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材有料趣无尽可折叠手机与新质料——科技与科

  一块屏幕像书本一样,轻松的打开跟收合,一秒摊开,就能让智能手机变成平板电脑,这种的电子设备经常出现在科幻电影中,不过在现实世界里,可折叠式屏幕手机很可能离我们已经不远。

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  关于可折叠屏幕手机的想法,已在产业酝酿很长一段时间,三星显示(Samsung Display)投入可折叠屏幕技术至少 10 年,起初几年在实验室低调研究,到 2011 年三星将相关技术对外公开,在美国物理联合会(AIP)出版的《应用物理学快报》(Applied Physics Letters)上发表了一篇研究文章,展示了由 2 块 AMOLED 面板组成的可折叠显示器原型。

  近年来,华为在手机上的创新展现强烈企图心,包括使用多颗镜头、搭载 AI 芯片等。京东方为国内最大面板厂,为苹果 Macbook 及 iPad 面板供应商,对于发展新一代的 OLED 技术不遗余力,除了一直希望能扩大打入苹果 iPhone OLED 屏幕供应链,在可折叠面板技术也有所投入。

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  这款神秘产品不是本文要讨论的重点,而是要解构可折叠式面板技术,就连全球面板龙头的三星投入大量人力跟资金,10 年过去都还没有走向量产,为什么可折叠式面板的设计、制造如此困难?

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  在进入可折叠屏幕之前,必须先谈主动有机发光二极体(AMOLED)和传统的薄膜电晶体液晶显示器(TFT LCD)。TFT LCD 的架构是需要一个背光源(Backlight)产生光线,目前多使用 LED 做背光模组,光线投射出来后,依序穿透 TFT LCD 面板中的偏光板、玻璃基板、液晶层、彩色滤光片(Color Filter)等相关零部件,进入人眼成像,看见颜色和图案。

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  AMOLED 则是近年兴起的显示技术,它的结构比 TFT LCD 简单,关键在于 OLED 能够自发光,当电流通过,OLED 材料就会发出红蓝绿色,在不需要背光源、彩色滤光片的情况下,面板的整体架构就变得相对单纯。另一个特色是厚度轻薄,OLED 的生产是采镀膜方式,把有机材料加热升华、气化并均匀沉积在基板上,而 TFT LCD 需要灌入液晶,使得厚度较厚。

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  所以先撇除 AMOLED 可具有高 PPI(每英寸像素)、省电等特点,回到折叠这件事上,AMOLED 的两个特点:面板结构较简单、以及厚度较薄,所以让一件事变得可行:做成能弯曲或是可折叠的柔软显示器。就像是一本书与一张纸,折纸绝对比折书容易许多,所以传统 TFT LCD 无法做的软性/柔性屏,AMOLED 可以做到,因此成为众家业者竞逐的新一代技术。

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  要做到可折、甚至是可卷,以往硬式 AMOLED 面板(Rigid AMOLED)采用“玻璃基板”的方式就行不通,必须改用其他结构,所以制作可折叠屏幕的第一步就是以“软性基板”取代原本的玻璃基板,软性基板的选择则有聚酯类塑胶如聚酰亚胺(PI,Polyimide)塑胶基板、或是金属箔片,目前的主流为“PI 塑胶基板”,轻、薄且柔韧性佳。

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  如果屏幕要变软,而且可以折,就得把既有架构中所有的玻璃换掉,所以可折叠 AMOLED 面板由下而上的架构就变成:PI 塑胶基板、软性 TFT 背板、OLED 发光层、触控面板、CPL、屏保塑胶,以及再加上一个 Hard Coat,是一种为增强被镀材质硬度的薄膜,这样能达到耐刮、耐磨、耐冲击。如果只是把所有玻璃改成塑胶就可以正常运作的话,那就天下太平,行业也不用花超过十年时间来研发,因为改用新材料,新问题就随之而来。

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  由于 OLED 为有机元件,对大气中的水气及氧气非常敏感,所以在制程中,高水氧阻隔一直是关键。

  在硬式 AMOLED 面板的构造中,AMOLED 上下方有玻璃,可以阻隔水气及氧气的穿透,AMOLED 侧边的空隙就使用 Frit Sealing,为一种可熔融玻璃,通过激光的方式把 Frit Sealing 与 AMOLED 的侧边和上下两片玻璃熔融在一起,通过把 AMLOED 完全保护起来的方法,阻隔水气及氧气以防止对元件的伤害。

