96、触摸屏技术与聚合物基板透明导电涂层全解析

触摸屏技术与聚合物基板透明导电涂层全解析

常见触摸屏技术介绍

在当今的科技领域，触摸屏技术已经广泛应用于各种设备中。下面为大家介绍几种常见的触摸屏技术及其特点。

表面声波（SAW）技术

SAW 技术在许多应用场景中表现出色。它具有出色的清晰度和可见光透过率（VLT），且没有导电涂层增加反射，因此在不受控的光照条件下性能良好。除了大量液体外，SAW 能够适应并抵御触摸屏玻璃上的大多数形式的污染，并且无人值守操作效果极佳。借助适当的诊断软件，一些 SAW 系统还可以进行远程监控和故障排除。Elo TouchSystems 增加的多点触控功能也显著提升了该产品的竞争力。

然而，SAW 技术也存在一些缺点：
- 环境密封具有挑战性。
- 污染有时会引发问题，且触摸屏不防水。
- 制造后无法对光学或环境前表面进行增强处理。
- 尺寸扩大效果不佳，对角线约 0.7 米接近最大舒适尺寸。

导声表面波（GAW）技术

GAW 是 SAW 的一种变体，它使用兰姆波而非剪切波。兰姆波在玻璃的内层传播，这使得该技术在一个重要方面优于 SAW：GAW 几乎不受表面污染的影响，并且更容易进行环境密封。不过，由于多年来商业成功有限，其唯一制造商 Carroll Touch 已停止生产 GAW 触摸屏。

色散信号技术（DST）和声学脉冲识别（APR）技术

APR 和 DST 是非常相似的技术。玻璃基板中产生的体声波由安装在玻璃背面边缘附近的几个压电换能器感应。接收到的声学特征与存储在系统内存或与操作系统驱动程序关联的外部文件中的查找表条目进行匹配。

这两种技术具有以下优点：
- 传感器非常简单（普通玻璃 + 四个压电换能器）。
- 可与手指、手写笔或任何其他触摸对象配合使用。
- 触摸传感器非常耐用且透明。
- 抗表面污染，有划痕也能正常工作。
- 除了冗长的校准程序（生成查找表）外，尺寸缩放非常容易。

但它们也存在一些缺点：
- 不支持“触摸并保持”和多点触控。
- 边框中安装方法的控制至关重要。

尽管存在这些缺点，由于制造成本低（除了查找表生成）、尺寸相对容易扩大、出色的光学和人体工程学吸引力以及全玻璃结构的耐用性，这些产品仍然是销售点（POS）、交互式多媒体和交互式数字 signage 的优质技术。

内嵌式（In - Cell）触摸屏技术

“内嵌式触摸”通常指在液晶显示器（LCD）单元内实现触摸传感器（尽管也有人提议将内嵌式实现应用于等离子显示器（PDP）、电泳和有机发光二极管（OLED）技术）。目前，LCD 内嵌式触摸存在三种形式：
- 内嵌式（In - cell） ：触摸传感器实际位于 LCD 单元内部。触摸传感器可以采用光感元件、微动开关或电容电极的形式。
- 外挂式（On - cell） ：触摸传感器是沉积在彩色滤光片基板顶部或底部表面的 X - Y 电容电极阵列。严格来说，当电极位于基板底部表面时，它们实际上位于单元内部，但由于电极类型的原因，通常仍称为“外挂式”。
- 外嵌式（Out - cell） ：这是 2009 年由友达光电公司创造的新术语，描述了在模块制造期间将标准触摸屏（通常仅为电阻式或投射电容式）直接层压在 LCD 顶部的配置。与前两种不同，这种配置通常需要额外的一块玻璃，尽管从技术上讲，在这种情况下也可以使用薄膜 - 薄膜电阻式触摸屏。

目前，内嵌式和外挂式触摸使用三种不同的触摸技术：
| 技术类型 | 特点 | 触摸方式 | 保护措施 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 光感技术（内嵌式） | 也称为“光学”技术，在部分或所有 LCD 像素中添加光电晶体管。触摸感应阵列还可用作扫描仪。 | 可用手指、手写笔、光笔或激光笔触摸。 | 可用覆盖玻璃保护 LCD 表面。 |
| 电压感应技术（内嵌式） | 也称为“开关感应”技术，在每个像素或像素组中添加用于 X 和 Y 坐标的微动开关。 | 可在 LCD 表面损伤限制内用手指或手写笔触摸。 | 不能用覆盖玻璃保护 LCD 表面。 |
| 电荷感应技术（内嵌式/外挂式） | 也称为“按压电容式”，在每个像素或像素组中使用可变电容器电极。作为外挂式解决方案时称为“电容感应”，基本与当今的投射电容式相同，但在彩色滤光片基板顶部表面使用 X - Y 电容感应电极阵列。 | 可在 LCD 表面损伤限制内用手指或手写笔触摸（外挂式仅能用手指触摸）。 | 外挂式可用覆盖玻璃保护 LCD 表面，内嵌式不能。 |

