智能手機能像書本一樣可打開跟闔上,屏幕一秒變大,立刻變成平板電腦,今年,手機及面板行業(yè)最重要的大事非“可折疊顯示屏”莫屬。這種可折疊屏幕的想法在產業(yè)已醞釀很長一段時間,三星顯示(SamsungDisplay)投入研發(fā)已經超過 10 年,終于,2019 年,三星跟華為帶來了可折疊屏手機的商用元年。
可折疊面板不論是材料開發(fā)或工序都相當復雜,但消費者追求更大屏幕,加上 2020 年陸續(xù)走進 5G 時代,4K、8K 高分辨率的視頻傳輸可望走向普及,另外,傳統(tǒng)智能手機的發(fā)展已有瓶頸,市場成長性消失,手機業(yè)者產希望憑藉可折疊手機“一機多用”的特色刺激消費者采購,創(chuàng)造新一輪的大換機潮,因此,可折疊屏幕是必然趨勢。
但是,預期今年的可折疊式手機受到價格高、外觀不夠輕薄、軟件操作及應用程序體驗尚未完善等影響,初期市場很有限,各家出貨量小,盡管華為消費者業(yè)務手機產品線總裁何剛指出,預計 Mate X 的月產能可達到 10 萬臺以上。但由于 Mate X 可能要到下半年才會開始真正出貨,加上價格偏高,因此市場預估華為 2019 年度 Mate X 出貨量為 20 萬臺,三星的 Galaxy Fold 預估出貨量為 100 萬臺,以全球前二大手機廠一年出貨量 3 億臺跟 2 億臺來看,是非常小的比例。
韓國 OLED 研究機構 UBI Research 指出,2019 年折疊式 OLED 市場僅為 4.8 億美元,預計到 2023 年將增長到 246 億美元。 UBI Research 首席執(zhí)行官 Yi Choong-hoon 表示,可折疊 OLED 市場的快速增長是由于 7 英寸和更大尺寸的智能手機能夠支持 4K 分辨率,成為 5G 通信時代的必備產品。OLED 面板制造商的價值將取決于可折疊 OLED 能否成功量產。
Part 1:OLED 如何制成可折疊?
目前面板行業(yè)有兩大主流技術:傳統(tǒng)的薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)以及有機發(fā)光二極體(OLED),后者又包括剛性的 Rigid OLED 以及柔性的 OLED,后者依據彎曲程度的大小,又分為可撓曲(Flexible)、可折疊(Foldable)、可卷曲(Rollable)三種。
如何把剛性的 OLED 變成可折疊 OLED?一言以敝之:在面板架構中舍棄玻璃,以及改用柔性材料,包括底層的基板、觸控面板材料、屏幕蓋板等。
Part 2:制程需要做什么改變?
由于 OLED 對水氣及氧氣非常敏感,高水氧阻隔一直是制程的關鍵。
剛性 OLED 作法:玻璃封裝:以玻璃作為阻隔水、氧穿透的主要基板,上下層各有玻璃,側邊則有 Frit Sealing 玻璃,再以激光把側邊和上下兩片玻璃熔融在一起。
玻璃封裝方式無法滿足柔性 OLED 結構需求,取而代之的是軟性封裝(Flexible Encapsulation)技術,包含阻水氣、薄膜封裝(TFE,Thin Film Encapsulation)技術。
可折疊 OLED 作法:軟性封裝:受制于塑膠基板的耐溫度及隔絕水氧的效果比玻璃差,必須在軟性 TFT 基板(Flexible TFT Backplane)以及軟性上蓋板(Flexible Front Plate)增加阻水阻氣隔絕層(Gas Barrier),同時,在 OLED 發(fā)光層上也會采用薄膜封裝技術來保護 OLED,或是采取跟軟性上蓋板搭配的邊緣封裝(Edge Sealing)技術。
另外,還有一種混和封裝(Hybrid Encapsulation):融合 TFE 與阻擋膜(Barrier Film)技術,但因生產成本較高昂,阻擋膜厚度較厚,靈活度相對受限,因此面板廠多選擇發(fā)展 TFE 封裝技術。
Part 3:新材料及關鍵材料有哪些?
