1.2.1 触控显示技术的发展历程

触控屏源于20世纪60年代，是美国军方为军事用途而研制的。经过50多年的发展，触控屏现已得到广泛应用。2007年第一代iPhone手机拉开了智能手机触控显示时代的序幕。2010年，随着智能手机的爆发式增长和平板电脑的面世，电容式触控操作和高分辨率显示技术在智能移动终端上的核心地位得到认可。第一代iPad发布，使得触控屏在中大尺寸产品市场得以拓展。

1.触控技术从发明到产业化

1965年，约翰逊（E.A.Johnson）首次提出电容式触控屏的设想：屏幕的主体是一块复合的玻璃屏，内表面涂有一层ITO导电层，四个角落分布四个电极。当手指触碰到玻璃屏时，由于人体自带的电场，会令手指和玻璃内层的金属层形成一个电容，从而“吸走”该位置的少量电流。这个“泄漏”的电流是从四个电极流出来的，而且理论上流经不同电极的部分与手指到电极的距离成正比。通过控制器的精密计算，就可以准确地得到手指的位置。1967年，约翰逊制造了历史上第一块触控屏：手指点到哪里，屏幕就会在该处发出亮光，如图1-12（a）所示。

20世纪70年代，为了提高武器装备的自动化水平，美国科学家研制了一种方便控制的智能化瞄准调节器，该调节器能够通过手指触摸，调节显示器屏幕来控制其视野中的十字坐标位置。其采用的触控机制是电阻式触控技术。1970年，塞缪尔·赫斯特（Samuel Hurst）通过手工方式制造出了世界上第一台电阻式触控屏“AccuTouch”。1977年，摩托罗拉公司推出了第一款支持触摸笔输入的掌上电脑Palmpilot，标志着电阻式触控屏商业化的开始，如图1-12（b）所示。1982年，SamHurst与西门子合作，将电阻式触控技术应用于电视机。1996年，Palm公司凭借Pilot系列掌控PDA掌上电脑市场近十年，随后开始转向智能手机开发。1999年，摩托罗拉公司推出了第一款集成了电阻式触控屏的手机A6188，支持手写中文。

光学式触控显示和声波式触控显示的发展较早，但由于使用的限制，很长一段时间内并未得到充分的发展及应用。20世纪70年代，美国Carroll Touch公司最早商业性地开发了红外阵列式触控屏。这种显示屏把红外LED阵列置于显示屏的两个邻边，把光电二极管（PD）置于LED的对边。当LED开启时，光电二极管探测到LED的信号，当发生触摸动作时，系统会根据红外信号被阻断来识别触摸的位置。如图1-13（a）所示，1983年推出的惠普PC-150是最早的商用触屏电脑之一，屏幕上网格红外线可记录手指运动，但其感应器会堵塞灰尘，需要经常清洁。如图1-13（b）所示，1994年IBM公司推出了第一部智能手机“IBM西蒙（IBM Simon）”，该手机采用压力传感触控屏，可替代机械按键。

进入21世纪，带有触控屏的智能手机普遍流行，出现了诺基亚Symbian系统手机、微软Windows Mobile及索尼爱立信UIQ平台手机。2007年是触控屏发展的分水岭。当年3月，LG公司推出首款具有多点触控功能的电容式触控屏手机Parada。同年6月，苹果公司推出具有高分辨率和多点触控功能的电容式触控屏手机iPhone。随着智能手机的爆发式增长和平板电脑的面世，触控操作尤其是电容式触控操作在智能移动终端上确立了核心地位。第一代iPad发布使触控屏竞争扩展到中大尺寸领域。微软推出的Windows 7系统使家用计算机支持多点触控。

2.从外挂式触控到内嵌式触控

早期的触控显示模组将触控模块和显示模块分开，称为外挂式触控显示技术（Out-Cell）。外挂式触控显示技术对于盖板可视区（显示区域）以外的左右边框部分（非显示区域）都需要制作金属线路，同时金属线路要和显示区域的透明导电材料ITO搭界，从而组成一个完整的触控显示模组，因此触控屏左右边框需要一定的宽度来走线，导致边框较粗。另外，外挂式触控屏和手机机壳结合的主要方式为泡棉胶贴和点胶，其中点胶对于边框要求一般比泡棉胶的小，没有良好的一体化体验。如图1-14所示，早期的触控显示模组使用GG（Glass-Glass）触控屏方案，后来触控模块为了优化GG感应结构，推出GFF（Glass-Film-Film）、G1F（Glass-Film）、OGS（One Glass Solution）等触控屏方案。其中，GFF、G1F均需要使用铟锡氧化物ITO膜；GG则是在玻璃衬底上，使用溅射镀膜方式涂布ITO图案，达到如同GFF、G1F的ITO薄膜感应效果。

使用外挂式触控技术，研究者大多把轻薄化设计着眼于电路载板、元件上面，或使用高效能的锂聚合物电池进行产品厚度改善，但实际上通过改善元件厚度与载板优化能改善的轻薄化设计已相当有限，移动设备开发商需要开发更积极的产品轻薄化设计方案。解决方案是将触控屏感测功能集成到盖板上或内置于显示屏中，分别形成OGS触控显示技术和On-Cell/In-Cell触控显示技术。整合型触控显示技术的发展历程如图1-15所示，其中出现过各种各样的技术类型，均为将触控感测电极的位置进行简单更换。

