然而，市場對於產品要求之嚴苛，恐怕超出了實驗室所有的應用模擬。從2018年底柔宇推出外折的手機“柔派”起，到三星推出Galaxy Fold，折疊手機面板的可靠度一直都受到市場質疑(圖1)，導致各大手機廠要不重新設計，要不縮小上市規模，藉以爭取更多的研發時間來改善已經浮現的問題。一年過去了，手機廠在2020年初發表捲土重來的折疊手機，期待以新的概念與新的解決方案，重新為手機市場打開一條血路。
軟性OLED顯示技術在2013年三星推出Galaxy Round，以聚醯亞胺(Polyimide, PI)取代玻璃基板以後逐漸成熟，後續推出的Galaxy Edge系列都採用軟性OLED面板。
不過，光有軟性顯示面板還不足以建構一個折疊手機顯示屏幕；折疊顯示模組除了面板外，尚包括觸控、圓偏光片(Circular Polarizer)，蓋板(Cover Window)等元件，這些元件都必須要滿足可折疊的功能需求。其中，最大的挑戰還是來自蓋板，蓋板承載著防刮、耐磨、防眩光、抗反射、抗汙等功能。
過去使用玻璃蓋板，這些功能都可以輕易達成，只是玻璃無法達到小曲率半徑折疊要求，因此只能從軟性高分子材料中尋找能達到20萬次以上小半徑撓曲的材料，其中無色聚醯亞胺材料(Colorless Polyimide, CPI)玻璃轉化溫度高，具有動態撓曲(Dynamic Bending)、靜態撓曲(Static Bending)的安定性，符合蓋板材料折疊需求。
然而，CPI材質表面不耐刮，需要再經過表面可撓硬膜塗層來達到防刮的目的。筆者去年即提到，從材料應用的角度來看，符合軟性可折疊、高透光、耐磨刮特性的高分子材料應用，折疊手機面板應用恐怕是第一個，其可靠性有待實際應用的考驗。果不其然，2019年的許多失效案例與模組的蓋板有關，因此，手機廠持續針對蓋板可靠度問題，提出解決方案，期待新產品能有所改善。
2020年，市面上銷售的折疊手機廠商中柔宇沒有推出新機，新加入的摩托羅拉推出貝殼機Razr，巧的是，三星也推出背蓋式的Galaxy Z Flip，有志一同的打輕巧訴求；華為則推出Mate Xs，算是Mate X的小改版，其面板規格整理如表1。
第二代折疊手機在行銷上都特別強調折疊蓋板的先進性，以扭轉市場對手機可靠度不佳的印象。三星宣稱採用先進的超薄玻璃(Ultra Thin Glass, UTG)材質，而華為則強調用了雙層比黃金還貴的CPI，撥開廣告詞句，其實兩者都試圖強調產品在折疊蓋板上有了極大的改善，至於改善得如何，則仍然有待市場考驗。
軟性蓋板技術挑戰大
手機蓋板是手機與外部接觸的部位，承擔影像呈現、觸控訊號輸入與保護面板模組的功能，這些功能所代表的技術需求，包含高光穿透率、低霧度、抗反光、抗眩光、抗汙等光學特性，以及防刮、耐磨、抗衝擊等機械特性；對折疊手機的蓋板來說，必須再加上包括動態折疊與靜態折疊的可撓特性，也就是說軟性蓋板材料既要硬得可以耐磨刮，又要軟的可以耐折曲，這些互相扞格特性需求在材料學上是極大的挑戰(圖2)。
玻璃一直以來都是手機蓋板的主要材料，能夠輕易滿足光學性與機械性功能需求。然而，玻璃基本分子結構是如圖3所示的矽酸鹽，這種結構註定玻璃材料易碎的特性，當然，玻璃材料的成分多少會影響其脆性，但是，大體而言，相較於金屬或是塑膠，玻璃材料在微小的應變下即產生極大的應力而破碎如圖4(1)所示。
