显示技术展:可折叠屏手机,涉及关键材料有哪些?

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 2019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,初期市场有限,各家出货量都较小。

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。但因Mate X要到下半年才会开始出货,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。
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。而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及有机发光二极体。
有机发光二极体又包括刚性的Rigid OLED以及柔性的OLED,依据弯曲程度的大小,又分为可挠曲、可折叠、可卷曲三种。

 

 

 

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。即以玻璃作为阻隔水、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技术,包含阻水气、薄膜封装技术。

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基板及软性上盖板增加阻水阻气隔绝层。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技术。

另外,还有一种混和封装。融合TFE与阻挡膜技术,但因生产成本较高,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、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,主流为聚酰亚胺基板。在上层的屏幕保护塑胶部分,可采用无色聚酰亚胺膜。

二、可弯折的触控面板:作为ITO的替代材料,金属网格及银纳米线极受瞩目。
ITO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,电阻率会急剧上升,致使触控功能失效。

另外,ITO在弯折时容易断裂,因此需要ITO替代材料。
目前替代材料有几项技术:金属网格、银纳米线、碳纳米管技术、导电聚合物技术等。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。

其缺点是金属线宽较粗,容易在图像上出现波纹,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,用激光光刻技术,刻画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。

该方法没有摩尔纹干涉问题,但会有较严重的漫反射,即雾度问题,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。

四、圆偏光片(CPL)。一般来说,硬式OLED面板整体厚度1~2mm,可折叠OLED面板的厚度必须在200μm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,所以行业正在研发薄型的CPL,必须瘦身至30μm左右。

五、多轴精密铰链/轴承。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,二是利用磁吸式结构及类似魔术贴、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。

六、可挠式电池?之所以打问号,是因为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,必须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、堆叠结构,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,导致制作OLED的良率较差。

三、静电放电(ESD)。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。塑胶基材比玻璃更容易产生静电,在塑胶基材上制作的OLED容易受到静电伤害,导致折叠式面板生产良率低。

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。
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。

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。

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。

 *内容摘自功能膜材料创新域

 

 

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