柔宇
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二代摺疊面板再突圍 軟性手機蓋板拼柔軟又耐刮
市場對於手機產品要求之嚴苛，恐怕超出了實驗室所有的應用模擬。從2018年底柔宇(Royole)推出外折的手機「柔派」起，到三星(Samsung)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。
圖1 第一代折疊手機面板可靠度受到市場質疑
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螢幕；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(Motorola)推出貝殼機Razr，巧的是，三星也推出背蓋式的Galaxy Z Flip，有志一同主打輕巧訴求；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，撇開廣告詞句，其實兩者都試圖強調產品在折疊蓋板上有極大的改善，至於改善得如何，則仍然有待市場考驗。
蓋板兼顧柔軟/可折疊/耐刮 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，又要軟得可以耐折曲，這些互相扞格的特性需求在材料學上是極大的挑戰(圖2)。
圖2 折疊蓋板是手機與外部接觸的部位承擔諸多互相扞格之特性需求
因此玻璃機械強度雖強，但是可撓性(Flexibility)不佳(圖3)。降低玻璃的厚度有助於增加玻璃的可撓性，以康寧(Corning)Willow玻璃為例，厚度50μm就比500μm更能承受彎曲半徑較小的折疊(圖4)。
圖3 施以微小的應變在玻璃上即產生極大的應力
圖4 薄玻璃可以承受較小的彎曲半徑
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(圖5)。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，該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，故折疊蓋板對玻璃材質來說是一個非常大的挑戰。
圖5 不同彎曲半徑，玻璃材料破裂之機率
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...
二代機捲土重來再掀話題 折疊手機蓋板效能為火紅要件
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。
圖1 第一代折疊手機面板可靠度受到市場質疑(圖片來源：https://www.gsmarena.com/)
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。
表1 市售第一代與第二代折疊手機規格比較表
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)。
圖2 折疊蓋板是手機與外部接觸的部位承擔諸多互相扞格之特性需求
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。
圖3 玻璃之矽酸鹽結構
圖4 施以微小的應變在玻璃上即產生極大的應力
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。
圖5 薄玻璃可以承受較小的彎曲半徑
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。
圖6 不同彎曲半徑，玻璃材料破裂之機率
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...
(更新)折疊手機是OLED與LCD的分水嶺
是不是需要折疊手機，在手機用戶的體驗上見仁見智，但是無疑的是折疊手機為OLED顯示技術找出一個取代LCD的突破口。去年11/1大陸柔宇搶先宣布發售全球第一支折疊手機FlexPai，一時間包括三星、小米、華為等手機大廠都傳出2019年推出折疊手機的消息，果不其然，三星在今年2/20舊金山舉辦的10週年新品發表會上推出萬眾矚目的折疊手機Galaxy Fold、華為也於2月24日西班牙巴塞隆納MWC大會發表其折疊手機，雖然這些折疊手機價格都非常昂貴，但在手機市場逐漸飽和，5G通訊開始萌芽之際，折疊手機是刺激換機消費的一個話題。
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。
下表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。
(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)