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  但是,换成塑胶后,问题就来了。比起玻璃,塑胶材料的耐高温较差,也无法隔绝水氧气,使得 AMOLED 非常容易损坏,因此在可折叠 AMOLED 面板的制程中,就无法使用 Frit Sealing 熔融,必须改为采用阻气隔绝层(Gas Barrier)来实现 AMOLED 阻水氧功能。

  如前所述,越厚的东西越难弯折。一般来说,硬式 AMOLED 面板整体厚度 1~2mm,可折叠 AMOLED 面板的厚度必须在 200 微米(μm)以内,也就是只有硬式面板的十分之一,所以唯有靠元件“瘦身”来实现。

  其中传统的 CPL 厚度约 100~200μm(微米),对于 AMOLED 柔性应用是一项阻碍,所以行业也积极研发薄型的 CPL,必须瘦身约至 30μm 左右。

  可折叠屏幕是由许多材料层所构成,折叠时,材料挤压,容易受到应力(stress)影响而裂开。当材料受外力作用,内部产生抵抗的力量,单位面积所受的内力就是应力,因此如何控制每一层材料跟接触面的应力,防止面板折叠时材料受损,就成了关键。

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  在制作可折叠 AMOLED 面板时,底下会先有一个玻璃载板(Glass Carrier),在上面涂布 PI 材料,等待干燥后,就在上方叠加 AMOLED 及其他材料层,接着等 AMOLED 固化好之后,就利用激光或机械式取下等方式,把玻璃载板分离。

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  但因为 PI 材料在涂布时需要涂厚厚一层,待其干燥之后约剩下 10μm,所以 PI 材料表面容易产生诸多孔洞、不平整,所以在其上面制作的 AMOLED 的良率比较差。而这个制程每一家状况不同,现有不同的修补方式,考验各家业者的能力。

  第二个大问题是静电放电(ESD,Electro Static Discharge)。塑胶基材比玻璃容易产生静电,由于电子元件都很怕静电,ESD 是造成大多数的电子元件或电子系统故障与损坏的原因,所以在塑胶机材上制作的 AMOLED 就很容易受到静电伤害。所以上述两大制程难题是目前可折叠式面板生产良率较差的原因。

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  从市场需求面来看,消费者已经习惯了大荧幕,几年前三星率先推出 5、6 英寸的大屏幕智能手机时,市场并不看好,已故的苹果创办人乔布斯在当时还亲口说出“没人会去买大手机”(No one is going to buy a big phone)这句话来讽刺三星,但事后证明,三星大屏幕的 Note 系列热销,而且整个行业都转向了大屏幕,就连苹果也不得不让 iPhone 尺寸变大。

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  以往消费者在手机看数字、文字,进化成看图片,现在更是进入视频时代,体验过大屏幕的舒适就无法再回头了,所以现在手机行业都在搞全面屏,但是全面屏有一定的极限,而且手机尺寸不可能一直无限放大下去,会牺牲轻便性和移动性,而可折叠面板就成了一个解药,屏幕一秒放大。

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  不过,不论是三星或华为的可折叠产品的出货量应该都只是小量,因为短期来看,可折叠面板因良率不佳,导致成本仍偏高,所以对业者而言,展现自家技术实力以及测试市场水温的意义会远大于实际的出货量,专攻面板行业的调研机构 DSCC 就预估,可折叠式 OLED 手机面板在 2018 年“小量”出货,到了 2020 年出货量大约 1 亿组,占整体手机份额的 5%左右。

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  但无论如何,不论是行业或消费者对于可折叠式面板手机都有蛮高的期待,只要有一家手机公司开始推出商业化产品,其他业者势必得跟上,就像现在不讲产品搭载 AI 芯片就显得很落后一样,因此,可折叠式面板手机推出的那天,将代表手机行业另一个新时代的到来。

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  屏幕能翻折的手机,多亏了他那有趣的材料,感到神奇吗?这与我院的材料化学专业息息相关。

  人类在材料的道路上渐行渐远,相信身为材料人的你,一定也会有赶上的一天吧!!!