剛性的 Rigid OLED 采用“玻璃”作為阻隔水、氧氣的基板,但進入柔性 OLED 面板結構時,玻璃已不適用,尤其是可折疊 OLED 比可撓曲 OLED 的要求更多,因此,新材料的使用需求隨之而生,同時一些既有的關鍵材料也必須因應可折疊的特色進行改造。
一、PI 基板及 CPI 膜。柔性基板主要有三種材料:塑膠、金屬箔(Metal Foil)、柔性玻璃。一般玻璃為剛性,無法彎折,但保護玻璃大廠康寧投入研發(fā)可彎曲玻璃 Willow Glass 數年,去年也對外展示其研發(fā)的可折疊顯示屏玻璃,但距離實際商用化仍有落差。
因此,目前在底層的基板部分,行業(yè)選擇采用塑膠類基板,主流為聚醯亞胺(PI)基板,另外在上層的屏幕保護塑膠部分,可采用無色聚醯亞胺(CPI,Colorless Polyimide)膜,如三星的可折疊屏手機采用 PI 基板,供應商為日本的住友化學
二、可彎折的觸控面板:ITO 替代材料,金屬網格及銀納米線受矚目。銦錫氧化物(ITO,Indium Tin Oxide)具有良好的導電性與透光性,已用于大多數的觸摸屏中,但 ITO 觸控線路受固有的脆性影響,在數次彎曲或較大幅度彎折后,電阻率(resistivity)會急劇上升,致使觸控功能失效,另外 ITO 在彎折時也容易斷裂,因此需要 ITO 替代材料。
目前替代材料有幾項技術:金屬網格(Metal Mesh)、銀納米線(Silver Nanowires)、碳納米管技術(Carbon Nanotube)、導電聚合物技術(PEDOT/PSS)等,其中目前具高量產性的為金屬網格及銀納米線,行業(yè)也分為這兩大陣營。
金屬網格是在塑膠薄膜上壓制導電金屬網格圖案,以其折疊能力而聞名,據傳已用于三星的可折疊手機。但缺點是金屬線寬較粗,在高圖元下摩爾紋(Moiré pattern)效益明顯,即在圖像上出現(xiàn)波紋,因此金屬網格圖樣的線寬必須下降到 1um 左右。
銀納米線是將銀納米線墨水材料涂抹在塑膠基板上,利用激光光刻技術,刻畫制成具有納米級別銀線導電網絡圖案的導電薄膜,透過單體散布中彼此的交錯重疊來完成導電性,沒有摩爾紋干涉問題,但會有較嚴重的漫反射,即霧度(Haze)問題,因此銀線墨水的涂布均勻性非常關鍵。另外,金屬自身并不透光,采用這兩者技術的觸控模組產品的透光性將依賴于非金屬區(qū)域面積。
三、光學透明粘合膠(OCA,Optically Clear Adhesive)。OCA 為觸控屏中用于多道貼合制程的重要材料,如兩張 ITO 導電薄膜(ITO Film)的對貼、ITO Film 跟保護玻璃的貼合、將觸控模組跟顯示屏貼合變成觸控顯示模組等,目前業(yè)者需針對可折疊式面板的高耐彎曲需求推出相對應方案。
四、圓偏光片(CPL)。一般來說,硬式 OLED 面板整體厚度 1~2 毫米(mm),可折疊 OLED 面板的厚度必須在 200 微米(μm)以內,為硬式面板的十分之一,但傳統(tǒng)的 CPL 厚度約 150μm,對于 OLED 柔性應用是一項阻礙,所以行業(yè)正積極研發(fā)薄型的 CPL,必須瘦身約至 30μm 左右。
五、多軸精密鉸鏈/軸承(Hinge)。可折疊屏幕手機在屏幕折疊處的設計大約有兩種方式,一種是采取鉸鏈的機構件設計,二是不使用鉸鏈,而是利用磁吸式結構、以及類似魔術貼、鉤和凹口等結構來配合,目前不論是柔宇、三星或華為都是采用鉸鏈式設計。
鉸鏈/軸承這類的機構件其實應用在很多的消費性電子產品,特別是筆記本(開闔屏幕)、桌上型顯示屏或是電視(調整屏幕上下的角度),但用于可折疊屏幕手機的方案則完全不同于筆記本及顯示屏,必須開發(fā)全新的結構。
六、可撓式電池?之所以打問號,在于不必非得使用可撓式電池,可以延續(xù)現(xiàn)有手機的設計,將電池置放在其中一端或兩端的屏幕下,使用傳統(tǒng)的手機軟包鋰電池即可。
Part 4:量產的挑戰(zhàn)有哪些?