内嵌式解决方案具有改变制造供应链、实现最低材料和生产成本以及显著提升触摸性能的潜力，但需要对 LCD 进行根本性设计更改。修改单个 LCD 的背板或前板以添加内嵌式触摸由于掩膜成本超过 100 万美元，因此初始过渡成本较高。如果并非每个 LCD 都需要触摸功能，尚不确定 LCD 制造商是否愿意生产内嵌式触摸和非触摸版本的多种显示器。

目前，大多数 LCD 制造商都在努力研究一种或多种形式的内嵌式和外挂式触摸解决方案，夏普、友达光电和三星似乎是行业领导者，而东芝移动显示器（TMD）则因开发了一些最先进的内嵌式解决方案而受到赞誉。不过，尽管内嵌式触摸已经被期待了 7 年多，但要实现全面商业化仍有一段距离。光感内嵌式可能距离商业化最远，因为它存在最多未解决的问题。电压感应内嵌式有一定潜力，但尚未有宣布采用该技术的 LCD 或终端用户产品。电荷感应内嵌式和外挂式最接近商业化，有几款宣布的 LCD 可能会在 2011 年用于手机。目前，大多数从事内嵌式触摸研究的 LCD 制造商将重点放在移动显示器上，因为事实证明尺寸大于 26 厘米的显示器实现起来相当困难。

聚合物基板透明导电涂层

在触摸屏技术不断发展的同时，聚合物基板透明导电涂层也逐渐受到关注。

聚合物基板的优势与挑战

一直以来，人们对使用聚合物薄膜替代玻璃基板很感兴趣。聚合物基板具有通过卷对卷加工降低制造成本的潜力，同时还具有更好的柔韧性并能减轻最终产品的重量。许多触摸屏的结构是将两个透明导电涂层面对面放置，但由一系列小间隔点隔开，当其中一个透明涂层薄膜被按压变形时，它会与另一个导电薄膜接触，形成电接触并完成电路。因此，只要能满足所需规格，在柔性聚合物基板上拥有坚固的透明导电涂层就有现成的市场。

然而，聚合物薄膜也存在一些局限性。与玻璃相比，聚合物薄膜需要在较低温度下进行涂层处理，这使得透明导电涂层的导电性或透明度不如在玻璃上实现的效果，因此存在性能上的权衡。此外，聚合物薄膜的热稳定性不如玻璃基板，清洁聚合物基板也更加困难，所以产量往往低于它们要替代的玻璃基板。尽管多年来人们一直期望基于聚合物的设备能够取代基于玻璃的设备，但实际转换速度比预期要慢。

不过，市场规模以及为有机发光器件和太阳能电池封装提供超阻隔市场的可能性，为聚合物供应商提供了开发改进基板的动力。现在，除了基本薄膜外，还有多种不同的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板可供选择，包括热稳定以及热稳定和平坦化版本的 PET 和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）

聚酯是包括 PET 或 PEN 的聚合物家族的更常见名称。PET 单体是通过一种称为直接酯化的过程将两种原材料结合而成，这两种原材料通常是单乙二醇（一种醇）和有机二酸（可以是对苯二甲酸二甲酯或纯对苯二甲酸）。单体与催化剂一起在真空下加热并进行缩聚反应以生产聚合物。聚合物由许多单体重复单元组成，通常约为 100 个，形成长链分子。聚合物的粘度由链长决定，因此一旦达到给定粘度，过程就会停止。所得聚合物被挤出并切成薄片，准备用于聚合物薄膜挤出机。

薄膜制造过程从薄片在挤出机中熔化开始，然后通过模具挤出一条薄而宽的聚合物带。熔融带落在旋转的冷却铸鼓上，聚合物带被冷却，聚合物以完全无定形的结构凝固。此时，聚合物几乎没有 PET 所具有的机械性能。为了改善性能，薄膜通常进行双轴取向处理，这可以使用拉幅机或气泡法实现。