因此玻璃機械強度雖強，但是可撓性(Flexibility)不佳。降低玻璃的厚度有助於增加玻璃的可撓性，以康寧Willow玻璃為例，厚度50μm就比500μm更能承受彎曲半徑較小的折疊如圖5(1)所示。
同樣的道理，在相同的彎曲半徑下，當玻璃變薄時，薄玻璃彎曲破裂的機率比厚玻璃低很多，如圖6(1)所示。然而，令人沮喪的是，即使玻璃厚度小於100μm，在彎曲到10毫米時，康寧Willow玻璃材料破裂的機率仍高於50%，這對於折疊手機來說，面臨設計上的挑戰，因為，當折疊手機以輕薄為設計訴求時，其折疊半徑要求到5毫米以下，內折時更要求到3毫米以下的工程規格，故折疊蓋板是對玻璃材質來說一個非常大的挑戰。
當全世界玻璃大廠都在努力解決可折疊玻璃之際，面板廠將目光移到了可撓性較佳的高分子材料，長鏈狀高分子結構的彈性變形能力可滿足可撓性的需求。
具有高光穿透度、低霧度等良好光學特性的高分子材料很多，如聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate, PET)、環烯烴聚合物(Cyclo Olefin Polymer ,COP)等，只是這些材料的玻璃轉化溫度(Glass Transition Temperature, Tg)不高，在長時間的動態撓曲下，容易在受力處產生分子結構變化，進而產生折痕或破壞。若以玻璃轉化溫度作為材料承受動態撓曲的能力指標，由圖7高分子材料玻璃轉化溫度圖可以看出，PI玻璃轉化溫度高，是折疊蓋板適合的材料，這也是為什麼第一代的折疊手機都以PI作為蓋板材料的重要原因。
無色PI與軟性硬膜塗層關鍵技術
PI薄膜從1965年商品化以來，以其優異的高溫、絕緣、防火、與耐輻照等特性，在電子產業應用中建立了重要地位，而被譽為「黃金薄膜(圖8)」。
PI由於聯苯環的分子結構造成局部光譜吸收，而呈現黃色的特性，一般透光率低，無法作為顯示屏幕蓋板使用。透過特殊分子單體結構設計，破壞聯苯環的共平面性，會使材料吸光譜範圍往藍色移動，得到高透光的聚醯亞胺材料稱為無色PI(Colorless PI, CPI)，CPI除了光學特性能夠滿足折疊蓋板需求外，高玻璃轉化溫度的特性也能確保材料在動態與靜態折疊後結構不至於改變，避免出現折痕。表2為應用於折疊蓋板CPI的規格需求。
然而CPI材質表面柔軟，耐刮傷的能力薄弱，因此必須在CPI表面建立一個特殊塗層，塗層要有耐20萬次以上折疊能力，且具有耐刮的表面硬度，此特殊塗層是CPI能夠應用到折疊蓋板的重要關鍵。
“既柔軟、可折疊、又要硬得可耐刮”是材料設計的挑戰，柔軟材料一般大都是鍵結比較鬆散的長鏈高分子材料如聚氨酯(Ploy Urethane, PU)，而硬質材料大都是具鍵結緊密的無機材料如氧化矽等，若能將硬質與軟質材料結合，就有機會開發出“既柔軟、可折疊、又要硬得可耐刮”的塗層。
如韓國KAIST以比較硬的矽氧烷(Siloxane)為核心，柔軟的高分子如PU為基底，開發出一系列表面鉛筆硬度達9H的軟性塗料稱為Flex9H，經過1,000次鋼絲絨磨刮測試可以看出有無塗布Flex9H的PET膜，在表面外觀極大的差異如圖9(2)所示。
有了柔軟且高表面硬度塗料的技術突破，使折疊蓋板採用CPI材料露出了曙光，2019年第一代折疊手機即以硬化表面塗層的CPI為蓋板材料。然而，這個解決方案的表面耐磨刮能力似乎仍有很大的改善空間。圖10為著名的Youtuber：JerryRigEverything，針對柔宇手機與三星Galaxy Fold做刮痕測試，結果顯示手機CPI軟性蓋板硬度約為莫氏硬度2~3之間，以指甲即能產生明顯的刮痕。
