折疊式顯示器的市場布局逐漸展開，相關技術的發展也馬不停蹄。其中，上蓋板材料技術更是提升面板耐受度的一大關鍵。而本文也將探究折疊式手機的市場現況，以及材料技術發展成果。
可撓式顯示器可因應各需求做不同樣式的變形，如面板的展示方式可以有弧度或環狀的效果，進一步帶給使用者不同體驗。本文首先將介紹國際手機廠商業者公開之可撓式顯示器之折疊手機資訊以饗讀者，接著則介紹上蓋板相關之材料技術，最後則介紹工研院開發了七吋可折疊AMOLED顯示器之塑膠上蓋板技術與其可折疊AMOLED顯示器整合之驗證成果。
可折疊顯示器之研發現況
2019年初從CES展到MWC展，業界發表了多款可捲曲電視和可折疊手機，起因為目前可撓式顯示器之技術已可因應各需求做多種尺寸的變形撓曲，讓面板的展示方式有弧度或環狀或捲曲的效果，進一步帶給使用者不同體驗。目前國內可撓式顯示器產業在上板整合技術已進入試量產之開發階段，也透過工研院之技術移轉，國內廠商將可將國內外市場拓展開來，以朝向國內面板產業升級，並強化國際市場競爭力之目標。而在國際上如三星電子(Samsung Electronics)與摩托羅拉(Motorola)分別展示出雙螢幕及三螢幕智慧型手機，皆採用內折式螢幕，然後分別再搭載一片與兩片不可折疊的外側面板，而樂金電子(LG Electronics)目前所知皆採用內折式單螢幕，華為最近展示之可折疊螢幕為外折式螢幕。
Samsung在年初之發表會上發表了蝴蝶翅膀般可折疊的手機Galaxy Fold。Galaxy Fold有2個螢幕，首先是外側如手機般的4.6吋螢幕，另一個是把手機打開後，展開至7.3吋螢幕。在手機模式下厚度為17公釐，平板模式則是6.9公釐，長度方面為21：9的狹長比例。在折疊轉軸部分，據稱有20萬次的操作壽命。另外三星顯示器公司也正在開發兩種雙折疊屏幕設計：三星顯示器正在三星Galaxy Fold上開發一種額外的可折疊顯示器。據說三星顯示器的目標是在2019年發展，然而尚未確定啟動雙折疊屏幕顯示器的時間。
LG Electronics在MWC發表以兩片顯示器構成的折疊螢幕手機，且已申請了一項專利：可折疊成一半的柔性顯示屏手機。雙顯示器折疊螢幕手機對摺時約為3吋大小，打開後之尺寸為7吋左右的顯示螢幕。LG Electronics籌備的雙顯示器折疊螢幕手機，機構上顯示器連結構造精巧，打開後使用者不易察覺中間具有連接處。目前動態為先發表一款可拆卸雙螢幕手機V50 ThinQ 5G，雙螢幕尺寸為6.4吋與6.2吋。
華為於2018年3月底公布其採用可折疊顯示幕的手機新專利，從專利圖來看，華為構思的方法為內折式螢幕，螢幕中間採取鉸鏈連接設計。而在2019年MWC展會上華為展示可折疊螢幕手機Mate X螢幕折法為一個可撓式螢幕向外折，折疊時主螢幕6.6吋、19.5：9長寬比；後螢幕為6.4吋、25：9長寬比，折疊時厚度為11公釐，推出名為鷹翼(Falcon Wing)的專利鉸鏈機制。展開時機身厚度在5.4公釐，主螢幕達8吋，長寬比8：7.1。
聯想(Lenovo)旗下Motorola向世界智慧產權組織(World Intellectual Property Organization, WIPO)申請的一項設計專利。專利中描述了有兩個相機鏡頭，以及頂部、底部和中部的鉸鏈，可折疊螢幕讓RAZR折疊式手機具有與RAZR V3相同的翻蓋手機設計，打開時會有一個可折疊的屏幕，展開屏幕尺寸為7英吋。折疊部分正上方的後面板上有個輔助顯示器，不必翻蓋就能快速瀏覽通知。同時也在測試研究OLED螢幕塑膠保護膜，因用指甲觸摸這種螢幕很容易造成刮擦而不耐用。另外也在探索Z形雙鉸鏈手機的可能性。
