电容式触控显示模组的抗反射结构及其性能研究

林钢，吕岳敏，吴永俊

电容式触控显示模组的抗反射结构及其性能研究

林钢*，吕岳敏，吴永俊

(汕头超声显示器有限公司，广东汕头515041)

对电容式触控显示模组的抗反射结构及其性能进行研究，分析对比了当前几种用于触控显示模组的抗反射技术。结果表明:全贴合技术可将内部反射率降低到3．8%左右，super AMOLED和CBD技术可将内部反射率降低到2%以下，其都能有效地提高产品在强光环境下的可读性。此外，还提出了分别针对LCD和OLED触控显示模组的两种抗反射改进结构:前者仅需将上偏光片改为贴附在触摸屏的内表面，即可将LCD模组的内部反射率降低到4．5%，因而不仅具有低成本的优点，且在强光环境下也具有良好的可读性;后者通过圆偏光片与OGS电容触摸屏的组合，使得整个OLED模组具有更低的厚度，且内部反射率可降低到1．8%左右，由于不需采用OCA贴合，其成本也低于当前的super AMOLED模组。

电容触摸屏;可读性;强光环境;抗反射

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

1 引言

由电容触摸屏与平板显示器组合而成的电容式触控显示模组已被广泛地应用在手机、平板电脑上［1］等多种电子产品上，一般来说，其是一种包含多层透明介质层的光学组件［2］，除了其表面之外，其内部界面也会产生反射，在室外、阳光下等强光环境下，其界面反射会干扰使用者对显示内容的观看，降低触控显示模组的可读性。

作为一种显示系统，触控显示模组在强光环境中的可读性直接依赖于环境光强、显示亮度以及整个模组对环境光的反射程度［3］。其中，降低对环境光的反射程度，是提高触控显示模组在强光环境下的可读性的最重要环节。

本文分析了当前应用在电容触控显示模组上的多种抗反射技术，并在此基础上提出了两种新型的抗反射结构。

2 触控显示模组内部反射的分析

如图1所示，在触摸屏的内部一般存在着“玻璃-OCA”、“OCA-ITO”以及“玻璃-ITO”三个界

2．1触摸屏的内部反射

当前的投射式电容触摸屏主要有G+G(Glass +Glass)和G+F(Glass+Film)结构。其中，G+G结构为一种由OCA(Optical Clear Adhesive，光学透明胶)粘紧的“保护镜片(Lens)—感应板(Sensor)”双层玻璃结构，感应板设有ITO感应电极，保护镜片则构成了手指与感应电极间的电介质层与保护层。G+F结构与G+G的区别在于将ITO感应电极制作在PET膜而不是玻璃上，再将多层的PET膜依次贴在保护镜片的内侧形成感应电极［2］。由于存在多个PET膜层，G+F结构在强光环境下的可读性较差，以下主要以G+G结构的触摸屏进行讨论。

触摸屏的内部反射主要为透明介质层的界面反射，其反射率R可按照式(1)进行计算，n1、n2分别为两种介质的折射率。面的反射，按照计算式(1)，可算得其单独反射率分别为1．03%、0．36%和1．03%，而总反射率为1.54%，其中ITO的折射率为1．9，玻璃的折射率为1．55，OCA胶的折射率可设定为介于ITO与玻璃的中间值1．725。

图1 触摸屏的内部反射Fig．1Inner reflection of touch panel

2．2显示器内部对环境光的反射

电容式触控显示模组所采用的显示器主要有液晶显示器(LCD)和有机发光显示器(OLED)。

LCD一般有反射、半反半透及全透3种模式。反射、半反半透模式虽有较好的室外可读性，但其显示效果不佳，当前已很少采用。全透型的LCD内部几乎没有可产生高反射的膜层，且在偏光片的吸收作用下，其内部(包括背光)对环境光的反射几乎可完全消除。

对于OLED而言，由于其像素一般制作在金属电极上，而金属电极一般具有较高的反射率，因此必须在OLED表面贴一层消除像素反射的圆偏光片［4］。OLED对环境光的反射还受到其色彩化技术的影响，其色彩化技术通常有RGB像素独立发光和彩色滤光膜(Color Filter)两种，采用RGB像素独立发光的OLED对环境光的反射较大，在不贴附圆偏光片的情况下，其像素的反射率可超过80%，而采用彩色滤光膜的OLED，其彩色滤光膜可以吸收掉约60%的透过光，因此其像素反射率仅为20%左右。虽然圆偏光片在正视角几乎可将像素的反射消除，但是从非正视角，由于圆偏光片的色散作用，依然会有一定的环境光被反射出来。因此，从提高强光环境可读性的角度来看，采用彩色滤光膜的OLED要优于采用RGB像素独立发光的OLED，尽管后者具有更优越的色彩表现。

