OLED 如何制成可折叠?可折叠屏幕手机供应链?

智能手机能像书本一样可打开跟阖上,屏幕一秒变大,立刻变成平板电脑,今年,手机及面板行业最重要的大事非“可折叠显示屏”莫属。这种可折叠屏幕的想法在产业已酝酿很长一段时间,三星显示(Samsung Display)投入研发已经超过 10 年,终于,2019 年,三星跟华为带来了可折叠屏手机的商用元年。

 
可折叠面板不论是材料开发或工序都相当复杂,但消费者追求更大屏幕,加上 2020 年陆续走进 5G 时代,4K、8K 高分辨率的视频传输可望走向普及,另外,传统智能手机的发展已有瓶颈,市场成长性消失,手机业者产希望凭藉可折叠手机“一机多用”的特色刺激消费者采购,创造新一轮的大换机潮,因此,可折叠屏幕是必然趋势。
 
但是,预期今年的可折叠式手机受到价格高、外观不够轻薄、软件操作及应用程序体验尚未完善等影响,初期市场很有限,各家出货量小,尽管华为消费者业务手机产品线总裁何刚指出,预计 Mate X 的月产能可达到 10 万台以上。但由于 Mate X 可能要到下半年才会开始真正出货,加上价格偏高,因此市场预估华为 2019 年度 Mate X 出货量为 20 万台,三星的 Galaxy Fold 预估出货量为 100 万台,以全球前二大手机厂一年出货量 3 亿台跟 2 亿台来看,是非常小的比例。
 
韩国 OLED 研究机构 UBI Research 指出,2019 年折叠式 OLED 市场仅为 4.8 亿美元,预计到 2023 年将增长到 246 亿美元。 UBI Research 首席执行官 Yi Choong-hoon 表示,可折叠 OLED 市场的快速增长是由于 7 英寸和更大尺寸的智能手机能够支持 4K 分辨率,成为 5G 通信时代的必备产品。OLED 面板制造商的价值将取决于可折叠 OLED 能否成功量产。

 

 Part 1:OLED 如何制成可折叠?

目前面板行业有两大主流技术:传统的薄膜电晶体液晶显示器(TFT LCD)以及有机发光二极体(OLED),后者又包括刚性的 Rigid OLED 以及柔性的 OLED,后者依据弯曲程度的大小,又分为可挠曲(Flexible)、可折叠(Foldable)、可卷曲(Rollable)三种。

 

 

 如何把刚性的 OLED 变成可折叠 OLED?一言以敝之:在面板架构中舍弃玻璃,以及改用柔性材料,包括底层的基板、触控面板材料、屏幕盖板等。

Part 2:制程需要做什么改变?

由于 OLED 对水气及氧气非常敏感,高水氧阻隔一直是制程的关键。
 
刚性 OLED 作法:玻璃封装:以玻璃作为阻隔水、氧穿透的主要基板,上下层各有玻璃,侧边则有 Frit Sealing 玻璃,再以激光把侧边和上下两片玻璃熔融在一起。
 
玻璃封装方式无法满足柔性 OLED 结构需求,取而代之的是软性封装(Flexible Encapsulation)技术,包含阻水气、薄膜封装(TFE,Thin Film Encapsulation)技术。
 
可折叠 OLED 作法:软性封装:受制于塑胶基板的耐温度及隔绝水氧的效果比玻璃差,必须在软性 TFT 基板(Flexible TFT Backplane)以及软性上盖板(Flexible Front Plate)增加阻水阻气隔绝层(Gas Barrier),同时,在 OLED 发光层上也会采用薄膜封装技术来保护 OLED,或是采取跟软性上盖板搭配的边缘封装(Edge Sealing)技术。
 
另外,还有一种混和封装(Hybrid Encapsulation):融合 TFE 与阻挡膜(Barrier Film)技术,但因生产成本较高昂,阻挡膜厚度较厚,灵活度相对受限,因此面板厂多选择发展 TFE 封装技术。
 
Part 3:新材料及关键材料有哪些?

