細數顯示技術發展歷程　折疊手機開創OLED新時代

行動電話改變人們溝通方式，無疑是20世紀以來，改變生活型態的重大發明，隨著網路的普及與傳輸速率的提升，手機已經跨越溝通的功能，更承載了資訊傳播、廣告行銷、個人娛樂，以至於到金融支付等功能。日常食衣住行育樂活動已經離不開手機的應用範疇。手機功能從過去聲音的傳遞發展到現在的影音資訊傳遞，因此，對於人機介面手機螢幕的需求越來越高。本文從顯示器的發展歷程勾勒各個顯示技術興衰成敗的關鍵，並藉著手機顯示螢幕的發展趨勢，探討手機對折疊顯示螢幕的功能需求趨勢，此需求趨勢或許關係著一個顯示技術改朝換代的關鍵。

顯示器之發展歷程

將資訊透過無線傳輸以動態影像呈現，是人類文明發展的重要里程碑。1946年蘇格蘭發明家John Logie Baird發明彩色電視機，被稱為「電視之父」。1954年，美國無線電公司(RCA)推出RCA彩色電視機使影像傳輸技術商品化，實現透過傳輸將資訊動態影像呈現的夢想，往後的幾十年電視成為家家戶戶必備的家電產品。如圖1所示，當時彩色電視機是採用陰極射線管(Cathode Ray Tube, CRT)的成像技術。雖然彩色電視從美國起源，但到1960年代日本彩色電視機席捲全世界，日本SONY特麗霓虹(Trinitron)彩色電視更是彩色電視的標竿，SONY的CRT特麗霓虹從1968年開始生產，到2008年SONY中止生產，共歷時40年，累積全球有2億8,000萬台銷售量。

CRT映像管是20世紀的主流顯示技術。CRT是以電子槍(Electron Gun)發射電子，用掃描的方式使電子撞擊螢幕上的螢光粉(Phosphor)發光成像，因此，內部必須維持高真空，以免阻擋電子的行徑，而電子只能靠磁場控制方向的直線掃描，掃描範圍越大，電子槍距幕面的距離就越長，這種機制造成CRT的體積必然龐大、厚重，幕面尺寸大小也受到限制。當時29吋電視已是最普遍的大尺寸，其重量就高達50公斤。

而如上所述，厚重的特性使開發輕薄的平面顯示技術在1990年代躍升為與半導體發展同樣重要的課題。筆者在1995年進到工研院參與場發射顯示器(Field Emission Display, FED)，同年工研院也開始電漿顯示器(Plasma Display Panel, PDP)計畫，在此同時液晶顯示技術(Liquid Crystal Display, LCD)也發展了數年，這些技術都以取代CRT為目標，經過數年的發展LCD最後勝出，至今仍為顯示器的主流技術。

施加一個電壓到液晶材料能夠控制光學特性的現象是1963年由美國紐澤西RCA大衛沙若夫研究中心(David Sarnoff Research Center)的George Heilmeier所發表，此現象被證實液晶具有成為顯示器應用的潛力，在那個CRT稱霸的年代，人們覺得已經找到了開啟平面顯示技術的鑰匙，然而，從往後的發展歷史看來，LCD的發展在CRT當道的產業環境下顯然沒有那麼順利。

瑞士物理學家Schadt於1970年發明利用扭曲向列型液晶(Twisted Nematic Liquid Crystal , TN LCD)可以呈現光透過與不透過的光學特性，而真正開啟LCD產品化的應用。那個年代電子計算機與電子表已經非常普遍，LCD真正以其省電的特色在這兩種產品建立無可取代的應用，在過去LCD技術以前，即使顯示簡單的數字或符號，只有耗電的真空管(Vacuum Tube Display)或是真空螢光管(Vacuum Fluorescent Display, VFD)可以用，但是這兩種技術體積龐大、非常耗電的基本特性注定要被LCD取代的命運(圖2)。

非晶矽薄膜電晶體開啟彩色LCD時代

1982年英國Dundee大學提出非晶矽薄膜電晶體(Amorphous Silicon Thin Film Transistor, Si TFT)構想，到1988年日本Sharp開發出全世界第一個14吋的TFT LCD TV，開啟了彩色LCD的時代(圖3)。台灣1996年中華映管自日本三菱ADI公司引進建立第一條3代大尺寸TFT LCD面板生產線，隨後達碁(後來與聯友光電合併成友達)、瀚宇彩晶、廣輝、奇美、群創、統寶等紛紛投入建置TFT LCD生產線，初期產品大多以筆記型電腦應用為主、並開始蠶食CRT盤據的監視器(Monitor)市場。