在拉幅机过程中，通常采用顺序取向。聚合物带首先在机器方向上拉伸，通过两组辊实现，第二组辊的旋转速度比第一组快，从而使聚合物向前拉伸。为了使这个过程更容易，聚合物在通过第一组辊和两组辊之间时被加热。在第二组辊的末端，聚合物被冷却以固定拉伸。然后聚合物幅材在每个边缘被夹紧，进入拉幅机并被加热，接着夹紧幅材的夹子向侧面移动以提供横向方向取向。在第二次拉伸过程之后，薄膜在高温下保持一段时间以进行一些稳定化处理，然后离开拉幅机。夹子夹住幅材的地方没有被拉伸，因此通过切割幅材的边缘去除边缘部分。

双轴拉伸过程改变了聚合物的结构。原始的无定形结构可以想象成一碗意大利面，聚合物链相互交织。当幅材被拉伸时，这些聚合物链开始沿拉伸方向取向。随着交织链的部分变得越来越平行，它们可以形成微晶。这些晶体具有比无定形聚合物区域高得多的拉伸强度，以及更高的折射率和更大的抗气体扩散能力。在双轴取向过程结束时，聚合物中约含有 60% 的结晶材料。晶体虽然更强，但柔韧性较差，因此精确的结晶百分比旨在提供不同性能的平衡。不同的制造商可能会提供具有略有不同机械和光学性能的薄膜，反映了他们不同的专有加工和添加剂。

聚合物幅材的质量对真空沉积过程很重要。真空沉积过程会使幅材升温，如果温度过高，由于薄膜内的残余应力，幅材可能会收缩。幅材内的残余应力在整个幅材上不一定均匀。在薄膜生产线上生产的 PET 幅材可能有几米宽（母卷），然后幅材被切割成更窄的宽度以适应真空沉积系统。从母卷边缘切割的聚合物卷的残余应力方向与从母卷中心切割的卷不同。

热稳定幅材是为了尽量减少这个问题而设计的。标准幅材在烘箱中的卷绕系统上在最小张力下重新加热，这使聚合物链有时间移动到使残余应力最小化的位置。稳定化处理的温度决定了未来加工的安全操作温度。如果超过稳定化温度，幅材可能会开始收缩。正如预期的那样，这种稳定化过程缓慢且耗能，因此会增加基板成本。这可能会使基板成本比标准 PET 薄膜成本增加 2 - 2.5 倍。使用更高温度的 PEN 版本并进行热稳定处理，成本可能会增加到标准 PET 的 10 倍。

下面为大家展示双轴薄膜制造过程的示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(挤出机):::process --> B(铸鼓):::process
    B --> C(向前拉伸):::process
    C --> D(拉幅机烘箱):::process
    D --> E(边缘修剪):::process
    E --> F(复卷辊):::process
    D --> G(横向拉伸):::process

    H(挤出机):::process --> I(压辊):::process
    I --> J(进料斗):::process
    J --> K(气泡):::process
    K --> L(固化区域 - 霜线):::process
    L --> M(边缘切割):::process
    M --> N(复卷辊):::process
    K --> O(气泡冷却空气):::process

这个流程图展示了双轴薄膜制造过程中拉幅机和气泡法的主要步骤，帮助大家更好地理解聚合物薄膜的制造过程。

综上所述，触摸屏技术和聚合物基板透明导电涂层都在不断发展和改进。不同的触摸屏技术各有优缺点，适用于不同的应用场景。而聚合物基板虽然面临一些挑战，但随着技术的进步和市场需求的推动，有望在未来的触摸屏制造中发挥更重要的作用。对于研究人员和系统设计师来说，在选择触摸屏技术和基板材料时，需要综合考虑各种因素，以满足不同的设计、实施和用户需求。

触摸屏技术与聚合物基板透明导电涂层全解析

透明导电涂层在PET上的应用

在聚合物基板中，PET因成本性能优势成为多数情况下的首选，下面详细介绍几种常见的在PET上的透明导电涂层。

氧化铟锡（ITO）

氧化铟锡是目前应用较为广泛的透明导电涂层材料。它具有良好的导电性和较高的透明度，能够满足触摸屏等设备对导电和透光的要求。在PET基板上沉积ITO涂层时，由于PET的热稳定性不如玻璃，沉积过程需要在相对较低的温度下进行，这可能会影响ITO涂层的性能。与在玻璃基板上沉积的ITO涂层相比，在PET上的ITO涂层导电性和透明度可能会稍有降低。不过，通过优化沉积工艺和后续处理，可以在一定程度上提高其性能。