2．3空气层反射

如图2所示，一般的电容式触控显示模组通常只在周边的非可视区将触摸屏与显示器粘合起来，而在可视区，触摸屏与显示器由一空气层隔开，因此存在着涉及到触摸屏内表面及显示器表面(TAC材质，折射率约为1．47)的空气层反射，依式(1)可算出两者的反射率分别为4．5%和3.5%，总反射率约为8%，加上触摸屏、显示器的内部反射(不计触摸屏外表面的反射)，整个触控显示模组的内部反射率一般都会超过10%，因此当环境的亮度高于显示器时，整个触控显示模组的对比度通常会降低到10∶1以下，其可读性非常低。

图2 空气层对环境光的反射Fig．2Reflection of the air-gap

3 当前的抗反射结构

为了解决当前触控显示模组可读性不高的问题，很多厂商都在产品上采用一定的抗反射技术，其主要有:减反膜技术、全贴合、super AMOLED及CBD(Clear black display)技术，以下将对这些技术进行讨论。

3．1减反膜技术

减反膜技术主要在触摸屏的内表面增加一层折射率介于内表面与空气之间的减反膜，其最先应用在苹果的iphone 3GS手机上，由于其电容触摸屏为G+G双面ITO结构［2］，内表面即折射率较高的ITO膜层，如果不采用减反膜，按照计算公式(1)，ITO膜层与空气的界面反射率将达到9．5%，而在该界面增加一层折射率为1．4的PET膜，则可将界面反射率降低到约5%。

对于内表面为玻璃的触摸屏，一般可在该表面镀一层折射率约为1．38的氟化镁(MgF2)膜，其可将“玻璃-空气”界面反射率从4．6%降低到约3%左右。

3．2全贴合技术

减反膜虽然可以减少触控显示模组的内部反射，但其作用较为有限，因此，以iphone 4为代表的新一代手机，其触控显示模组都改为效果更为明显的全贴合(Non air-gap)模组，全贴合即通过OCA将触摸屏与显示器贴合起来，以消除触摸屏与显示器之间的空气层。［5］

图3 一般触控显示模组(左)与全贴合触控显示模组(右)对环境光反射的对比Fig．3Comparison of the ambient light reflection between the general module(left)and non air-gap module(right)

由于触摸屏内表面与显示器表面的折射率差别不大，且OCA的折射率可以设定为介于这两者之间，因此可将这两个表面的反射率降低到可忽略水平(小于0．05%)。然而，采用OCA将硬质的触摸屏与显示器贴合起来具有较大的工艺难度，贴合过程容易出现气泡等问题，会使得触摸屏和显示器一同报废，因此全贴合触控显示模组的制造成本较高。

3．3super AMOLED结构

如图4所示，super AMOLED将触摸感应电极集成在OLED内部，因此，只需在OLED上增加一片保护镜片则可构成触控显示模组［6］。贴附在OLED表面的圆偏光片除了可消除像素反射之外，还可以消除感应电极反射;除此之外，保护镜片也通过OCA与OLED贴合，使得这种电容式触控显示模组整体上具有非常低的反射率(如图5所示)。但是，由于OCA贴合的难度较高，而OLED的价格非常昂贵，因而整体模组的价格更高，目前主要应用在三星Galaxy系列等高端手机上。

图4 super AMOLED的结构Fig．4Structure of super AMOLED

图5 super AMOLED，对环境光表现出极低的反射Fig．5Extremely low reflectivity of the ambient light，by a super AMOLED module

3．4CBD技术

CBD(Clear black display)技术主要应用在诺基亚Lumia系列以及N9、N8等产品上，其通过圆偏光片来消除空气层反射而不需采用OCA贴合，因而其制造成本非常低，同时也具有良好的强光环境可读性(如图6所示)。

如图7所示，CBD技术一般采用G+G结构的触摸屏，显示器则为彩色滤光膜的OLED，圆偏光片并不贴在OLED上，而是贴在触摸屏的内表面，按照图7的原理，由于空气层处于圆偏光片的后方，圆偏光片除了吸收OLED像素的反射光之外，还吸收了空气层的反射光，使得触控显示模组对环境光的反射几乎被消除［7］。