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有鑒於客戶對第一代折疊手機軟性蓋板的耐用性有所質疑，因此，手機廠與面板廠均投入許多研發，開發新的解決方案，2020年華為推出的新折疊手機Mate Xs強調用雙層CPI蓋板，號稱強度可增加80%，而三星則推出Galaxy Z Flip強調以超薄玻璃作為折疊手機蓋板解決方案，一時之間，市場也期待可折疊的超薄玻璃能帶來過去玻璃蓋板堅固的感受。
超薄玻璃關鍵技術
大部分材料，降低厚度就能夠顯現出柔軟的特性，正如前面所述，薄玻璃也可具有彎曲折疊的特性，然而，具挑戰的是，折疊手機對於彎折曲率半徑的要求遠超出目前常用玻璃厚度所能承受的極限，若手機面板以內折設計，彎折的曲率半徑目前已要求到1.5毫米以下，對玻璃來說已經不是單純薄化就可以達到的挑戰。要增加玻璃的可撓性，首先可從調整玻璃的成分著手，在矽酸鹽結構中，引入其他不同大小的原子可以改變玻璃的機械特性，若以Knap所提出以彈性模量與抗張強度來表示脆性，其公式為：Bk=E/σt，其中Bk為脆性指數；E為彈性係數；σt為抗張強度，不同成分玻璃的脆性指數如表3所示。
由表3可以看出，以二氧化矽為主的石英玻璃脆性指數最高，平面顯示器常用的硼矽酸鹽玻璃脆性指數較低，因此，應用於折疊手機蓋板的玻璃，硼矽酸鹽玻璃是比較好的選擇。
超薄玻璃的生產包括玻璃成型、薄化工程與強化工程三大部分。若玻璃在成型可以做到非常薄，則薄化工程的壓力便小一點，甚至可以省略薄化工程，反之若無法在成型時生產極薄的材料，則薄化工程就要承擔更大的壓力。
玻璃變薄以後，機械強度大幅降低，需以玻璃強化來弭補，強化製程是超薄玻璃應用於折疊蓋板的必要手段，因此互相搭配與工藝優化的“玻璃成型/薄化/強化”是超薄玻璃能否有效率生產的關鍵。高強度，具可撓性的超薄玻璃製造非常困難與複雜，各大玻璃廠的研發都列為最高機密，外人難以窺視其工藝細節，然而從各大玻璃廠所建立基礎工藝與其展示的樣品大致可以瞭解其技術走向。目前具有超薄玻璃技術並展示樣品的國際大廠如下：
日本旭硝子
採用將高溫熔融的液態玻璃流延到液態錫面上，稱為浮法成型(Floating)，浮法成型的玻璃較厚，常需要搭配研磨的方式將玻璃薄化。2014年旭硝子展示厚度僅50μm捲繞式的超薄玻璃稱為Spool，如圖11所示。
美國康寧
採用溢流熔融成型(Overflow Fusion)，將熔融玻璃流入溢流槽，往槽兩側溢出(圖12)，並在玻璃被下拉的同時會合形成玻璃基板。康寧超薄玻璃Willow發展已經非常成熟，厚度100與200μm的卷材已經是販賣的商品。
日本電氣硝子
也是採用溢流熔融成型，其30μm的超薄玻璃材料，稱為G-leaf。
德國Schott
採用熔融下拉法(Fusion Down Draw)技術，將熔融的玻璃往下拉引成型，此法的表面粗糙度達0.5nm 以下，最薄產品可達30μm稱為Epic Flex，如圖13所示。Schott 研究超薄玻璃超過25年了，筆者1996參與場發射顯示技術(Field Emission Display, FED)開發時，Schott 便提供超薄玻璃給我做真空間隔材料，可見他們對超薄玻璃開發的執著，從三星不否認Schott是超薄玻璃供應商看來，新一代三星的折疊手機採用Schott超薄玻璃的機會很高，從這裡也可以看出該公司在超薄玻璃的技術實力。
