典型觸控屏的性能比較。

3.從單點觸控到多點觸控

多點觸控是在同一顯示界面上的多點或多用戶的交互操作模式。用戶可通過雙手進行單點觸控，也可以通過單擊、雙擊、平移、按壓、滾動及旋轉等不同手勢觸控屏幕，從而更好、更全面地了解對象的相關特征。觸控顯示技術的產業化發展路線是，從最早的點陣式紅外式觸控技術，到單點觸控的電阻式觸控技術，再到目前流行的多點觸控的電容式觸控技術。

多點觸控技術始于1982年，多倫多大學發明感應食指指壓的多點觸控屏幕，貝爾實驗室發表首份探討觸控技術的學術文獻。1984年，貝爾實驗室研制出一種能夠以多于一只手控制改變畫面的觸控屏。1991年，Pierre Wellner對多點觸控的“數碼服務臺”，即支持多手指的提案，研制出一種名為數碼桌面的觸控屏技術，允許使用者同時以多個指頭觸控及拉動觸控屏上的影像。1999年，“約翰埃利亞斯”和“魯尼韋斯特曼”生產的多點觸控產品包括iGesture板和多點觸控鍵盤。2006年，紐約大學的Jefferson Y Han開發支持多人同時操作的45英寸觸控屏，同時利用多只手指在屏幕上劃出多根線條，同時有多個觸控熱點得到響應，響應時間小于0.1s。

2007年，蘋果公司通過投射式電容技術實現多點觸控功能，令該技術開始進入主流應用。此后，多點觸控技術從開始的僅可以實現兩指縮放、三指滾動及四指撥移，發展到能夠支持5點以上的觸控識別和多重輸入方式。多點觸控技術將向實現更細致的屏幕物件操控和更具自由度的方向發展。

4.從框貼發展為全貼合

全貼合觸控顯示模組是將保護玻璃（蓋板）、觸控屏、顯示屏以無縫隙的方式完全粘貼在一起，省略掉了顯示屏與觸控屏間存在的空氣層，使屏幕厚度變得更加薄。同時，減小了進灰概率，畫面更加通透，讓視覺效果完美呈現，看起來就更美觀。

目前觸控屏貼合工藝主要有全貼和框貼兩種，兩者的比較見表1-3?？蛸N是用泡棉將蓋板與感測電極層或顯示模組貼合在一起，工藝簡單、良率高，但是因為存在兩個反射界面的問題，所以總體透光率較低。該種工藝貼合的產品透光率相對較低、防水和防塵性能也較差。全貼主要用光學透明樹脂（Optical Clear Resin, OCR）/光學透明膠帶（Optical Clear Adhesve, OCA）將蓋板與感測電極層或顯示模組整面貼合在一起，全貼產品通透性更好，但成本相對較高，工藝比較復雜。