3．5几种抗反射技术的对比

上述几种抗反射技术或多或少都可减少触控显示模组的内部反射，为了进一步对其效果进行对比，我们采购了相应的触控显示模组，以光电测试仪DMS505配合D50光源模拟强光环境对其触控显示模组的内部反射率(扣除外表面的反射)进行测试，其结果如表1，可以看出，全贴合可使

图6 采用CBD技术的产品(左)与一般产品(右)的对比，CBD技术表现出非常好的强光环境下的可读性Fig．6Comparison of the ambient light reflection between a general produce(right)and a CBD produce(left)

图7 采用CBD技术的触控显示模组结构，其中，环境光(a)产生的空气层反射(b)、(c)以及像素反射(d)都几乎被圆偏光片吸收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 几种抗反射技术的对比Tab．1Comparison among anti-reflecting technologies

触控显示模组的内部反射率降低到3．8%，superAMOLED和CBD技术都可以使内部反射率降低到2%以内，因而都可有效地提高触控显示模组在强光环境下的可读性。除此之外，表1还列出了这几种抗反射技术的成本对比。

4 抗反射技术的改进

上述几种抗反射技术虽可在一定程度上提高产品在强光环境下的可读性，但也存在着一些不足，例如，全贴合的工艺难度较高，而super AMOLED和CBD技术则采用了昂贵的OLED显示器。另一方面，随着消费类电子产品的轻薄化发展，一体式电容触摸屏(OGS，One glass solution)由于具有更低厚度的优点，必定会继G+G、G+F之后，成为一种更加重要的结构类型，其相关触控显示模组在强光环境下的可读性是更需要重视的。针对这些问题，我们提出了两种抗反射结构。

4．1改进的LCD触控显示模组

如图8所示，对于LCD触控显示模组，我们将原贴附于LCD上表面的上偏光片改为贴附到触摸屏的内表面，以构成一种不需要采用OCA贴合的新型结构［8］。

图8 改进的LCD模组结构，其中，环境光(a)产生的空气层反射(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

这种结构仅在LCD与上偏光片之间增加一折射率各向同性的空气层，其一般不会对LCD的显示造成影响。偏光片的吸收率一般为60%左右(可认为包含50%的偏光吸收及10%的非偏光吸收)。当环境光入射触控显示模组时，首先穿过上偏光片，其透过率约为40%;接着，在空气层与上偏光片的界面以及LCD表面(玻璃表面)发生反射，其反射率分别为3．5%和4．5%;反射之后，其通过上偏光片时再次被吸收(非偏光吸收)，其透过率为90%。因此，可算得空气层的总体反射率为40%×(3．5%+4．5%)×90%=2．7%，加上触摸屏的内部反射，得到这种触控显示模组的内部反射率约为4．5%。

因此，采用这种结构可将内部反射降低一半以上，具有明显的抗反射效果，而在制造方法上仅需将上偏光片改为贴附在触摸屏的内表面，其不仅容易实现，且不会增加额外成本，也不会导致制造良率的下降。

由于多种类型的LCD都含有延迟膜，因此，在两次穿过上偏光片之间，环境光还需要穿过延迟膜，延迟膜会使其偏光状态发生变化，因此，当其再次通过上偏光片时，还存在一定的非偏光吸收，其反射率要比上述的计算值更小，使得触控显示模组对环境光的整体反射率更低。

4．2改进的OLED触控显示模组

OGS与OLED构成的触控显示模组不仅显示效果良好，且厚度更低。对于这种模组，如图9所示，我们提出了将OLED的圆偏光片贴附在OGS的内表面的新型结构［9］:

图9 改进的OLED模组结构，其中，环境光(a)产生的空气层反射(b)、(c)及像素反射(d)几乎被圆偏光片吸收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

其空气层的反射与CBD技术类似，在此不重复论述，其内部反射由OGS内部的“ITO层—玻璃”，以及“ITO层-OCA(圆偏光片的胶层，折射率调节为1．68)”、“OCA-TAC(三醋酸纤维，折射率为1．47)”三个界面产生，如图10所示，可算得这几个界面的单独反射率分别为1．03%、1．35%和1．45%，模组的总体内部反射率仅有1．83%，因而具有极好的强光环境可读性。除此之外，由于不需采用OCA贴合，其制造成本也明显低于super AMOLED技术。