小米2019年初也發表該公司在可撓式顯示器上的研發成果，手機兩側可向外折疊結合平板和手機，但目前仍在測試階段，尚有一些技術難題須解決，如軟性折疊螢幕技術、四驅折疊轉軸技術、軟性蓋板技術以及MIUI適配等，盼能搶先發表全球第一台雙折疊手機。小米MIX Flex折疊式手機是由公司總裁在影片中發表，影片中顯示了小米手機最初以平板電腦模式顯示，但是設備的兩側都在兩點向內折疊，只留下手機的中間三分之一，此設計與迄今宣布的其他折疊手機有較明顯的不同。
蘋果在美國專利商標局(USPTO)發布了一項新專利，該專利顯示出一種帶著絞鍊的可折疊螢幕iPhone，由專利圖上描述，此折疊螢幕較像翻蓋式手機，此可折疊設備專利展現出此iPhone可以朝兩個方向彎曲，折疊起來幾乎是方形，此專利顯示出了蘋果在開發可折疊iPhone的證據。
夏普公開之6.18吋螢幕內折式螢幕手機，折疊曲率半徑為3mm且已通過30萬次折疊測試，打開方式為上下打開的方式，未來使用在手機或平板電腦皆有可能，並指出目前已能做出30吋大小的折疊式OLED顯示器。
柔宇在2018年10月底搶先三星電子、華為，發表了折疊式智慧型手機，在發表會中，柔宇科技說明展示了其可應用的方法：包含展開橫向(橫屏)、展開直向(豎屏)、折疊兩個螢幕獨立使用，以及折疊使用。此可撓式顯示器展開後的機身為7.8吋螢幕，折疊後為4吋大小螢幕，據稱有折疊超過20萬次操作壽命。
如圖1、圖2所示，聯想在2016年及2019年分別發表了折疊式智慧型手機及筆電。
圖1 聯想發表之螢幕可折式手機
圖2 聯想發表之螢幕可折式筆電
目前折疊手機售後發生之不良案例為Samsung售價1,980美元的Galaxy Fold可折疊手機，有使用者發現在使用一兩天後螢幕就故障，故障模式是螢幕有些脫落並持續閃爍或是鉸鏈有缺陷。針對此問題，三星電子對Galaxy Fold螢幕瑕疵問題作初步調查結果表示，瑕疵問題可能來自於鉸鏈頂部與底部外露區域所影響導致；另有一例則是在裝置內發現物質，影響了顯示螢幕的效能表現，問題原因是螢幕上蓋板被撕除以及絞鏈設計容易入塵。不論如何，Galaxy Fold此款亮相的折疊式手機已在市場上掀起一陣旋風，但這些不良之技術問題可作為其他製造商在推出同類產品的借鏡。
綜合以上資訊可知可撓式面板型式有內折、外折、S形等方式，智慧型手機業者若要採用內折式面板而言，須克服彎曲處灰塵侵入與彎折次數耐久性等問題。若未來想要再更進一步發展為外折式面板，則須克服因折疊時螢幕外露，螢幕易磨傷還有在掉落時彎曲處螢幕易損壞等問題。至於S形可撓式面板，應用上除平板電腦外，還有機會應用於NB等更大行動裝置，但是此方式須同時解決內折式與外折式之問題，技術難度更高。
而先前並未出現在智慧型手機產業的軸承，在新發表之可撓式顯示器上也看到了新應用，軸承廠指出，折疊式手機的軸承與NB大不同，包括開合耐受次數須增加10倍以上，因開合次數需求量大，磨損多，因此機構件之間的配合間隙不能太大。軸承薄度也遠較NB薄，且由於消費者使用手機的距離較NB近，生產精細度也須大幅提升，廠商預估量產可能要等到2020年。
可撓式顯示器上蓋板使用材料