OGS技术由于减少了一块衬底玻璃的使用，结构更为轻薄、透光性更好。由于省掉一片衬底玻璃和一道贴合工序，利于降低生产成本、提高产品良率。但是，该技术面临在感测电极的工艺选择、兼容盖板玻璃时的强度保持与质量稳定性、控制芯片的调校等问题，量产厂商较少。

On-Cell是指将触控屏嵌入LCD的彩色滤光片基板和偏光片之间的技术，即在显示屏上配触控感测电极。在OLED中，触控感测电极一般在偏光片和封装层之间，相比In-Cell技术难度降低不少，有利于提高合格率。On-Cell多应用于三星AMOLED产品上，致力于解决技术上轻薄化、触控时产生的颜色不均等问题。三星在On-Cell技术上的成果有YOUM（柔性主动有机发光显示器）、AP1S（过渡方案）、Youm On-Cell Touch AMOLED（Y-OCTA）等。另外，Cambrios公司提出的FF和F2超薄触控叠构，更是为这项技术提供了一个可行的解决方向。

In-Cell结构将触控感测电极嵌入液晶像素中，需要在TFT阵列基板上的像素内部嵌入触控感测功能。为此，必须使用复杂的半导体制造工艺，影响成品率。另外，在像素内嵌入触控感测电极，会降低像素开口率，影响画质。根据触控感测电极中驱动电极（Tx）与接收电极（Rx）放在显示屏中的位置不同，得到了混合式In-Cell、单电极式In-Cell结构、掩膜节省式In-Cell结构等。其中索尼的混合式In-Cell技术（Hybrid In-Cell）同苹果的互电容式In-Cell技术相比，区别主要在于前者的驱动电极在显示屏内部，接收电极在显示屏外部，而后者的驱动电极与接收电极都在显示屏内部。基于互电容式In-Cell结构的iPhone 5，直接将触摸感应驱动电路嵌入LCD显示屏的TFT基板上，使iPhone 5的厚度压缩到了7.6mm，比上一代iPhone手机薄了18%。

从GF2、GG等外挂式触控屏技术到OGS、In-Cell等整合型触控屏技术，触控显示模组的集成度更高，产品更为轻薄。表1-2给出了GF2、GG、OGS、In-Cell四种典型触控屏的性能比较。

3.从单点触控到多点触控

多点触控是在同一显示界面上的多点或多用户的交互操作模式。用户可通过双手进行单点触控，也可以通过单击、双击、平移、按压、滚动及旋转等不同手势触控屏幕，从而更好、更全面地了解对象的相关特征。触控显示技术的产业化发展路线是，从最早的点阵式红外式触控技术，到单点触控的电阻式触控技术，再到目前流行的多点触控的电容式触控技术。

多点触控技术始于1982年，多伦多大学发明感应食指指压的多点触控屏幕，贝尔实验室发表首份探讨触控技术的学术文献。1984年，贝尔实验室研制出一种能够以多于一只手控制改变画面的触控屏。1991年，Pierre Wellner对多点触控的“数码服务台”，即支持多手指的提案，研制出一种名为数码桌面的触控屏技术，允许使用者同时以多个指头触控及拉动触控屏上的影像。1999年，“约翰埃利亚斯”和“鲁尼韦斯特曼”生产的多点触控产品包括iGesture板和多点触控键盘。2006年，纽约大学的Jefferson Y Han开发支持多人同时操作的45英寸触控屏，同时利用多只手指在屏幕上划出多根线条，同时有多个触控热点得到响应，响应时间小于0.1s。

2007年，苹果公司通过投射式电容技术实现多点触控功能，令该技术开始进入主流应用。此后，多点触控技术从开始的仅可以实现两指缩放、三指滚动及四指拨移，发展到能够支持5点以上的触控识别和多重输入方式。多点触控技术将向实现更细致的屏幕物件操控和更具自由度的方向发展。

4.从框贴发展为全贴合

全贴合触控显示模组是将保护玻璃（盖板）、触控屏、显示屏以无缝隙的方式完全粘贴在一起，省略掉了显示屏与触控屏间存在的空气层，使屏幕厚度变得更加薄。同时，减小了进灰概率，画面更加通透，让视觉效果完美呈现，看起来就更美观。

目前触控屏贴合工艺主要有全贴和框贴两种，两者的比较见表1-3。框贴是用泡棉将盖板与感测电极层或显示模组贴合在一起，工艺简单、良率高，但是因为存在两个反射界面的问题，所以总体透光率较低。该种工艺贴合的产品透光率相对较低、防水和防尘性能也较差。全贴主要用光学透明树脂（Optical Clear Resin, OCR）/光学透明胶带（Optical Clear Adhesve, OCA）将盖板与感测电极层或显示模组整面贴合在一起，全贴产品通透性更好，但成本相对较高，工艺比较复杂。