超薄玻璃製造工藝經過長期的研發，100μm以下製造技術日臻成熟。然而，玻璃機械強度與厚度有密切關係如圖14所示，玻璃厚度下降，機械強度隨之降低。超薄玻璃應用於折疊蓋板非常在意的是耐衝擊的能力，當玻璃蓋板受到衝擊破碎，飛濺碎片若造成傷害，對手機廠來說，必定是一場災難。所幸，玻璃強化技術在觸控面板的應用已經非常成熟，正好可以解決超薄玻璃機械強度不足的問題。
若按化學鍵強來計算，玻璃的抗灣強度可達100 GPa，但實際上，玻璃的強度與理論值相差甚遠，許多學者認為是表面缺陷所致，因此，通過強化的方式，在表面形成深度的壓應力層，便能消除或抑制表面微裂的生成與擴展，進而增加玻璃的強度。玻璃強化的技術有高溫驟冷玻璃強化與表面離子交換化學強化兩種，目前化學強化的技術廣泛的應用於觸控玻璃與手機蓋板。
化學強化是以離子交換的方法，將原子體積較大的鉀離子取代原本體積較小的鈉離子，這樣便能在玻璃表面建立一定程度的預壓應力狀態，進而增加玻璃的強度。如圖15所示。
隨著觸控面板與手機蓋板對玻璃材質特性的需求，玻璃也由鈉鈣玻璃、鋁矽玻璃、磷鋁矽玻璃、發展到鋰鋁矽玻璃，這幾種玻璃因為材料組成不同，化學強化的工藝也有所差異。
鈉鈣玻璃因為帶有淡淡的綠色，一般也稱為青玻璃，其組成SiO2大約70%~75%，R2O約13%~15%，CaO約7%~12%，從組成就可以看出鈉鈣玻璃骨幹網路結構是由大量的矽氧四面體所組成，結構緻密完整，不利於鈉離子與鉀離子的交換，故鈉鈣玻璃在400~450℃，KNO3鹽浴中8~12小時的化學強化條件下，應力層深度最高只能做到20μm，表面壓應力一般落在470~630MPa，化學強化效率不高。
鋁矽玻璃是改善鈉鈣玻璃鈉離子與鉀離子交換不易的弱點而進行的成分調整。相對於鈉鈣玻璃，將氧化鈣的成分降低或是去除，並且引進Al2O3而形成[AlO4]的四面體結構，[AlO4]除了可以增加玻璃的強度外，因為其體積比原來矽氧四面體大，有利於鈉離子與鉀離子的交換，化學強化以後能夠獲取更深的硬化深度與更高的表面應壓力，進而獲得更高的抗破壞強度。
一般而言Al2O3在5%以下為低鋁玻璃，5%~10%為中鋁玻璃，10%以上稱為高鋁玻璃，更高的Al2O3意味著更大的網路結構有利於鈉離子與鉀離子的交換，產生應壓力的強度與深度遠遠超過鈉鈣玻璃，這也是康寧Gorilla代代發展的趨勢，Gorilla成分中，Al2O3的含量從第一代13%逐步發展到第四代已達23%。
基於更大的網路結構有利於離子的交換的理念，在玻璃組成中加入原子體積更大的P型成[PO4]結構能形成更高更深的應壓力層，這便是磷鋁矽玻璃的由來。事實也證明磷鋁矽玻璃的化學強化深度可高達80μm，是高鋁矽玻璃的一倍。然而，由於加入大量P2O5的結果使SiO2的成分相對降低，導致整體磷鋁矽玻璃的機械強度反倒不如高鋁矽玻璃，當鋰鋁矽玻璃因為可以做二次強化的特性而席捲市場後，磷鋁矽玻璃就黯然退場了。
鋰鋁矽玻璃是康寧在2016年推出的第五代Gorilla，其成分組成與高鋁矽玻璃相近，所不同的是引入較大量的鋰與鈉，以利於後續做Na+-Li+與K+-Na+二次離子交換的化學強化，而形成複合壓應力層。化學強化第一次是將鋰鋁矽玻璃在30%以上的NaNO3混合融鹽中進行鈉離子與鋰離子交換，由於鋰離子較小，容易在玻璃網路中移動，因此可以得到大於120μm深度的應力層，第二次化學強化則在KNO3混合融鹽中進行鉀離子與鈉離子的二次交換，以獲取較高的表面壓應力，這種複合壓應力層的離子交換過程如圖16所示。
