skip to main content

折疊手機彎曲技術超越極限

作者 Kerry Cunningham

經過多年來對移動裝置柔性、折疊螢幕的討論後,這類最符合邏輯的折疊手 機今年將首度上市 — 但同時仍然面臨一些尚未解決的問題和挑戰。早期的採 用者樂於接受市場推出的這類令人振奮的新技術 ( 圖 1)。但從業界廣泛觀點 來看,哪一種手機設計才會嬴得消費者的歡心?必須克服哪些科技和技術性 障礙才可實現量產?

圖 1. 折疊裝置類型。( 圖片來源 - 從左上角開始依順時鐘方向:Technobezz, itechfuture, mspoweruser, Forbes)

在開發折疊手機或其他裝置時,有很多問題需要 解決,包括電池壽命、外形因素、製造成本和價格。 當然,最明顯和最困難的問題是開發出可支援經常彎 折的顯示螢幕,因為用戶將在好幾年的時間內經常開 合他們的裝置。本文將探討所有這些問題。

電池壽命

折疊式類平板手機最矚目的折疊式設計,也可能 是減少電池壽命的一個主要原因,因為這類手機要為 兩個顯示幕提供電池電力。智慧型手機的電池容量通 常是 4,380 mAh,視使用頻率而定可能可以待機兩 天,但支持大於 7 吋的迷你平板螢幕運作需要更多的 電力。折疊螢幕的開合以及螢幕之間的切換,也會消 耗電力。因此,留給消費者的是更短的電池壽命,或 更厚重的手機。

外型因素

智慧型手機的趨勢是螢幕越來越大,手機整體越 來越薄,並且隨著採用 OLED 和電池技術的進步而具 備愈來愈好的性能。但當口袋中的手機厚度變為原來 習慣的兩倍,消費者是否會感到滿意呢?

成本和價格

根據 OLED 顯示器成本模型來看,標準的7.3” QHD OLED 顯示螢幕的成本是 50–35 美元,觸控組 件的成本是 15 美元。相較之下,折疊式 7.3” WQHD OLED 折疊顯示螢幕的成本是100-70 美元,觸控模 組的成本是 25 美元。觸控層和封裝的特殊材料佔增 加成本中的大部分。

製程不成熟造成生產良率低,也是使成本增加 的原因。標準智慧型手機 OLED 顯示螢幕的良率是 60–70%,而折疊螢幕的良率卻低於 30%。此外,現在 仍難以衡量消費者對折疊式行動裝置的接受度以及普及 的程度。雖然初步預測顯示消費者有很強烈的興趣 ( 圖 2),但初期銷售量卻很低。這顯示消費者對這類技術有 高度的興趣,但從零售層面來看則抱持觀望態度。

圖 2. 折疊 OLED 出貨預測。( 資料來源:IHS Market)

挑戰彎曲極限

圖 3. 彎曲測試失敗模式。 ( 資料來源:Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials, Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015)

在彎曲問題上,目前還未開發出明確解決方案, 但應用材料公司正針對該問題進行大規模的研究。

可彎曲折疊裝置必須採用柔性 OLED 技術,因為現 行的 LCD 薄膜電晶體 (TFT) 無法適用在重複彎曲的裝 置。基於相同原因,基板必須是聚醯亞胺,而不是玻璃。

組成顯示螢幕的整體層堆疊必須超薄和非常堅固, 整體厚度 ( 包括 OLED 裝置) 要小於 1.0mm 。需要的 膜層包括:折疊基板上的 TFT、覆蓋 TFT 的隔離層、 隔離層上的 OLED、基板上的封裝層、與封裝層結合 的柔性觸控式螢幕面板、和一層保持顯示膜的光學性 質的硬塗層窗膜,( 可能) 使顯示螢幕表層可以抗刮、 耐磨損和撞擊。手機彎曲時,所有這些膜層必須保持 正常功能。

