材料/面板結構選擇成關鍵 智慧手表觸控技術再升級

2016-08-29
智慧型手表觸控技術更上層樓。2015年智慧手表出貨量有爆發性成長,誘發智慧手表相關供應鏈全力布局適合智慧手表的觸控技術。受惠於材料、AMOLED和GG發展的演進,觸控技術大幅躍進,為智慧手表的人機介面帶來突破性的進展。
智慧手表的基本想法至少在20多年前就已經開始,但是都稱不上是真正大量生產、並且蔚為風行。大約自2013年開始,一些新創公司(像是Pebble)開始嘗試智慧手表;而到了2014年時,一線品牌像是蘋果(Apple)、三星(Samsung)、樂金(LG)、摩托羅拉(Motorola)等更是積極推出他們的智慧手表產品。同時,Android Wear和Apple的Watch OS平台也正式發表。智慧手表在2015年有了突出的成長,不過這是因為一開始的基期低的緣故。至今智慧手表是否能否像智慧型手機一樣成為另一個隨身的基本配備,其實都還存在不少的爭論;原因包含這個新產品的定位、合適的人機介面,以及應用端的成熟度與不可或缺性。  

智慧手表產品定義與定位  

談起智慧手表並沒有一個嚴格的定義,與一般智慧手環產品更可能有若干重疊之處。雖然智慧手環通常沒有顯示螢幕或是僅有簡單的LED指示燈號,但是這也未必是絕對的;Fitbit的Charge系列也有一個簡單的OLED螢幕可以做文字與時間的顯示。比較合適的類推是可以援用智慧型手機(Smart Phone)與功能手機(Feature Phone)的定義:如果該手機的作業系統屬開放、且可以安裝第三方的應用程式(App),那麼就可以稱之為「智慧型手機」。依照這個定義,就可以排除過去一些可以支援Java遊戲下載的功能手機。正因為應用程式開發商需要軟體開發套件(SDK)以撰寫程式,同時作業系統端也需要完善應用程式介面(API)以供應應用程式端利用,並且考慮程式執行與較多的輸入輸出;因此,智慧型手機作業系統的設計難度與硬體規格都比功能手機來得高許多。  

以這個定義來檢視智慧手表就可以有比較清楚的分界線。Fitbit的多數產品主要是建立在感測器上,並仰賴同步到智慧型手機端以對應的應用程式做較完整的檢視;產品本身並不允許安裝第三方的應用程式,同時其顯示螢幕與繪圖處理器(GPU)都無法支援太多的訊息和顯示細節。Apple Watch一開始雖然也無法安裝三方的應用程式,但那只是一開始的過渡時期。Android Wear比起手機用的Android作業系統雖然有諸多限制,但是開放、安裝第三方應用程式則是相當明確的。  

因此,我們可以了解到:智慧手表的定位還不明確,與智慧型手機之間是相輔相成、各自獨立,或是取代角色,其實都不會在短期內得到答案;但是藉由開放性、豐富的感測器,與應用程式的創意,智慧手表的定位就會在摸索中逐漸浮現出來。  

相對地,智慧手環的定位則是訴求專一和簡單,以較精簡的軟硬體架構與可負擔的價格,直接而明確地滿足使用者的目的,所以也不像智慧手表般有較高的豐富性。而正因為這個定位上的差異,智慧手環不一定要具備顯示螢幕,而其有限的面積也使觸控顯得多餘。智慧手表則多半配備1.5吋到2吋之間的螢幕,觸控螢幕就有其必要;不過,考量智慧手表的使用情境,不像觸控螢幕在智慧型手機為主要的人機介面,通常智慧手表還會其他輔助的人機介面。  

