折疊手機
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?
圖1 折疊裝置類型
資料來源:Technobezz/itechfuture/mspoweruser/Forbes
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。
圖2 折疊OLED出貨預測
資料來源:IHS Market
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)。
圖3 彎曲測試失敗模式
資料來源:Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials,
Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015
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。
圖4 折疊基板的臨界應變公式
資料來源:Yves Leterrier, in Handbook...
折疊手機引爆新話題
雖然大家矚目的是手機功能的性價比,但從顯示面板發展的技術角度來看,關鍵性的零件「軟性OLED面板」技術的突破,是折疊手機能夠上市關鍵中的關鍵。軟性面板技術是液晶面板LCD與OLED爭奪市場的分水嶺,LCD由於光學特性的限制,無法做曲率半徑非常小的撓曲,因此OLED將以其可撓的特性在折疊手機應用勝出,並以此產品做基礎,逐步侵蝕LCD的市場,這個技術競爭,與當年LCD以筆記型電腦為產品基礎而將CRT擠出市場軌跡相仿。
OLED發展已近20年,以玻璃為基材的OLED技術,在三星的手機產品帶動下已經有一定的基礎,近年來,大陸在面板產業發展急起直追,LCD部分,產線已經來到10.5/11代,在OLED投入更是不遺餘力,規劃與興建中具有軟性OLED生產能力的生產線高達11條,顯示大陸對未來軟性OLED顯示發展的企圖心。因此,折疊手機的競爭除了是LCD與OLED的技術競爭外,背後也多少代表著韓國與大陸在軟性OLED技術的競爭。
表1是新聞發表的手機規格比較表,從折疊顯示屏幕的比較來看,這些屏幕在折疊方式、面板解析度有比較大的差異。FlexPai與Mate X採用的是外折方式,Galaxy Fold採用的是內折方式。兩者最大的差異在於面板在折疊處所受的應力大小,FlexPai跟Mate X的外折設計,其曲折半徑遠大於Galaxy Fold內折的半徑。當面板彎折,曲率半徑越小,則面板所受的應力越大,在這麼大的應力反覆彎折下,維持顯示器的光電特性不會衰減,在元件設計、材料選用上都是極大的挑戰,由此看來,Galaxy Fold的面板在可撓性上勝出。
面板解析度與製程能力有極大的關係,製程能力包括設備的能力與生產管理的能力。在OLED面板業,三星持續開發投入的時間最長,配合開發的設備廠也在三星帶領下累積豐富的經驗,這些都可呈現在解析度差異上。
外折設計還會面臨刮、磨的問題。過去玻璃蓋板承載著防刮、耐磨、甚至有防眩、抗反射、抗汙等功能,玻璃本身就非常硬,可以耐磨、耐刮,但改成可撓的塑膠蓋板後,耐磨、耐刮就面臨極大挑戰,外折設計,面板磨刮的機率高,因此面板蓋板的耐磨刮保護極為關鍵,從材料發展的角度來看,符合高柔性、高透光、耐磨刮特性的塑膠材料應用,外折疊的手機面板恐怕是第一個,因此,外折手機的產品耐用度,有待實際用戶的考驗。
綜觀軟性OLED在技術的難度,Galaxy Fold克服了內折小曲率彎曲的技術問題,並以內折設計來降低了耐磨刮的挑戰,而FlexPai選擇元件應力挑戰較寬鬆的大曲率彎曲外折設計,但磨刮問題則有待產品的市場考驗。
折疊手機是OLED與LCD技術發展的分水嶺,從產品的角度來看,折疊手機是否給用戶帶來全新的體驗見仁見智,但是從技術的角度來看,顯示器技術突破玻璃基材不可撓曲的特性,從折疊到卷曲的發展指日可待。
文|陳來成
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。