一場(chǎng)革命正悄然發(fā)生于投射式電容觸屏市場(chǎng)。隨著行業(yè)的飛速發(fā)展，更薄、性能更高、更具可靠性且成本更低的觸屏正在被生產(chǎn)出來(lái)。這些發(fā)展背后的推動(dòng)因素是，素來(lái)被選為手機(jī)及平板觸屏材料的 ITO 具有局限性，且正在被替代材料所取代。 ITO 從未被廣泛應(yīng)用于大型 AV 屏與kiosk 一體機(jī)中，但一些開發(fā)中的技術(shù)即將取代它。
使用者應(yīng)對(duì)其所選觸屏提供的基礎(chǔ)材料有一個(gè)徹底的了解，因?yàn)檫@些材料會(huì)引起外觀以及最重要的行業(yè)性能等方面的重大差異。在一種應(yīng)用中行之有效的技術(shù)可能會(huì)在另一種應(yīng)用中受到嚴(yán)重限制。本文旨在通過(guò)介紹六種主要的替代材料、分析它們各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，幫助定制者做出知情選擇。筆者將首先介紹為何 ITO 已在某些應(yīng)用中停用，然后將分析替代材料。
為何放棄 ITO？
投影式電容觸摸技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一在于將觸屏集成到LCD面板本身（“in cell” 技術(shù)），無(wú)需使用單獨(dú)的觸摸屏（離散觸摸屏）。做到這一點(diǎn)后，就可以生產(chǎn)出更容易集成、更薄、更輕的觸摸式設(shè)備。還能減小 LCD 與用戶之間的距離和層數(shù)，從而提升光學(xué)性能與亮度。
然而，由于 “in cell” 觸屏的制造方法尚在發(fā)展與改進(jìn)中，它們還未被廣泛應(yīng)用于行業(yè)內(nèi)。因此，采用 ITO 導(dǎo)體的離散投影式觸摸屏仍為主流技術(shù)，至少在智能手機(jī)、平板和智能可穿戴設(shè)備等小型手持式消費(fèi)類電子設(shè)備中仍是如此。但是，當(dāng)顯示屏尺寸超過(guò)約 20 英寸時(shí)， ITO 的缺點(diǎn)就會(huì)被顯現(xiàn)出來(lái)，因?yàn)樗鄬?duì)較高的電阻會(huì)影響性能，而且不適合應(yīng)用于某些用途。
哪些導(dǎo)電材料適用于尺寸更大的觸屏呢？目前有三種最前沿的主要材料技術(shù)：銅微線 (Copper Micro Wires) 、銀金屬網(wǎng)格 (Silver Metal Mesh) 和銀納米線 (Silver Nanowires) ，除此之外，還有另外三種技術(shù)：碳納米管 (Carbon Nanobuds) 、導(dǎo)電聚合物 (Conductive Polymers) 和石墨烯(Graphene) 。它們都處于開發(fā)初期并可能在未來(lái)幾年面市。本文將探討前五種材料技術(shù)的四個(gè)主要參數(shù)：經(jīng)濟(jì)性、電阻、可見度和可用性；還會(huì)探討處于開發(fā)初期且尚未上市的石墨烯。
經(jīng)濟(jì)性
考慮觸屏成本的關(guān)鍵問(wèn)題包括初始的模具加工成本以及持續(xù)的材料要求等。無(wú)需開光罩、可直接寫入基板材料的技術(shù)，基本無(wú)需加工，并能以更低的成本進(jìn)行小批量生產(chǎn)。如需用到開光罩或其他加工，那么這限制了靈活、小批量地生產(chǎn)不同尺寸觸摸屏的能力，但卻有可能減少標(biāo)準(zhǔn)尺寸的大批量生產(chǎn)。
在加工方面，銅微線的延展性頗具優(yōu)勢(shì)。其電極可直接寫入基板，無(wú)需激光、開光罩/化學(xué)物質(zhì)/蝕刻或加工。可通過(guò)激光燒蝕對(duì)銀納米線進(jìn)行一定程度的定制，但之后需要額外的處理以將邊界處的導(dǎo)體連接至控制器。通過(guò)網(wǎng)版印刷應(yīng)用導(dǎo)電聚合物也相對(duì)簡(jiǎn)單，但必須在絲網(wǎng)印刷階段或在蝕刻、激光處理之后再作制作圖樣 (Pattern) 。
相比之下，銀金屬網(wǎng)格材料是在源頭制作圖樣，因此須提前指定傳感器尺寸。這會(huì)為每款傳感器設(shè)計(jì)帶來(lái) 1萬(wàn)到 2 萬(wàn)美元的加工費(fèi)用，具體取決于屏幕尺寸。碳納米管的沉積過(guò)程較為復(fù)雜，需使用納米管反應(yīng)器 (NanoBud Reactor) ，然后再使用激光制圖過(guò)程來(lái)制作電極。
影響制造成本的另一個(gè)關(guān)鍵因素在于所需層數(shù)。銅微線可以進(jìn)行絕緣處理，從而在單層中形成x 、 y 電極。封裝絕緣還能防止材料氧化；若是暴露于高溫、高濕度的場(chǎng)地，這會(huì)大大降低觸屏性能。銀納米線、金屬網(wǎng)格和導(dǎo)電聚合物傳感器的構(gòu)造通常需要兩層或更多層來(lái)絕緣 (x 和 y) 導(dǎo)體，從而在單層設(shè)計(jì)上增加材料含量。碳納米管也是一種兩層技術(shù)。此外，還需格外留意以防止水分進(jìn)入材料，這可能會(huì)導(dǎo)致上述氧化問(wèn)題和觸屏故障。