若把可以移動、具有運算能力、有螢幕、有鍵盤就稱為筆記型電腦，早期的產品設計令人意外，1975年IBM推出IBM 5100，機身上還有5吋CRT的螢幕，整機重25公斤；Toshiba於1985年推出全世界第一台真正的筆記型電腦T1100，螢幕是採用單色TN LCD，解析度為640×200，已具有顯示圖形的能力。1990年代，個人電腦技術突飛猛進，螢幕對於顯示能力的需求也日盛，但對筆電(當時稱為膝上型電腦Laptop)這種以攜帶移動方便為訴求的產品來說，顯示器的重量與耗電量至關重要，以此來檢視各個顯示器技術可以發現只有LCD能符合需求，在攜帶型電腦的應用使得LCD的技術能夠有獨特的產品空間，在CRT技術成熟，產業鏈完整、產品價格低廉的環境下，殺出一個CRT無法滿足的產品空間，而生存下來，相對的，FED、PDP雖然多少都解決了CRT厚重的問題，但是並沒有找到一個創新性的應用而敗陣下來(圖4)。

OLED實現可折螢幕　開創顯示器新時代

有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode, OLED) 發展較晚，技術萌芽於2000年，當時以其結構簡單、影像反應速率快、省電、色域廣、對比高等優異的影像訴求與LCD抗衡。一時間包括日本、台灣都有許多公司投入資源，企圖將OLED技術產業化，2000年到2007年是OLED發展最蓬勃的年代(圖5)，最早錸寶推出單色手機面板上市、台達電投資的翰立也生產MP3用面板、柯達推出數位相機用螢幕、明基BenQ推彩色OLED面板手機、Sony也推出11吋OLED電視Sony XEL-1，但是這些取代性的應用都無法撼動技術已經成熟、產業體系已建立完整的LCD產業，最後黯然收場。

韓國Samsung於2000年開始進入OLED開發，2005年建立4.5代OLED生產線，當然也是慘澹經營，直到2010年藉著自家Galaxy手機，以手機螢幕影像鮮豔細膩的訴求使OLED的技術在手機應用上存活下來，2013年Samsung更革命性地推出一支將OLED製作於塑膠為基板的手機Galaxy Round，至此，顯示器從玻璃基板轉成塑膠基板，開啟了不碎裂、可折疊到可捲曲獨特創新的應用，OLED憑藉著這些創新的應用來擺脫與LCD競爭的困境，進而在產業鏈完整建置、技術成熟後回過頭逐步取代LCD的應用市場，折疊手機的應用則可能是顯示器技術改朝換代的起點。

手機顯示器發展歷史與大螢幕之需求

俗稱手機的行動電話顧名思義是固定式電話的延伸，把聲音藉由電子訊號傳遞是電話的基本功能，1973年摩托羅拉的Martin Cooper首次將語音透過無線傳輸，開發出第一支商用的無線手機。在無線手機問世之前，透過無線傳輸進行文字資訊傳遞已經有成熟的產品稱為BB Call或是Pager，這種傳輸文字訊息的產品1950年代末即上市，並在1970年代非常風行。直到1992年底英國工程師Neil Papworth第一次利用行動電話將文字資訊送出，1994年Nokia 2010是第一支真正能夠收發簡訊的手機，正式將手機由聲音傳遞功能延伸到文字資料傳遞，這使顯示螢幕在手機元件中的地位逐漸提升，到目前的智慧型手機，螢幕面板的成本比重已經超過20%，是手機所有元件中最貴的元件(圖6)。

在1994年前後，笨重的CRT仍是顯示器市場上主流，LCD在小尺寸應用包括電子表、計算機等單色被動驅動(Passive Matrix, PM)的LCD的發展已經非常成熟，因此對於文字與簡單的圖形顯示都不是瓶頸。

顯示螢幕在手機的重要性取決於無線傳輸的速率的發展，圖形影像的資訊量龐大，因此，只有在傳輸速率夠快的情況下，手機才能有高品質的圖形或是影像呈現，也才有高品質顯示面板的需求。在這種狀況下，以聲音傳輸為主的1G、2G時代，手機發展的趨勢是以輕薄短小為主，螢幕主要顯示來電，簡單的文字訊息。對於3G/Wi-Fi環境來說，影音傳輸日益重要，手機也朝大螢幕設計，主流手機螢幕從2007的3.5吋到2013年Sony就推出6.44吋大螢幕的手機Xperia Z Ultra，揭示用戶對於追求大螢幕需求的趨勢。

在顯示器發展中，到2002年TFT LCD已經發展非常成熟，LCD生產線從3.5代跨入5代，產能已經大到筆電無法完全消化，必須開拓監視器等較大面積的應用，同時也開始往下開拓中小尺寸的產品市場，包括電子相框，手機應用等。等通訊技術到了3G的時代，電信傳輸速率大幅提升，已經可以滿足龐大資訊量的圖形與影像傳輸需求，同時搭載在手機系統的許多應用程式應運而生，致使手機的傳輸功能逐漸從聲音轉到影像，如此一來，顯示螢幕變成手機重要的人機介面，因此，由手機對顯示器功能需求如省電、高解析度、廣色域等反過來驅動面板技術的發展。若把手機的大小當作指標，手機產品依時間排列可以發現，手機由大變小，再變大的趨勢如圖7所示。