一、應力。可折疊屏幕是由許多材料層所構成,折疊時,材料擠壓,容易受到應力(stress)影響而裂開。應力是指當材料受外力作用,內部產生抵抗的力量,單位面積所受的內力。為了實現(xiàn)該技術,必須防止面板折疊時材料受損,包括控制每一層材料跟接觸面(折疊區(qū)域)的應力,選擇合適的基板,確定理想的堆疊結構,以及優(yōu)化剝離過程,都是關鍵挑戰(zhàn)。
二、PI 基板孔洞的修補。制作可折疊 OLED 面板時,會先在 Carrier 在上面涂布 PI 材料,涂布時需要涂上厚厚一層 ,待其干燥之后約剩下 10μm,故 PI 材料表面容易產生諸多孔洞、不平整,所以在其上面制作 OLED 的良率比較差,此這個制程每一家面板廠有不同的修補方式,考驗各家業(yè)者的技術高下。
三、靜電放電(ESD,Electro Static Discharge)。ESD 是造成大多數的電子元件或電子系統(tǒng)故障與損壞的原因,但塑膠基材比玻璃更容易產生靜電,在塑膠基材上制作的 OLED 很容易受到靜電傷害,為導致折疊式面板生產良率低的原因之一。
四、因折疊而引起面板特性變化。可折疊 OLED 顯示屏比一般柔性 OLED 有更復雜的結構,必須克服由折疊所引起的各種面板特性的變化也就更大,特別是克服 TFT 電阻變化的補償電路技術、折疊和展開屏幕時所需的彈性,均是典型的技術難點。
五、曲率半徑。業(yè)界通常以“R 角”來表達面板可彎曲的程度,例如 LG 在 2017 年開發(fā)出 2.5R 的可折疊面板,三星在去年展示的可折疊屏幕手機的原型則是 1.5R,另外,柔宇、三星及華為則沒有透露其量產可折疊屏手機的曲率半徑。
目前行業(yè)的共識是要量產的可折疊式手機至少得在 3.0R 以下,長遠的目標是達到 1.0R,就幾乎可完全服貼對折,因此折疊曲率半徑不僅是面板量產上的考量重點,更是評估各面板廠技術水準高低的指標之一。
此外,折疊方式分有“外折”(outfolding)及“內折”(infolding),至于哪一個工藝比較難,行業(yè)則存在不同意見,DT 君咨詢行業(yè)人士時,有人認為,外折設計是屏幕顯示在最外頭,容易與外物接觸,在耐刮、耐摩擦、耐沖擊三大要點的要求比內折式高出許多,故外折的技術難度高;但有另一派意見認為,內折的曲率半徑較小,生產難度較高。目前看來,外折、內折孰優(yōu)孰劣未有定論,但已經成為各家業(yè)者宣傳自家產品比對手厲害的話題。
六、彎折次數跟速度:折疊除了涉及面板與機構件、軟件的連動整合外,彎折之后的機械強度亦是挑戰(zhàn),DT 君采訪了鉸鏈/軸承制造商,業(yè)者透露已跟多家大陸手機品牌展開合作開發(fā),并正準備專利申請。目前已知的是華為 Mate X 鉸鏈供應商為***零部件廠奇鋐。
過去筆記本屏幕的開闔測試標準常規(guī)為 2~3 萬次(依機種不同),可折疊屏手機至少得達到 20 萬次,因此業(yè)者正在開發(fā)高耐久度的鉸鏈,使得顯示圖像質量和表面不會出現(xiàn)異常,另外彎折的速度也必須考量進去。
Part 5:可折疊屏幕手機供應鏈?
在 OLED 面板領域,韓國及中國占據重要角色,不過在材料部分,日本明顯居領跑地位,重要供應商集中在日本,其他則有美國及韓國。
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原文標題:折疊屏手機2019年橫空出世,OLED產業(yè)數十年"幕后功臣"浮出水面
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