刚性的 Rigid OLED 采用“玻璃”作为阻隔水、氧气的基板,但进入柔性 OLED 面板结构时,玻璃已不适用,尤其是可折叠 OLED 比可挠曲 OLED 的要求更多,因此,新材料的使用需求随之而生,同时一些既有的关键材料也必须因应可折叠的特色进行改造。
 
一、PI 基板及 CPI 膜。柔性基板主要有三种材料:塑胶、金属箔(Metal Foil)、柔性玻璃。一般玻璃为刚性,无法弯折,但保护玻璃大厂康宁投入研发可弯曲玻璃 Willow Glass 数年,去年也对外展示其研发的可折叠显示屏玻璃,但距离实际商用化仍有落差。
 
因此,目前在底层的基板部分,行业选择采用塑胶类基板,主流为聚醯亚胺(PI)基板,另外在上层的屏幕保护塑胶部分,可采用无色聚醯亚胺(CPI,Colorless Polyimide)膜,如三星的可折叠屏手机采用 PI 基板,供应商为日本的住友化学
二、可弯折的触控面板:ITO 替代材料,金属网格及银纳米线受瞩目。铟锡氧化物(ITO,Indium Tin Oxide)具有良好的导电性与透光性,已用于大多数的触摸屏中,但 ITO 触控线路受固有的脆性影响,在数次弯曲或较大幅度弯折后,电阻率(resistivity)会急剧上升,致使触控功能失效,另外 ITO 在弯折時也容易断裂,因此需要 ITO 替代材料。
 
目前替代材料有几项技术:金属网格(Metal Mesh)、银纳米线(Silver Nanowires)、碳纳米管技术(Carbon Nanotube)、导电聚合物技术(PEDOT/PSS)等,其中目前具高量产性的为金属网格及银纳米线,行业也分为这两大阵营。
 
金属网格是在塑胶薄膜上压制导电金属网格图案,以其折叠能力而闻名,据传已用于三星的可折叠手机。但缺点是金属线宽较粗,在高图元下摩尔纹(Moiré pattern)效益明显,即在图像上出现波纹,因此金属网格图样的线宽必须下降到 1um 左右。

 
银纳米线是将银纳米线墨水材料涂抹在塑胶基板上,利用激光光刻技术,刻画制成具有纳米级别银线导电网络图案的导电薄膜,透过单体散布中彼此的交错重叠来完成导电性,没有摩尔纹干涉问题,但会有较严重的漫反射,即雾度(Haze)问题,因此银线墨水的涂布均匀性非常关键。另外,金属自身并不透光,采用这两者技术的触控模组产品的透光性将依赖于非金属区域面积。
 
三、光学透明粘合胶(OCA,Optically Clear Adhesive)。OCA 为触控屏中用于多道贴合制程的重要材料,如两张 ITO 导电薄膜(ITO Film)的对贴、ITO Film 跟保护玻璃的贴合、将触控模组跟显示屏贴合变成触控显示模组等,目前业者需针对可折叠式面板的高耐弯曲需求推出相对应方案。
 
四、圆偏光片(CPL)。一般来说,硬式 OLED 面板整体厚度 1~2 毫米(mm),可折叠 OLED 面板的厚度必须在 200 微米(μm)以内,为硬式面板的十分之一,但传统的 CPL 厚度约 150μm,对于 OLED 柔性应用是一项阻碍,所以行业正积极研发薄型的 CPL,必须瘦身约至 30μm 左右。
 
五、多轴精密铰链/轴承(Hinge)。可折叠屏幕手机在屏幕折叠处的设计大约有两种方式,一种是采取铰链的机构件设计,二是不使用铰链,而是利用磁吸式结构、以及类似魔术贴、钩和凹口等结构来配合,目前不论是柔宇、三星或华为都是采用铰链式设计。
 