在4G商轉後，用戶對手機的依賴性越來越強，包括食衣住行育樂的日常都離不開手機，顯示資訊量也越來越龐大，已經龐大到覺得6.44吋螢幕面板不夠大，大尺寸螢幕又與行動裝置輕薄短小的理念背離，因此「折起來是手機、打開來是平板」的折疊手機概念一直驅動著顯示技術的發展，「折疊」是LCD技術的先天致命的痛點，這無法突破的技術門檻讓OLED在顯示器技術競爭中找到了突破口，OLED技術以折疊手機產品做基礎，優化技術與健全產業鏈，最後達到取代LCD的目標。

OLED導入手機/折疊手機

BenQ-Siemens S88是全球第一支OLED面板手機，在2006年上市，如前述，2006年前後OLED在市場上無法抗衡成熟的LCD而黯然收場，唯Samsung仍持續投資並以手機為目標產品，除了自用外，也供應包括宏達電等手機廠。將2013年以前以OLED為屏幕的熱門手機彙整如圖8所示，可以發現，2011年以前，螢幕尺寸大約在4吋以內，2011年以後，多為4吋以上的螢幕。其中Samsung 2011年推出的Galaxy Note(N7000)螢幕已達5.3吋，這顯示OLED的製程技術經過從2010年以來的開發，生產技術已經逐漸成熟，Samsung也把OLED技術本身當作一個行銷的賣點，主打OLED廣色域、省電等特色，非常成功地把Samsung塑造成一流的智慧型手機廠商，在市場對於大尺寸螢幕的需求越來越殷切之際，Samsung的OLED技術繼續往折疊面板邁進。

LCD是藉由背光源投射以液晶來控制光通過與否的成像機制，在面板扭曲時會造成漏光、影像扭曲等現象。不同於LCD，OLED是自發光的顯示機制，不會因為撓曲而使影像扭曲，因此OLED在先天上就有可撓的特質，只要把過去平面顯示器製造的基板由玻璃改成塑膠就有機會達到顯示器可撓的目的，而可撓性(Flexibility)將是OLED勝出LCD的關鍵。Samsung在2013年十月推出一支手機 Galaxy Round是一支具有弧度的手機，同年底LG有有志一同地推出弧形手機LG Flex，Galaxy Round的功能規格沒有比Galaxy Note 3突出，卻是顯示技術的一個里程碑，原來，Galaxy Round首次採用聚醯亞胺(Polyimide, PI)塑膠基板取代過去的玻璃基板，而跨出折疊的第一步。往後Samsung推出的Edge系列都以PI為基材，為折疊手機鋪路(圖9)。

2019年為折疊手機元年

2019年無疑是折疊手機元年，以塑膠為基板的OLED技術經過近5年的市場考驗，已達一定的成熟度。近幾年來，手機市場成長率已大不如前(圖10)，手機在成長幾乎停頓下，推出新功能手機刺激換機需求是消費性電子產品常用的手段。

2019年有5G的題材，5G在具有1G bps高速傳輸能力下，圖形、影音的表現須有大螢幕來搭配，而折疊面板正好可以滿足此需求，在手機功能需求驅動下，面板廠無不卯足全力來克服技術上的瓶頸。

2018年11月中國柔宇搶先宣布發表全球第一隻折疊手機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，2019年2月西班牙巴塞隆納MWC大會以來包括Samsung Galaxy Fold、華為Mate X都是吸睛的折疊手機，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，折疊手機無疑是刺激換機消費的一個話題(表1)。

從產品的角度來看，折疊手機仍有許多技術待市場考驗，包括手機折疊機構、折疊面板的可靠性，折疊蓋板的耐刮性與可靠度等，雖然目前各面板廠內都有建立一定的檢驗規格，唯真正到市場才是考驗的開始，這些考驗正是驅動著顯示面板繼續發展的動力。

結論

折疊手機是手機在資訊傳輸技術發展後對大螢幕需求必然衍生的產品，對顯示技術而言，卻是OLED取代LCD改朝換代的起點，全世界規畫的OLED生產線投資已超過600億美元的規模，OLED在市場上一定會掌握這個LCD無法進入的折疊手機應用的契機，使該技術能夠存活精進，反過來侵蝕LCD其他的應用領域，這個歷程是否再現當年LCD以筆電應用為基礎進而取代CRT的模式，值得觀察驗證。

(本文作者皆任職於艾圖雅科技)