可撓式顯示器可能須重新設計研究的零組件設計包括：面板、相關新材料、軸承、機構件、電池、聲學元件、前後鏡頭、生物辨識模組、感測器、天線、PCB，其中變化最大的，就是面板與軟性材料，或許還有新軸承的應用與設計。現階段可撓式顯示器以最上方保護層(上蓋板)開發技術難度較高，因為須符合足以折疊的曲率半徑、反覆彎曲折疊的可靠度、變形強度等要求。若需達到較小的曲率半徑可撓式顯示器，目前須將保護層改採塑膠基板，底層膜(Base Film)亦改採耐熱性與硬度皆優於PET的無色聚醯亞胺(Colorless Polymide, CPI)。例如ITRI或三星電子以透明CPI材料取代康寧大猩猩玻璃(Gorilla Glass)。
為了生產大量及低成本化，國內外CPI廠商如達邁、達勝、Kolon、Sumitomo等皆致力於卷對卷之製程技術研究，原本預期折疊式手機關鍵零組件CPI薄膜，可望由日本住友化學、南韓可隆工業及SKC等3家主要業者角逐市場大餅，然近期傳出樂金化學亦有意加速投入CPI薄膜市場，亦已著手規畫產能投資，2019年CPI薄膜市場將因樂金化學加入戰局而變得更炙熱(圖3、圖4)。
圖3 韓國Kolon生產之整捲CPI產品照片
圖4 韓國Kolon生產之無色PI膜及其卷對卷生產設備之局部照片。
表面硬質膜層材料方面，壓克力(Acrylic)等高分子有機物雖然表面硬度不高，但具有柔軟性、可撓性之優點，而二氧化矽等無機材料可撓性可能較低，但表面硬度與透明度較高。故有機/無機之混成材料有希望來結合有機物與無機物優點，使CPI觸感接近玻璃，有助於改善可撓式面板採用塑膠類保護層時，質感不及玻璃之問題。例如韓國提出了用於可折疊顯示器覆蓋塑料薄膜的創新柔性硬塗層(Flex9H)，它具有類似玻璃的鉛筆硬度，塑料般的柔韌性和出色的光學透明度，其分子設計理念就是結合有機物與無機物之混成材料之優點，如圖5所示。
圖5 創新柔性硬塗層分子設計理念
如圖6所示，此Flex9H塗層的獨特製造工藝包括，A部分的塗層固化過程的示意流程圖，以及B部分的塗膜製造過程中的捲曲變化。
圖6 KAIST創新硬質塗層之獨特製程及步驟
連續製程技術方面，在表面硬質膜層塗佈時，維持塗膜厚度均勻性及精密捲繞對位(Roll to Roll)技術也是關鍵所在。在完成表面硬質膜層塗佈後，可撓式顯示器用CPI膜亦可再進行修飾(Decoration)，如低反射(Low Reflective, LR)、防霧(Anti Fog, AF)等等處理。圖7為折疊式OLED面板用保護層主要製程。
圖7 折疊式OLED面板用上蓋板主要製程
另外康寧正在開發厚度0.1mm的柔性玻璃，其彎曲半徑為5mm，目標期望讓玻璃彎曲而不影響其韌性。當前的設計目標是3~5mm的彎曲半徑，同時能提高玻璃的抗刮傷表現。該公司表示已向客戶提供樣品驗證中。
可折疊AMOLED顯示器塑膠上蓋板材料技術
以下則將以工研院開發之七吋可折疊AMOLED顯示器塑膠上蓋板，說明其材料技術要點。
塑膠上蓋板的技術說明
塑膠上蓋板之主要結構為無色聚醯亞胺(Colorless PI)基材及其表面之硬質耐磨層。其製作方法是採用溼式塗佈法來製備此一複合式之結構，其塗布設備為如圖8所示之狹縫式塗布機。
圖8 塑膠上蓋板塗布設備及塗佈方法
製作步驟
塑膠上蓋板之製作步驟如下所述：首先在玻璃載體上塗布一層剝膠層(De-bonding Layer, DBL)；接下來在剝膠層上塗佈上無色聚醯亞胺層；再來，在無色聚醯亞胺層塗布上硬質耐磨層。最後在硬質耐磨層固化後，此塑膠上蓋板從玻璃載體上剝離，塑膠上蓋板的結構如圖9所示。