铰链/轴承这类的机构件其实应用在很多的消费性电子产品,特别是笔记本(开阖屏幕)、桌上型显示屏或是电视(调整屏幕上下的角度),但用于可折叠屏幕手机的方案则完全不同于笔记本及显示屏,必须开发全新的结构。
 
六、可挠式电池?之所以打问号,在于不必非得使用可挠式电池,可以延续现有手机的设计,将电池置放在其中一端或两端的屏幕下,使用传统的手机软包锂电池即可。
 
Part 4:量产的挑战有哪些?

一、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。应力是指当材料受外力作用,内部产生抵抗的力量,单位面积所受的内力。为了实现该技术,必須防止面板折叠时材料受损,包括控制每一层材料跟接触面(折叠区域)的应力,选择合适的基板,确定理想的堆叠结构,以及优化剥离过程,都是关键挑战。
 
二、PI 基板孔洞的修补。制作可折叠 OLED 面板时,会先在 Carrier 在上面涂布 PI 材料,涂布时需要涂上厚厚一层 ,待其干燥之后约剩下 10μm,故 PI 材料表面容易产生诸多孔洞、不平整,所以在其上面制作 OLED 的良率比较差,此这个制程每一家面板厂有不同的修补方式,考验各家业者的技术高下。
 
三、静电放电(ESD,Electro Static Discharge)。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,但塑胶基材比玻璃更容易产生静电,在塑胶基材上制作的 OLED 很容易受到静电伤害,为导致折叠式面板生产良率低的原因之一。
 
四、因折叠而引起面板特性变化。可折叠 OLED 显示屏比一般柔性 OLED 有更复杂的结构,必须克服由折叠所引起的各种面板特性的变化也就更大,特别是克服 TFT 电阻变化的补偿电路技术、折叠和展开屏幕时所需的弹性,均是典型的技术难点。
 
五、曲率半径。业界通常以“R 角”来表达面板可弯曲的程度,例如 LG 在 2017 年开发出 2.5R 的可折叠面板,三星在去年展示的可折叠屏幕手机的原型则是 1.5R,另外,柔宇、三星及华为则没有透露其量产可折叠屏手机的曲率半径。
 
目前行业的共识是要量产的可折叠式手机至少得在 3.0R 以下,长远的目标是达到 1.0R,就几乎可完全服贴对折,因此折叠曲率半径不仅是面板量产上的考量重点,更是评估各面板厂技术水准高低的指标之一。
 
此外,折叠方式分有“外折”(outfolding)及“内折”(infolding),至于哪一个工艺比较难,行业则存在不同意见,DT 君咨询行业人士时,有人认为,外折设计是屏幕显示在最外头,容易与外物接触,在耐刮、耐摩擦、耐冲击三大要点的要求比内折式高出许多,故外折的技术难度高;但有另一派意见认为,内折的曲率半径较小,生产难度较高。目前看来,外折、内折孰优孰劣未有定论,但已经成为各家业者宣传自家产品比对手厉害的话题。
 
六、弯折次数跟速度:折叠除了涉及面板与机构件、软件的连动整合外,弯折之后的机械强度亦是挑战,DT 君采访了铰链/轴承制造商,业者透露已跟多家大陆手机品牌展开合作开发,并正准备专利申请。目前已知的是华为 Mate X 铰链供应商为台湾零部件厂奇鋐。
 
过去笔记本屏幕的开阖测试标准常规为 2~3 万次(依机种不同),可折叠屏手机至少得达到 20 万次,因此业者正在开发高耐久度的铰链,使得显示图像质量和表面不会出现异常,另外弯折的速度也必须考量进去。
 
Part 5:可折叠屏幕手机供应链?

在 OLED 面板领域,韩国及中国占据重要角色,不过在材料部分,日本明显居领跑地位,重要供应商集中在日本,其他则有美国及韩国。

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