三星要抢可折叠手机全球首发,或将引发供应链大洗牌
2019-10-31

来源:DeepTech深科技(mit-tr)

几天前,三星在纽约隆重发表了新一代旗舰手机Galaxy Note 9,但市场更关注的可能是另一个尚未曝光的神秘产品——可折叠屏幕手机。

三星电子移动通讯事业部总裁高东真(DJ Koh)在Galaxy Note 9发布会上,接受韩国媒体采访时公开表态:三星正在研发广受消费者喜欢的可折叠屏幕手机,并暗示“不会让各界等太久”,因为三星不想把这个世界第一只可折叠屏幕手机的头衔被别人抢走,这番话明显是冲着华为来的。

图丨三星电子移动通讯事业部总裁高东真

近来,三星及华为不约而同释放出消息,内部研发可折叠屏幕手机最快在今年底就会问世,三星在可折叠屏幕技术投入超过十年,华为则是传出将采用国内面板大厂京东方的方案,日前调研机构IDC公布今年第二季全球智能手机市场报告,华为正式超越苹果,成为全球第二大手机制造商,仅次于三星,现在前两大手机公司正在比速度,看谁能在这场折叠大战抢下头香。

先前韩国媒体就报道,研发可折叠面板技术多年的三星,原先内部的策略是:不一定要抢全球第一的头衔,但近来传出华为要在今年11月发表可折叠面板手机,让三星危机感大增,无法容忍遭中国企业超越,因此让三星决定加速产品上市时间,很有可能在今年底前先让产品亮相,才会上演这一场两大巨头的折叠大战。

三星的十年征途

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,这种可折叠式屏幕(foldable display)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。

▲图丨可折叠式手机

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。

当时,因为是原型机,产品看起来多少有点粗糙感,但是,屏幕对折起来时中间没有明显着折痕,而且对折的曲率半径非常小,只有1毫米(mm)。通过折叠次数10万次的测试后,屏幕中心(也就是折叠处)亮度约下降6%,但人类肉眼对此细微差距不会有明显感受,总体上仍可以说是一项很大的突破。

▲图|三星在2011年发表技术文章展示可折叠显示器原型

该篇文章的共同作者Hong Shik Shim当时指出,“真正的商业化还有赖新工艺和新材料的开发,大约需要1~2年”。到那时,从该篇研究发表至今,历经了7年时间,可折叠屏幕迟迟还未商业化。不过,市场上仍不时传出三星、苹果要推出可折叠屏幕设备的消息,例如推出相关产品、正在克服量产问题、量产进度延迟、三星及苹果申请了可折叠面板多项专利等。

而过去“只闻楼梯响,不见人下来”的情况很可能即将出现改变。三星在今年初的财报电话会议上,公开透露要推出可折叠屏幕手机,跟竞争对手做出差异化。

今年以来外电多次报道,三星的可折叠屏幕手机由3个3.5英寸的屏幕组成,另有一说是会采取内折式(infolding)设计,折叠起来时为4.5英寸屏幕,打开后为7.2英寸,预计在11月开始量产,而且还会配合内部研发专用的应用软件和内容,预计这款产品很可能在2019年CES或是2019年MWC正式亮相,并在2019年第一季开卖。

华为携手京东方,不让三星专美于前

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,今年3月外媒也披露华为向世界知识产权组织(WIPO)申请了可折叠屏幕手机的专利,从专利图来看,华为构思的方法为内折式infolding屏幕,荧幕中间采连接铰链设计。而市场盛传华为的合作伙伴为京东方,两家公司将合力打造一款开启后屏幕为8英寸的可折叠屏幕手机,预计11月发布,2019年开卖。很有可能抢下全球最早推出可折叠屏幕手机的头衔。

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,几个月前公开展示展示了7.6英寸可折叠AMOLED显示屏,号称可实现全球最小动态弯折,半径仅为1mm。

▲图|华为为可折叠面板手机申请专利

▲图|苹果申请了不少关于可折叠屏幕技术的专利(图片来源:www.patentlyapple.com)

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?DT君不打算抛出一堆技术名词,只用一张图加上简单明了的文字,让大家能看懂这项科技。

过去:从TFT LCD到AMOLED

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。

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。

▲图丨三星的 AMOLED屏幕

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。

再进一步针对其“柔性”程度,也就是“可弯曲”的程度细分,初期有所谓的曲面(curved)结构,像是 TFT LCD曲面电视,主要是扩大观众的视觉感受,但曲面技术上并没有根本性变化,属于一种阶段性产品,后来包括三星、LG、索尼都放弃投入更多资源,转为全力进攻OLED。

由于OLED的柔性特点,发展出可弯曲弧度更大的技术,像是近两三年旗舰智能手机爱用的“可挠式”面板(flexible display),三星在2014年推出GALAXY Note Edge首创曲面侧边荧幕,把荧幕延伸到了侧边,而且可以独立显示。由于可挠的特性赋予设计产品时有更大的创意发挥空间,吸引更多手机业者跟进采用,像是 Apple Watch、iPhone X的屏幕边缘可以收得圆弧漂亮,就是采用可挠式面板。

▲图丨GALAXY Note Edge

弯曲更大的则是“可折叠式”面板,甚至是“可卷曲”面板(rollable display),像是古书卷轴一般将电子屏幕卷起来,正因为弯曲的程度差异,有不同技术门槛得克服,本文则聚焦“可折叠式面板”的讨论。