智慧手表需求湧現 終端廠商競相布局  

根據IHS Touch Panel Tracker報告的調查,智慧手表的觸控模組出貨量在2014年約有將近4百萬片,到了2015年則跳升到2千1百萬片,年成長率高達434%(表1)。由於每隻智慧手表需要消耗一片觸控面板,因此觸控面板的出貨量也是智慧手表出貨量的參考指標。這裡所指的出貨量是供應鏈端(Sell-in)而不是終端銷售(Sell-through),兩者之間的落差在所難免。不過,品牌若是遇到銷售動能不足,自然也不可能備太多的庫存,兩者間的落差也不會是難以想像。  

2015年期間最重要的產品自然是Apple Watch;2014年的出貨量約2百萬,而2015年就高達1千6百萬。換句話說,光是Apple Watch的出貨量就佔了2015年總體出貨量的76.5%。但是,即使在2015年有了高幅度的成長,進入2016年後卻顯得繼續衝刺的力道緩了許多(表2)。除了第二代的Apple Watch可能要到第二季底或是第三季才會發表外,Apple也需要對目前的Watch OS平台多做翻新。除了加強應用端外,可能也會開放給Android系統的智慧型手機連接,而不是侷限在iPhone的iOS平台,以此帶動Apple Watch的銷售力道。  

另外,Samsung的智慧手表仍舊堅持自己的Tizen平台。LG雖然有支援Android Wear,甚至與汽車廠展示了智慧手機作為電子鑰匙的應用,但尚未引起使用者的廣大迴響。我們可以說,雖然眾多品牌陸續投入智慧手表,但是智慧手表在軟硬體平台和人機介面上都還處於摸索的階段。因此,智慧手表在經歷對科技熱衷的初期使用者階段後,上述關鍵因素的完善度必然會影響後續市場普及的速度。  

智慧手表觸控技術朝AMOLED/GG發展  

以第一代的Apple Watch來看,主要的人機介面包含觸控螢幕、數位轉軸(Digital Crown)和Siri語音辨識(Speech Recognition)。由於觸控面積小,數位轉軸其實發揮了相當不錯的輔助效果。類似的概念其實在Samsung Gear S2也可以看到,只不過是設計成了圍繞圓形螢幕的轉盤(Dial)。由於Apple與Samsung品牌的強勢,這兩家在觸控技術的選擇上就很大程度地影響了出貨比重。  

2013年時,Apple Watch尚未推出,所以Samsung偏好的外掛式(On-cell)有機發光二極體(AMOLED)就成了主要採用的技術,並且佔了約78%的出貨比重。到了2014年Apple Watch正式登場後,On-cell AMOLED就掉到30.8%;而Apple所採用的雙玻璃(GG)結構佔了51.3%,而到了2015年GG更是佔有76.5%。其他比較零星的結構,像是GF三角形約占有8%左右。雖然GF三角形並不算是真正的多點觸控,但由於觸控面積小,其實這種結構也已經相當夠用。另外,雖然有些廠商偏好導電膜(GFF)(2015年約占1.9%),但這可能是在摸索期間以熟悉的結構與供應鏈開始的緣故;長久來看GFF的厚度、成本等並不適合智慧手表的觸控需求。  

Samsung會選擇On-cell自然與AMOLED面板的特性有關;由於AMOLED的封裝玻璃沒有彩色濾光片製程,因此用來承載觸控感應器(Touch Sensor)是相當合適的。  

即使未來採用可撓式AMOLED(Flexible AMOLED),Samsung仍舊會採用這種結構。 以智慧型手機用的可撓式AMOLED來說,在2015年時Touch Sensor是採用一張SITO線路的氧化銦錫(ITO)薄膜,堆疊上類似GF結構;之所以採用這樣的結構,與可撓式AMOLED面板一開始較低的良率有關,將Touch Sensor製程分開,有助於維持面板的生產良率。但是,到了2016年,這一張ITO薄膜就放到偏光板下方,成了On-cell結構。不過這種On-cell結構是種過渡時期的設計,Samsung真正最終的On-cell結構會是直接在面板的薄膜封裝(Thin Film Encapsulation)上完成Touch Sensor的圖案蝕刻,甚至以後有機會取消偏光片的使用。這樣的精簡結構雖然對製程來說是很大的挑戰,但是也因為如此才能彰顯可撓式AMOLED在面板厚度、可撓性與玻璃式的AMOLED和LCD不同之處。  