電阻值
電阻值是觸摸屏決定觸摸靈敏度或“信噪比” (SNR) 的關(guān)鍵因素。較高的電阻材料會(huì)限制流過(guò)導(dǎo)體的電流量，因而更加難以正確地找出由顯示屏、電源或其他周邊電子器件的周圍環(huán)境干擾(EMI) 所造成的觸摸事件。這種電阻材料顯然更容易為大尺寸觸屏帶來(lái)問(wèn)題，尤其是涉及多點(diǎn)觸控、防誤觸和近感探測(cè)(在手指真正接觸屏幕時(shí)識(shí)別觸控)等功能時(shí)。
如上所述，由于相對(duì)較高的電阻值，每平方約 100 Ω ，ITO 通常僅用于小尺寸觸屏；因此，使用這種材料的大多數(shù)觸摸屏都小于約 22”，若超出此尺寸將受到明顯的性能限制。 銀納米線的電阻值低于 ITO (每平方 PET 薄膜基材約 30-50 Ω) 。因此，使用此技術(shù)的投影式電容觸控傳感器可生產(chǎn)到大約 42” （超過(guò)該尺寸仍將限制觸控性能）。 銀金屬網(wǎng)格的電阻值更低，每平方約為 15 Ω至 30 Ω ，可用于尺寸最大約為 65” 的觸摸屏。 銅微線的電阻值最低，每平方約 5 Ω 或更低，可用于制造尺寸遠(yuǎn)大于 100” 的巨大觸摸屏。此外，極低的電阻值能帶來(lái)最佳的信噪比，使觸屏能通過(guò)非常厚的覆蓋玻璃，甚至手套檢測(cè)觸摸，且無(wú)須在高電壓下驅(qū)動(dòng)電子裝置或使用多個(gè)連接控制器來(lái)平鋪屏幕（替代材料使用這兩種巧妙方法來(lái)實(shí)現(xiàn)大尺寸觸屏）。
22” 金屬網(wǎng)格與多點(diǎn)觸控設(shè)計(jì)相重疊，以供比較
可見度
所有離散面板投影式電容觸控技術(shù)皆涉及在用戶與屏幕之間引入一些材料元件，這會(huì)產(chǎn)生一定的光學(xué)差異，但對(duì)圖像的影響不大。 通過(guò)銅微線技術(shù)產(chǎn)生的 10um 導(dǎo)體網(wǎng)格是可見的，尤其是當(dāng)顯示器關(guān)閉時(shí)。這代表著優(yōu)秀的透光性，并在任何抗反射處理前處于 90% 的范圍內(nèi)。相反，銀納米線和銀金屬網(wǎng)格技術(shù)能產(chǎn)生可見度略低的導(dǎo)電軌道（ 5-10um 范圍內(nèi)的金屬網(wǎng)格），但納米線和導(dǎo)電聚合物涂層會(huì)在整個(gè)屏幕上產(chǎn)生輕微偏色或霧度，以及約為 85% 的透光率。
22” Zytronic 多點(diǎn)觸摸 10um 線設(shè)計(jì)
可用性和壽命
銅微線觸控傳感器已由少數(shù)專業(yè)制造商生產(chǎn)近 20 年，是一項(xiàng)適用于大尺寸觸摸屏以及最嚴(yán)苛環(huán)境的成熟技術(shù)。在過(guò)去幾年中，基于銀金屬網(wǎng)格和納米線的觸控技術(shù)已迅速成為主流，許多制造商已安裝必要的印刷及激光制圖設(shè)備。這兩種技術(shù)在觸屏行業(yè)相對(duì)新奇，意味著它們的長(zhǎng)期可靠性尚未得以證實(shí)——尤其是暴露于戶外應(yīng)用等嚴(yán)苛的溫度及濕度時(shí)，其電阻值（和觸控性能）的變化尚未得到驗(yàn)證。
22” 金屬網(wǎng)格 4um 設(shè)計(jì)
石墨烯
一種可能會(huì)改變游戲規(guī)則的新觸屏技術(shù)即將以石墨烯的形式到來(lái)。自 2004 年石墨烯首次被發(fā)現(xiàn)于曼徹斯特大學(xué)之后，業(yè)界陸續(xù)有關(guān)于其強(qiáng)度、透明性和導(dǎo)電性的可喜成果發(fā)布，但相關(guān)開發(fā)仍處于初級(jí)階段。 石墨烯沉積為原子厚度的碳層，將相似的低電阻結(jié)合到銅微線，具有“不可見”導(dǎo)體的電位。不過(guò)，雖然石墨烯有潛力成為投影式電容觸摸屏的適用材料，但這種激動(dòng)人心的新技術(shù)還適合許多其他用途，例如水質(zhì)凈化、電池和太陽(yáng)能電池等，而且大多數(shù)開發(fā)商目前仍側(cè)重于這些方面，在開發(fā)路線圖上很少將其用于觸摸屏。
宏觀遠(yuǎn)景
總之，投影式電容觸屏并不具備“完美的”導(dǎo)電材料，工程師應(yīng)不斷尋找兼顧性能、光學(xué)、耐用性、可擴(kuò)展性和可靠性的最佳組合，以適應(yīng)觸屏應(yīng)用。 手機(jī)及平板電腦觸摸屏在全球市場(chǎng)占有的份額已令商業(yè) AV 屏市場(chǎng)望塵莫及——一條參考信息是， Touch Display Research Inc. 公司估計(jì)， ITO 替代市場(chǎng)將于 2023 年前達(dá)到 130 億美元。因此，新型觸屏材料的開發(fā)將不可避免地專注于這一巨大市場(chǎng)，但相關(guān)投資勢(shì)必會(huì)給商業(yè)與工業(yè)市場(chǎng)帶來(lái)諸多好處。