现在:拿掉玻璃,从硬变软

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。

硬式AMOLED的架构,由下往上分别有玻璃基板、薄膜电晶体(TFT)背板、OLED发光层、封装玻璃、Touch Sensor、圆偏光片(CPL,Circular Polarizer)、以及屏幕保护玻璃(简称屏保玻璃)。其中,因屏保玻璃受惠最大的就是美国公司康宁,旗下生产的大猩猩玻璃因苹果iPhone一战成名,让这家百年企业翻红。

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,为一种增强被镀材质硬度的薄膜,才能达到耐刮、耐磨、耐冲击。

下方左图为Rigid AMOLED(以三星OCTA架构为例),右图为Foldable AMOLED。

▲(图片来源:DT君)

拿掉玻璃的挑战1:新材料

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。

第一个挑战是耐温性。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。

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。

第二个问题是CPL必须变薄。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。

第三个挑战是应力。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。

拿掉玻璃的挑战2:制程

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。

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。

读到这里,就能明白可折叠屏幕是一项很复杂的技术,“因为只有AMOLED不变之外,其他采用的材料跟零部件几乎都换掉,”专门研究柔性屏的台湾工业技术研究院电子与光电系统研究所副所长李正中指出,他进一步评估:“目前可折叠AMOLED面板的生产良率可能只有硬式OLED面板的一半而已。”这也就是为什么尽管不少面板厂都曾对外展示可折叠面板的原型,但却没有一家实际进入量产阶段。

内折或外折,哪个技术比较厉害?

目前三星显示及LG Display(LGD)是可折叠式面板相关技术全球专利数量排名前两大业者,市场盛传,苹果对可折叠面板同样很有兴趣,钦点LGD作为可折叠式iPhone的合作伙伴。在国内则有京东方、天马、柔宇科技、维信诺等业者投入可挠式、可折叠式面板的开发,其中京东方与华为合作,小米及OPPO也在开发折叠屏手机。

各大面板厂几乎都曾展示过可折叠面板的原型,但展示归展示,想要评估哪家业者的技术领先,除了量产能力是一个参考点之外,DT君提出几个指标:

首先,是内折(infolding)还是外折(out-folding)。内折式是屏幕向内进行折叠,就像一般的书,或是早期的掀盖手机一样,打开之后看到内容。而外折设计则是屏幕暴露在外,就像现今大多数的智能手机一样,荧幕直接对外。

由于外折式设计是屏幕显示在最外头,容易与外物接触,因此在耐刮、耐摩擦、耐冲击三大要点的要求会比内折式来得高出许多,故行业人士普遍认为,外折的技术难度高,当厂商可以做出外折式面板,技术实力理应相对较强,但也因为外折较难做,所以内折式进入量产阶段的时间会比较快。

▲图|传苹果有意推出可折叠iPhone(图片来源:www.patentlyapple.com)

第二个评估点则是曲率半径以及弯折之后的机械强度。当一结构物,特别是承受外力而产生弯曲时,对结构物上任何一点表明其弯曲度的量度,称为曲率,其倒数称之为曲率半径,用来衡量弯曲的程度。

例如有业者的屏幕可以被卷曲成半径为10 mm,有些则可以达到5mm、3mm、甚至是1mm。李正中指出,目前业界对于可折叠式AMOLED面板曲率半径的要求是3mm,同时可折叠次数至少要经过20万次的测试,未来弯折度必须达到1mm是毋庸置疑的。因此,通过多少次折叠测试,以及耐刮、耐摩擦、耐冲击的能力,是另一个评估技术孰优孰劣的关键。

▲图|硬式、可挠式、可折叠式面板成长性(图片来源:DSCC)

未来:供应链强弱重新洗牌

当手机进入触控时代,苹果开始称王之外,玻璃成了关键零组件,也让康宁、日本的旭硝子(AGC)跟着受惠,但从上述探讨可折叠屏幕的架构,可以发现一件事:玻璃基板跟保护玻璃都将被柔性基板及屏保塑胶取代,因此供应链的强弱变化也是一个非常值得关注的议题,过去康宁因玻璃而成为赢家,未来进入可折叠面板、甚至是可卷曲面板后,就会有新的赢家出现。

业界人士透露,特别是柔性基板、化学材料业者会是受惠最多的一方,以往他们产品应用多局限在传统产业,或是软性印刷电路板(Flexible PCB)等领域,但在可折叠屏幕时代,这些材料是不可缺少的关键零组件,例如全球最大的聚酰亚胺(PI)大厂杜邦(Dupont)、日本的宇部兴产(UBE)都是PI薄膜(PI Film)的主要供应商,另外,日本的住友化学则是开发可以取代目前覆盖于手机荧幕之上屏保玻璃的屏保树脂。

可折叠式面板不论是材料或工序都相当复杂,为什么业者还要花这么多功夫来做?因为从“实际”的需求面和“被创造出来”的需求面来看,是一个必然趋势。

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。

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。

从另一个角度来看,这是消费电子产品业者的新机会。随着消费者更换智能手机的频率不如以往快速,市场成长动能渐失,由于可折叠式面板手机可提供一机多用(手机+平板,未来甚至有可能变笔记本)的特色,不少行业人士认为,可折叠面板设备创新的设计,很有可能重演一波大换机潮,就像过去从功能型手机进化到智能型手机一样,率先推出的业者除了可以对外展现其领先的技术实力外,更能在第一时间抢到市场。

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。

▲图|硬式、可挠式、可折叠式面板出货预估(资料来源:DSCC)

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。