Apple會選擇GG結構算是比較令人感到意外。雖然過去Apple曾經在iPhone上使用GG DITO(單一玻璃、雙面ITO)的結構,GG結構不論是靈敏度、穩定性等都相當傑出,但是厚度是最大的缺點。第一代的Apple Watch採用的是LG Display的可撓式AMOLED,但是Apple Watch並未如Samsung的Galaxy Edge手機般,以邊緣彎折的曲線來強調其可撓性。即使是因為一開始的面板良率使得較不傾向On-cell結構,但在iPad系列上導入取代GG DITO的GF2(單一薄膜、雙面ITO)應該也會適合的做法。最終,Apple Watch的GG作法是單一玻璃、SITO圖案鍍膜,然後再將0.4mm的玻璃薄化到0.2mm。當然,Apple並非就不能選擇GG結構,或許是有其他我們未能知道的考量。  

作為一個剛開始起步的新應用,智慧手表仍舊在發展中嘗試可能性,其觸控面板技術也是一樣。由於Apple與Samsung的智慧手表都已經採用AMOLED,因此未來On-cell技術的比重應該有機會拉高,甚至翻轉成為最主要的觸控技術。但是,LCD陣營也以穿反式的技術應戰,其最大的好處是在強光下的可視性甚高(如同電子紙原理,以環境光、而非背光做光源)。OLED本身作為一個主動式光源,除非亮度調到極高(功耗與材料壽命差),否則仍是難以與日爭輝。LCD面板的觸控技術選擇除了In-cell、On-cell外,外掛式也會是選擇。  

除了對未來模組堆疊有更薄的期待外,智慧手表的觸控技術和智慧型手機基本上相同,而材料上也是類似。觸控面板的重要材料包含了表面玻璃與觸控線路材料。兩者在表面玻璃使用上最大的差異是藍寶石;智慧型手機基本上不用藍寶石,但是藍寶石卻一直是傳統高級手表的選項,自然智慧手表也會採用。  

智慧手表觸控相關材料  

智慧型手機之所以不用藍寶石自然與成本有關,成本高昂的緣故主要受限於藍寶石基板的大小。藍寶石與玻璃完全不同,玻璃比較像是一種凝固後的膠狀混和物,可以用錫浴法(Tin Bath)或是下拉法(Draw-down)生產;單一玻璃基板的尺寸可以大到3公尺乘以3公尺(G10:2,940×3,340mm)。相對地,藍寶石來自於長晶過程,是一種單晶結構,長成晶棒(Ingot)後再經掏棒、切割、研磨等過程做成基板,主要(直徑)尺寸從2吋、4吋、到8吋左右,12吋的已經很少見,成本也相當高。  

正因為基本基板的尺寸限制,藍寶石用在智慧型手機的經濟切割率相當不佳,特別是以目前智慧型手機約在5吋到5.5吋的大小來看,一片6吋或是8吋的藍寶石基板就整個用掉、而且較低的經濟切割率產生過多的廢料。如果再加上後續的2.5D外型加工,成本會更高,至少是鋁矽酸鹽玻璃(Aluminosilicate)10∼15倍以上價格。不過,智慧手表主要約在1.5吋到1.6吋之間,可以用2吋或是4吋的藍寶石基板來切割。  

用藍寶石來做表面玻璃可以做不同產品線定位的差異化。以Apple Watch來說,Sport版本以鋁矽酸鹽玻璃來搭配鋁製機殼,但是高階機種就是藍寶石加上醫療級不鏽鋼機殼。此外,智慧型手機屬於密集使用,因此高階機種往往會加上抗反射(Anti-reflection)、抗指紋(Anti-fingerprint)塗層導致成本墊高;智慧手表的單次使用時間較短、而且面積小,這些附加的成本也會降低。  