圖9 塑膠上蓋板的組成結構及製作方法
其中表面硬質膜層之材料組成為有機/無機奈米複合材料，塗佈後先以95℃預熱以除去溶劑，之後使用紫外線(UV)讓材料幾秒鐘內進行起交聯反應而固化，這是低溫和快速固化之工藝。最後在製作七吋可折疊的AMOLED顯示器時，是使用光學透明粘合劑將塑膠上蓋板與可折疊TP/AMOLED顯示器完全層壓結合，可折疊的觸控AMOLED及塑膠上蓋板如圖10所示。在此研究中為了提高塑膠上蓋板的硬度，不斷增加厚度，以達到高硬度要求，同時也確保其光學特性。
圖10 可折疊的觸控AMOLED及塑膠上蓋板主要結構簡圖
提升塑膠蓋板耐磨性
在此項研究中，由於塑膠上蓋板主要用途之一是提高其耐磨性，而要獲得最佳耐磨性特性之表面硬質膜層，須讓基材料的化學反應完全，即須要適當的紫外線光源波長與能量。例如，表1中僅使用UVA波長，其抗磨損特性遠不如使用UVA~UVV波長者。
表1 硬質層在不同紫外線波長固化後之耐鋼絲絨磨擦特性之比較
而此塑膠上蓋板之光學特性量測如下圖所示，其在可見光之範圍內之透光度可保持在90％以上(圖11)。
圖11 上蓋板在可見光波段之透光度量測圖
在鉛筆硬度之研究上，工研院使用不同的PI基板塗上30μm厚的硬質層而得有不同的鉛筆硬度之塑膠上蓋板，實驗結果發現低楊氏模數的PI基底顯示出較低的鉛筆硬度，結果列在表2。而在可折疊AMOLED顯示器(含塑膠上蓋板)之實驗結果顯示本研究所開發之雛型品亦已通過6~7H鉛筆硬度測試，如表3所示。
表2 硬質層在不同PI基材上之鉛筆硬度特性之比較
表3 上蓋板在重覆折疊前後其表面鉛筆硬度並無變化
塑膠上蓋板觸控AMOLED面板整合驗證成果
工研院研究設計了塑膠上蓋板的材料性能測試並與觸控AMOLED面板結合工藝之開發。實驗結果顯示，本塑膠上蓋板具有7H鉛筆硬度並且在可折疊AMOLED顯示器上通過＃0000鋼絲絨/1kg荷重/500次之磨損測試。圖12、圖13分別為該研究開發之可折疊AMOLED面板/塑膠上蓋板雛型品使用＃0000鋼絲絨500g荷重及使用觸控筆以200g荷重來回2,000次之測試照片。另外此雛型品並可通過半徑3毫米/10萬次之折疊試驗。
圖12 7吋可折疊式OLED面板原型品之鋼絲絨來回磨擦試驗
圖13 7吋可折疊式OLED面板原型品之觸控筆來回壓痕試驗
結語
工研院產科國際所預估，2019年折疊手機銷量為140萬支，相關技術成熟量產約需2年時間，不過到2025年市場規模有望突破5,000萬支，至於Witsview則預估2019年折疊式手機將占智慧型手機市場滲透率0.1%，到2021年則為1.5%。而市調機構Strategy Analytics預估，折疊式智慧型手機的出貨量在2019年估計將可達到70萬支以上，預期2021年以及2023年將分別達到3,040萬支及5,010萬支的規模。另一市調機構UBI Research日前發布報告，預測2019年折疊式OLED面板市場規模為4.8億美元，2023年市場規模將上看246億美元。但誠如本文文初所述未來仍待克服之技術課題仍未全然解決，是未來材料開發商持續投入研發的重要題材，值得拭目以待。
(本文作者王麗菁/陳世明任職於工研院材化所；李淑幸/張正岳/葉永輝/張凱銘/鄭莛薰任職於工研院電光系統所)
