六大關鍵挑戰待克服　智慧折疊手機發展鴨子划水

早期的採用者樂於接受市場推出的這類令人振奮的新技術(圖1)。但從業界廣泛觀點來看，哪一種手機設計才會嬴得消費者的歡心，又必須克服哪些科技和技術性障礙才可實現量產？

折疊手機挑戰眾多

在開發折疊手機或其他裝置時，有很多問題需要解決，包括電池壽命、外形因素、製造成本和價格。當然，最明顯和最困難的問題是開發出可支援經常彎折的顯示螢幕，因為使用者將在好幾年的時間內經常開合他們的裝置，以下內文將深入探討。

電池壽命

折疊式設計可能是減少電池壽命的一個主要原因，因為這類手機要為兩個顯示螢幕提供電池電力。

智慧型手機的電池容量通常是4,380mAh，視使用頻率而定可能可以待機兩天，但支援大於7吋的迷你平板螢幕運作需要更多的電力，同時折疊螢幕的開合以及螢幕之間的切換，也會消耗電力。因此，留給消費者的是更短的電池壽命，或更厚重的手機。

外型因素

智慧型手機的趨勢是螢幕越來越大，手機整體越來越薄，並且隨著採用OLED和電池技術的進步而具備愈來愈好的性能。但當口袋中的手機厚度變為原來習慣的兩倍，消費者是否會感到滿意是未來業者重要的設計考量。

成本和價格

根據OLED顯示器成本模型來看，標準的7.3 QHD OLED顯示螢幕的成本是50~35美元，觸控組件的成本是15美元。相較之下，折疊式7.3 WQHD OLED折疊顯示螢幕的成本是100~70美元，觸控模組的成本是25美元，觸控層和封裝的特殊材料占增加成本中的大部分。

另外，製程不成熟造成生產良率低，也是使成本增加的原因。標準智慧型手機 OLED顯示螢幕的良率是60~70%，而折疊螢幕的良率卻低於30%；此外，現在仍難以衡量消費者對折疊式行動裝置的接受度以及普及的程度。雖然初步預測顯示消費者有很強烈的興趣(圖2)，但初期銷售量卻很低，這顯示消費者對這類技術有高度的興趣，但從零售層面來看則抱持觀望態度。

挑戰彎曲極限

在彎曲問題上，目前還未開發出明確解決方案，但半導體產業正針對該問題進行大規模的研究。可彎曲折疊裝置必須採用柔性OLED技術，因為現行的LCD薄膜電晶體(TFT)無法適用在重複彎曲的裝置，基於相同原因，基板必須是聚醯亞胺，而不是玻璃。

另外，組成顯示螢幕的整體層堆疊必須超薄和非常堅固，整體厚度(包括OLED裝置)要小於1.0mm。需要的膜層包括：折疊基板上的TFT、覆蓋TFT的隔離層、隔離層上的OLED、基板上的封裝層、與封裝層結合的柔性觸控式螢幕面板，以及一層保持顯示膜的光學性質的硬塗層窗膜，(可能)使顯示螢幕表層可以抗刮、耐磨損和撞擊，手機彎曲時，所有這些膜層必須保持正常功能。

彎曲這種堆疊的多層膜時，堆疊中有個位置稱為中性軸或(中性彎曲面)，該處的應變力為零，找出中性面內的顯示模組位置可將應變和應力降到最小。這之所以這麼重要是因為在向內彎曲上的太多壓縮應力會導致屈曲和剝離，而過大的拉伸應力可能會導致破裂和剝離(圖3)。

雖然作為獨立的薄膜，顯示螢幕堆疊中的每個元件可以彎曲到相對較小的半徑(小於5mm)，但當元件黏合後彎曲時，機械應力在結合層之間傳遞，在堆疊的多層膜中出現拉伸和壓縮力，導致結合層的剝離和屈曲。

因此，工程師對黏合的方式進行改善，使堆疊膜層作為單獨的元件起作用，而不受相鄰膜層的約束。這是為了在顯示螢幕堆疊彎曲(特別是彎曲半徑小於5mm)時，可以防止機層的剝離和屈曲。

彎曲測試

彎曲測試也是實現折疊螢幕的重要步驟。對此，半導體設備業者如應用材料公司顯示及柔性技術事業群(DFT)的研發部門，便測試了聚二甲酸乙二醇酯(PEN)膜的薄膜封裝，以評估薄膜的可靠度，以及是否能夠保留原有特性來作為防止空氣和水氣侵入OLED材料的屏障。

低於1%的整體臨界應變目標是楊氏模數的一個函數，或定義材料中的應力和應變之間的關係，以及基板整體厚度(圖4)的機械特性。DFT事業群測試了堆疊在 50μm PEN基板上的多層薄膜封裝膜，這項測試包括在專門的彎曲測試機器(圖5)上，將基板以半徑2.5mm彎曲200,000 次。

在1%應變係數下初始結果顯示沒有明顯可見的裂痕，然後DFT事業群測試PEN薄膜，以1%應變為基準，探索各種不同PEN厚度薄膜可達到的最小彎曲半徑。125μm PEN基板可以彎曲到半徑6mm，而50μm可以彎曲到半徑2.5mm，15μm可以達到1mm的彎曲半徑(圖6)。

在彎曲測試之後，DFT事業群在溫度40℃、相對濕度100%之下測量水蒸氣透過率(WVTR)超過150個小時。實驗結果顯示達到1.89E-5g/m2/日WVTR，而這也證明了OLED的TFT，可以在完成200,000次彎曲測試之後，依然可以保持可靠的阻絕效能(圖7)。

皺摺挑戰仍待克服

當螢幕對半折疊時會產生皺摺，完全打開時使用者一定會看到皺摺。當前，產生皺摺是無可避免的，而且短期內沒有明確的解決方案。目前還不清楚，習慣於明亮的高解析度螢幕(圖8)的消費者是否會接納並不完美的折疊螢幕設備。皺摺上有個必須要解決的問題是，在顯示螢幕的邊框中形成的間隙，會讓異物進入顯示螢幕並使OLED材料劣化，縮短設備的整體壽命。

總結上述所說，克服技術問題、消費者對外形的接納程度、降低成本和如何將其定位於高階市場，這些都將是決定是否成功採用此新技術的重要因素。然而折疊手機不是即將到來，而是已經到來，而半導體設備業者如應用材料，正協助客戶將這類產品由可能變成現實。

(本文作者為應用材料公司顯示及柔性技術事業群產品行銷經理)