彎曲這種堆疊的多層膜時,堆疊中有個位置稱為中 性軸或 ( 中性彎曲面),該處的應變力為零。找出中性 面內的顯示模組位置可將應變和應力降到最小。

這之所以這麼重要是因為在向內彎曲上的太多壓縮 應力會導致屈曲和剝離,而過大的拉伸應力可能導致 破裂和剝離 ( 圖 3)。雖然作為獨立的薄膜,顯示螢幕 堆疊中的每個元件可以彎曲到相對較小的半徑 ( 小於 5 mm) ,但當元件黏合後彎曲時,機械應力在結合層之 間傳遞,在堆疊的多層膜中出現拉伸和壓縮力,導致 結合層的剝離和屈曲。

因此,工程師對黏合的方式進行改善,使堆疊膜 層作為單獨的元件起作用,不受相鄰膜層的約束。這 是為了在顯示螢幕堆疊彎曲 ( 特別是彎曲半徑小於 5 mm) 時,可以防止機層的剝離和屈曲。

進入測試階段

圖 4. 折疊基板的臨界應變公式。( 資料來源: Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials, Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015)

應用材料公司顯示及柔性技術事業群 (DFT) 的研發 部門測試了聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 膜的薄膜封裝, 以評估薄膜的可靠度,以及是否能夠保留原有特性來 作為防止空氣和水氣侵入OLED 材料的屏障。

低於 1% 的整體臨界應變目標是楊氏模數的一個函 數,或定義材料中的應力和應變之間的關係,以及基 板整體厚度 ( 圖 4) 的機械特性。

DFT 事業群測試了堆疊在 50μm PEN 基板上的多 層薄膜封裝膜。這項測試包括在專門的彎曲測試機器 ( 圖 5) 上,將基板以半徑 2.5mm 彎曲 200,000 次。 在 1% 應變係數下初始結果顯示沒有明顯可見的裂痕。

然後 DFT 事業群測試PEN 薄膜,以1% 應變為 基準,探索各種不同 PEN 厚度薄膜可達到的最小彎 曲半徑。125μm PEN 基板可以彎曲到半徑 6mm,而 50μm 可以彎曲到半徑 2.5mm,15μm 可以達到 1mm 的彎曲半徑 ( 圖 6)。

圖 5. 彎曲測試條件和彎曲測試工具固定裝置。( 資料來源:應用材料公司DFT 事業群)

圖 6. 測試結果,在目標 1% 應變的彎曲半徑和PEN 基板厚度。( 資料來源:應用材料公司DFT 事業群)

在彎曲測試後,DFT 事業群在溫度 40° C、相對濕 度 100% 下測量水蒸氣透過率(WVTR) 超過 150 個小 時。實驗結果達到 1.89E-5 g/m2/日 WVTR,這證明了 OLED 的 TFT 可以在完成 200,000 次彎曲測試後 ,依 然保持可靠的阻絕效能! ( 圖 7)

圖 7. 彎曲測試後,阻隔薄膜的水蒸氣穿透率的測試結果。( 資料來源:應用材料公司DFT 事業群)

另一個主要問題:皺摺

當螢幕對半折疊時會產生皺摺,完全打開時您一 定會看到皺摺。當前,產生皺摺是無可避免的,而且 短期內沒有明確的解決方案。目前還不清楚,習慣於 明亮的高解析度螢幕 ( 請參閱圖 8) 的消費者是否會 接納並不完美的折疊螢幕設備。

圖 8. 左側的兩張照片顯示折疊手機上的螢幕皺摺,右側的相片顯示重複折疊造成的顯示邊框損壞。( 資料來源:Phone Arena 和 The Verge)

皺摺上有個必須要解決的問題是,在顯示螢幕 的邊框中形成的間隙,會讓異物進入顯示螢幕並使 OLED 材料劣化,縮短設備的整體壽命。

結論

克服技術問題、消費者對外形的接納程度、降低 成本和如何將其定位於高端市場,這些都將是決定 是否成功採用此新技術的重要因素。然而折疊手機 不是即將到來,而是已經到來 — 應用材料公司正協 助客戶將這類產品由可能變成現實。

Kerry Cunningham 為應用材料公司顯 示及柔性技術事業群 (DFT) 產品行銷經 理。如需更多資訊,請傳送電子郵件到 kerry_cunningham@amat.com 與他 聯繫