在超薄玻璃的基礎上進行化學強化以獲得高強度的軟性玻璃材料，為折疊蓋板的可行性帶來了曙光，市場也對新一代的折疊手機充滿了期待。
第二代折疊手機蓋板設計
2020年初，二代折疊手機以不同的形貌上市了，其中第一次推出折疊手機的摩托羅貝殼機Razr，強調其輕巧折疊特色，蓋板採用的是第一代CPI加硬化膜的設計，華為的Mate Xs則強調採用雙層CPI設計，宣稱強度可增加80%。推敲雙層CPI的目的可能是讓外層的硬化層能夠建立在較厚、機械強度較強的CPI上，以增加其表面硬度。不過筆者沒有實際看到產品，只能臆測其設計理念。至於三星Galaxy Z Flip則採用市場高度期待的超薄玻璃解決方案，三星還特別申請了商標如下圖17所示，顯示三星對其技術的自信與期待。
出人意料的是，三星採用超薄玻璃外部貼黏一層塑膠材料的解決方案，這也使大家期待手指能夠直接碰觸折疊玻璃蓋板的堅固感落空，外部貼黏的塑膠材質完全無法顯現出玻璃高穿透度、高硬度、耐刮痕的特性。
由國外Youtuber 拆機測試顯示，Galaxy Z Flip玻璃蓋板的表面硬度約為莫氏硬度2~3之間，如圖18所示，用指甲刮也可顯現出刮痕，物理特性表現與前一代Galaxy Fold相似，完全沒有大家期待玻璃特性顯現，的確令人有些失望。
貼附於超薄玻璃表面的塑膠材質顯然是具保護超薄玻璃的作用，一來可以吸收外來的撞擊力道以保護超薄玻璃，一來可防止蓋板玻璃破裂後玻璃碎片飛濺。其功能可以理解，但這貼附也把超薄玻璃的特性掩蓋掉了。至於貼附的塑膠材質，按三星答覆記者回應是與前一代手機相同材料，那就是有硬化塗層的CPI，網路則傳聞為保護貼的PET材質，筆者沒有近一步資料，不敢臆測，但是判斷採用一般的PET材質機會不高，因為PET質軟，玻璃轉化溫度低，恐怕無法承受20萬次的折疊考驗。
技術演進待市場考驗
經過數年的研發與兩代的產品，折疊手機的蓋板部分很顯然的仍然有待改善的空間，目前雙層CPI加硬化塗層與超薄玻璃加保護膜/硬化塗層兩個方案產品都在銷售中，至於哪個方案比較好，有賴市場的驗證。
(本文作者陳來成博士為艾圖雅科技總經理，專長為柔性光電與柔性顯示技術，在台灣光電業界有數十年資歷)
參考資料
1. S. Garner, et. al., “Flexible glass substrates for roll-to-roll manufacturing” October 25, 2011
2. Y. Kim, et. al,, “Transparent Urethane Siloxane Hybrid Material for Flexible Cover Window with Ceramic-like Strength, yet Polymer-like Modulus”, DOI: 10.1021/acsami.8b18141 •16 Nov 2018
3. J. Sehgal et. al. “Brittleness of glass”., Journal of Non-Crystalline Solids 253 (1999) 126-132
4. 折疊手機耐刮測試圖擷取網路Youtuber, JerryRigEverything所公佈: https://www.youtube.com/watch?v=bbAkY-Www40&t=578s