铝掺杂氧化锌（AZO）

铝掺杂氧化锌也是一种有潜力的透明导电涂层材料。它具有与ITO类似的性能，并且成本相对较低。AZO涂层在PET基板上的应用逐渐受到关注。与ITO相比，AZO的制备过程可能更加环保，并且在某些方面具有更好的稳定性。然而，目前AZO涂层在PET上的应用还面临一些挑战，例如涂层的均匀性和与PET基板的附着力等问题，需要进一步的研究和改进。

聚（3,4 - 乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）

PEDOT:PSS是一种有机导电聚合物，具有良好的柔韧性和加工性能。它可以通过溶液旋涂等简单的方法在PET基板上形成涂层。PEDOT:PSS涂层在柔性触摸屏等领域具有潜在的应用价值。与无机导电涂层相比，PEDOT:PSS涂层的导电性相对较低，但可以通过掺杂等方法进行改善。此外，PEDOT:PSS涂层的稳定性和耐环境性能也需要进一步提高。

碳纳米管（CNT）

碳纳米管具有优异的电学和力学性能，作为透明导电涂层材料也具有很大的潜力。在PET基板上沉积碳纳米管涂层可以采用溶液法或化学气相沉积法等。碳纳米管涂层具有良好的导电性和柔韧性，并且对可见光有较高的透过率。然而，碳纳米管涂层的制备过程相对复杂，成本较高，并且涂层的均匀性和表面平整度等问题也需要解决。

下面用表格总结这几种透明导电涂层在PET上的特点：
| 涂层材料 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 氧化铟锡（ITO） | 导电性和透明度较好 | 沉积温度受限影响性能，铟资源有限成本高 |
| 铝掺杂氧化锌（AZO） | 成本低，制备环保 | 涂层均匀性和附着力待提高 |
| 聚（3,4 - 乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS） | 柔韧性和加工性好 | 导电性相对低，稳定性待提高 |
| 碳纳米管（CNT） | 电学和力学性能优异 | 制备复杂，成本高，均匀性和平整度待解决 |

额外涂层的作用

为了提高透明导电涂层在PET基板上的性能，通常会添加一些额外的涂层。

有机硬涂层

一些PET基板在沉积透明导电涂层之前会先涂上有机硬涂层。有机硬涂层可以降低表面粗糙度，并且通常也会涂在背面。它能够在一定程度上保护透明导电涂层，减少其被损坏的可能性。然而，有机硬涂层不是很好的阻隔材料，对阻挡气体和水分的渗透效果有限。

二氧化硅层

有些供应商会在真空沉积透明导体之前先沉积一层薄的二氧化硅层。二氧化硅层作为无机涂层，会以共形涂层的形式沉积，虽然不能平滑表面，但它是一种良好的阻隔材料，特别是当它沉积在光滑表面上时。二氧化硅层与有机硬涂层结合使用，可以提高涂层的导电性和附着力，同时还能提供更好的光学匹配，减少导电涂层背面的反射，增加涂层材料的透过率。此外，二氧化硅层还可以影响沉积的透明导电涂层的结晶度，从而对其性能产生积极影响。

结论

触摸屏技术和聚合物基板透明导电涂层在过去几十年中取得了显著的发展。目前市场上有多种触摸屏技术可供选择，每种技术都有其独特的优缺点，适用于不同的应用场景。例如，SAW技术在光照条件复杂的环境中有优势，但在尺寸扩大和环境密封方面存在挑战；APR和DST技术具有简单耐用、易于扩大尺寸等优点，但不支持触摸并保持和多点触控功能；In - Cell技术虽然具有降低成本和提高性能的潜力，但还需要解决一些技术难题才能实现全面商业化。

聚合物基板透明导电涂层方面，PET作为首选基板具有成本和加工优势，但也面临热稳定性和清洁困难等问题。不同的透明导电涂层材料如ITO、AZO、PEDOT:PSS和CNT各有特点，并且都在不断改进和优化。额外的有机硬涂层和二氧化硅层等可以进一步提高涂层的性能。

未来，随着技术的不断进步和市场需求的变化，触摸屏技术和聚合物基板透明导电涂层有望取得更大的突破。例如，In - Cell技术可能会在解决技术难题后在移动设备等领域得到更广泛的应用；聚合物基板透明导电涂层可能会通过改进材料和工艺，提高性能并降低成本，从而在更多领域替代玻璃基板。对于研究人员和系统设计师来说，需要密切关注这些技术的发展动态，综合考虑各种因素，为不同的应用选择最合适的触摸屏技术和基板材料。

总之，触摸屏技术和聚合物基板透明导电涂层领域充满了机遇和挑战，我们期待着它们在未来为我们带来更多的创新和便利。