图10 OGS贴附圆偏光片的膜层结构对环境光的反射Fig．10Inner reflection of OGS with circular polarizer

5 结论

本文从触控显示模组的结构入手，研究了触控显示模组对环境光的反射，结果表明:一般的触控显示模组具有10%以上的内部反射率，在强光环境下的可读性较低，而在当前几种触控显示模组的抗反射技术中，采用全贴合可将内部反射率降低到3．8%左右，super AMOLED和CBD技术可将内部反射率降低到2%以下，其都能够有效地提高产品在强光环境下的可读性。除此之外，在我们提出的两种新型结构中，改进的LCD触控显示模组，其上偏光片仅需改为贴附在触摸屏的内表面，因而具有非常低的成本，适合应用在采用LCD的触控显示模组上，其内部反射率可降低到4．5%左右，在强光环境下也具有良好的可读性;而改进OLED触控显示模组，其不仅利用了OGS电容触摸屏超薄的优点，具有更低的厚度，成本也低于当前的super AMOLED，其内部反射率约为1．8%，在强光环境下具有极好的可读性。

［1］Feland J，赵立晴．触摸未来:投射电容式触摸屏引领新市场［J］．现代显示，2009，4:15-18．Feland J，Zhao L Q．Touch the Future:Projected-capacitive touch screens Reach for new markets［J］．Advanced Display，2009，4:15-18．(in Chinese)

［2］孙杨，张永栋，朱燕林．单层ITO多点电容触摸屏的设计［J］．液晶与显示，2010，25(4):551-553．

Sun Y，Zhang Y D，Zhu Y L．Design of single layer ITO capacitive touch panel［J］．Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2010，25(4):551-553．(in Chinese)

［3］Herr B，Blake J，Paynton R，等．触摸屏的光学增强与EMI屏蔽［J］．现代显示，2011，22:18-22．Herr B，Blake J，Paynton R，et al．Optical enhancement and EMI shielding for touch screens［J］．Advanced Display，2011，22:18-22．(in Chinese)

［4］金海刚，林寿一，金度亨．有机发光二极管显示器用的染料系圆偏光片:中国，ZL200610103960．6［P］．2008-09-10．

Kim H K，Lim S I，Kim D H．Dye based circularly polarizing film for organic light emitting diodes:Chinese，ZL200610103960．6［P］．2008-09-10．(in Chinese)

［5］李志成，钟平洪，陈升东，等．一种触摸屏和平板显示模块一体化组合模块及其制作方法:中国，ZL200910037587．2［P］．2009-08-12．

Li Z C，Zhong P H，Chen D S，et al．Touch screen and panel display module integrated combination module and method for producing the same:Chinese，200910037587．2［P］．2009-08-12．(in Chinese)

［6］金永大，崔锤炫，任忠烈，等．显示面板及制造具有触摸感应界面的显示面板的方法:中国，ZL200910140305．1［P］．2014-09-17．

Kim Y D，Choi J H，Im C H Y，et al．Display panel and method for manufacturing a display panel with touch sensing interface:Chinese，ZL200910140305．1［P］．2014-09-17．(In Chinese)

［7］Delaney I．Clear，black and super bright［EB/OL］．http://conversations．nokia．com/2012/02/02/clear-black-and-superbright/，2012-02-02．

［8］吴永俊，沈奕，吕岳敏，等．低反射型触控显示器件:中国，201110059270．6［P］．2012-12-05．

Wu Y J，Shen Y，Lv Y M，et al．Low-reflection type touch display device:Chinese，201110059270．6［P］．2012-12-05．(inChinese)

［9］吕岳敏，沈奕，李永忠，等．电容触摸屏及低厚度有机发光触控显示模组:中国，201220021318．4［P］．2012-09-12．

Lv Y M，Shen Y，Li Y Z，et al．Capacitive touch screen and low-thickness organic light-emitting touch display component patent:Chinese，201220021318．4［P］．2012-09-12．(in Chinese)

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

林钢(1977－)，男，广东汕头人，硕士，工程师，从事显示器件及触控器件的研究工作。E-mail:ganglin@goworldlcd．com

吕岳敏(1980－)，男，广东潮阳人，硕士，工程师，从事显示器件及触控器件的研究工作。

1007-2780(2015)04-0621-07

2014-12-15;

2015-01-15．

电容触摸式显示屏研究及产业化(No．2011912008)

*通信联系人，E-mail:ganglin@goworld-lcd．com

吴永俊(1967－)，男，广东揭阳人，硕士，高级工程师，从事显示器件及触控器件的研究工作。