表面玻璃外型也是個關鍵因素,2.5D會是個兼顧外型與成本的趨勢;3D會使得加工良率變差、成本跳升、表面玻璃易碎裂,即使是藍寶石的耐衝擊性也並不算太好。然而,智慧手表的定位除了是電子產品外,未來也比較有傳統手表奢侈品想像的空間,因此材料的選擇雖然與實際功能毫無關係,但是卻對售價有加值的作用。這就是為什麼第一代的Apple Watch雖然不盡如人意,但是Apple卻還是相當熱衷與精品品牌合作推出各種錶帶。  

在觸控線路材料上,ITO應該還會是主要的材料。ITO經過重覆彎折約50次到100次後,阻抗值確實會明顯跳升、不穩定,但是目前智慧手表的顯示螢幕加上表面玻璃後,形狀其實都是固定的,因此就不會有重覆彎折的問題。不過,隨著可撓式顯示螢幕越來越成熟,可彎折的外型設計終究會到來,ITO還是會被其他材料給取代。  

新一代的觸控線路材料必須滿足三個要素:光線的穿透性、線路的導電性,與材料的可能性,奈米銀絲(Silver Nanowires)會是個良好的選擇,其他像是金屬網格(Metal Mesh)、奈米碳管(Carbon Nanotubes)、石墨烯(Graphene)等,也都有可撓性觸控或是電子線路的開發。這些新一代的觸控線路材料並不一定要用在外掛式觸控模組的玻璃或是薄膜基板上,也可以用在內嵌式觸控面板的線路或是電極上。  

首重人機介面技術 智慧手表擴大普及  

觸控對於智慧型手機來說是相當有用、而且是主要的人機介面,但是當顯示螢幕過大或是過小時,觸控在使用時就不是那麼順手。因此,智慧手表除了導入已經在智慧型手機成熟的觸控介面外,一些特別能符合智慧手表使用情境的新的人機介面還在發展或是改進中,Apple的數位轉軸或是Samsung的轉盤都是很容易想到、導入的作法。  

在2015年的Google I/O中,Google為Android Wear平台開發了「手腕操作」(Wrist Gesture),這是一個利用手表內建的慣性微機電感測器(Inertial MEMS)與相關演算法來作人機介面,比Apple的數位轉軸更直覺,使用者只要透過移動或是轉動他的手腕,就可以等同是操作指令。有一家新創公司(Deus Ex Aria)也提出了手勢的相關做法。  

除了「手腕操作」外,2015年時Google還提出一個令人耳目一新的手勢操控技術,稱之為Project Soli,該技術利用雷達的原理去追蹤細微的手勢對雷達波反射造成的差異。在Google的展示中,整個模組已經可以封裝在10×10mm的晶片中。語音辨識也是重要的人機介面發展趨勢。語音辨識的關鍵不在於麥克風,而是在於透過語音辨識後對於語意的理解,這就需要仰賴人工智慧、機器學習等領域的進步。例如:Google本來就支援語音搜索,但是一直到近兩年其正確度的進步令人驚喜。  

智慧手表/手機商機夯 迎向個人化運算時代  

由於科技電子業的快速步伐,產業習慣性地不具有足夠的耐心去觀察使用者的潛在需求與想法,往往受限在硬體升級來驅動需求的思維中,最終導致同質性高、過度競爭、薄利化與產能過剩。然而,當電子產品從比較理性、功能需求導向的個人電腦走向智慧型手機後,其實一個較無關生產力的、較個人化的運算時代已經到來;智慧手表更有可能比智慧手機更具有這個傾向。  

智慧手表經過Apple Watch的上市已經吸引了大眾的目光,雖然改變使用者行為需要時間,但另一方面智慧手表的軟硬體架構、感測器、人機介面,以及將這些緊密整合後、已讓使用者更自然地使用在平常生活中等層面,都還有進一步完善的空間。  

(本文作者為IHS研究總監)

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