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拇指姑娘與人臉的戰爭
屏下指紋辨識技術與市場趨勢

【作者: 季平】   2021年06月24日 星期四

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與人類生活密切相關的智慧裝置首推手機,當手機像八爪魚般掌握人類的食衣住行育樂,具備通訊、資料儲存、支付、聯網、身分辨識等多重功能,資安問題就成為重中之重。


手機身分確認、辨識與解鎖功能在2017年蘋果iPhone X推出Face ID(人臉辨識)後進入另一個新高度,手機業者思考的是如何兼顧使用者習慣,將感測及顯示技術的功能發揮到極致又能符合成本效益,除了人臉辨識,還能仰賴哪種生物辨識技術?答案是拇指姑娘-指紋辨識。


生物辨識夯 屏下指紋脫穎而出

除了人臉辨識,已知的生物辨識種類,還包含指紋、聲音、虹膜、靜脈、DNA及步態,但應用在手機的生物辨識種類以指紋、人臉及虹膜為主。生物辨識具有不易遺忘、不易遺失、不易偽造及盜用、可隨身攜帶、24小時使用等優點,而且可以加速付款流程,由於行動支付已逐漸取代傳統貨幣、信用卡等支付工具,功能需求越來越高。


工研院材料與化工研究所經理陳品誠指出,隨著智慧手機朝向大屏幕發展,指紋晶片面臨無處可放的困境,多年來遊走於手機正面、背面或側邊,但這些地方與人類習慣的按壓模式並不相配,因此促使指紋辨識廠商往屏下(Under-display)研發,甚至整合面板技術,往大面積、全屏按壓的目標邁進。


陳品誠認為,手機是屏下指紋辨識發展的火車頭,當大家習慣後就會運用到其他地方,如門禁電子鎖、保險櫃、槍櫃、信用卡、其他穿戴式裝置,以及車用解鎖裝置等。


屏下指紋跟人臉、虹膜相比具有三個優勢:


一、大家對操作習慣最快接受;


二、成本最低;


三、模組大小最容易被手機接受。


至於劣勢有二:


一、安全性較差;


二、某些情境會導致辨識效果較差。


比方手指碰到水、髒污或乾燥容易影響辨識效果,「人臉辨識方便、快速,而且是非接觸式,但遇到口罩、眼鏡、光影、表情及環境因素也會干擾辨識效果,虹膜的缺點與人臉雷同。」虹膜造假難度最高,所以安全性最高,其次是3D人臉,再來是指紋,但普及率正好相反。


指紋、人臉或虹膜導入手機需要考量許多因素,比方成本、消費者使用習慣等,虹膜要對著眼睛掃描,加上虹膜模組較貴,相對不好推廣,指紋與虹膜的成本相差五到十倍,雖然與人臉、虹膜相比更容易被破解,卻可以守住基本盤,滿足多數手機需求。研究顯示,因應解鎖、行動支付與App授權需求,生物辨識已逐步取代密碼、PIN碼,逾70%的手機已搭載生物辨識功能,高達82%的消費者使用過搭載生物辨識功能的手機。



圖一 : 逾70%的手機已搭載生物辨識功能,高達82%的消費者使用過搭載生物辨識功能的手機。(source:工研院材化所)
圖一 : 逾70%的手機已搭載生物辨識功能,高達82%的消費者使用過搭載生物辨識功能的手機。(source:工研院材化所)

全球生物辨識市場中,北美佔比最高,約佔總體市場的三分之一,其次是亞太地區的25%,其次是歐洲、中東和印度、中南美洲、非洲地區。其中,美國是全球主要的生物識別市場,規模超過10億美元。Digital 2020報告指出,全球超過51.9億人使用手機,手機搭載生物辨識系統勢必成為研發重點。


Acuity Market Intelligence則預測,與智慧型手機、穿戴裝置及平板電腦有關的生物辨識市場年營收,將從2016年的65億美元成長至2022年的506億美元,年複合成長率上看41%;平板電腦及穿戴裝置搭載生物辨識功能將於2022年達到100%的普及率。


屏下指紋發展三部曲

「指紋的主要需求是解鎖與支付,解鎖只要安全性夠即可,若用於支付,安全性就要更高,這也是未來指紋辨識技術要加強的部分。」陳品誠認為,屏下指紋發展最大的問題是屏幕面積太窄,感應器窄,可以抓到的指紋面積較小,連帶影響安全性,「覆蓋面積大,抓取指紋越完整、越安全,所以點數越少越難解鎖,反之,如果很容易進去就代表安全性過於寬鬆。」


屏下指紋辨識位置包含屏上、屏中、屏下,技術影響位置,另外也有手機背面、手機側邊等位置。基本上,側邊手機最便宜,至於手機背面安全性沒問題,不過很多人不習慣這樣的操作動線,屏下位置是從iPhone 6S開始,位置最順手,也是多數使用者能接受的位置。


屏下指紋大分電容式指紋、光學式指紋與超聲波指紋,陳品誠指出,若三者面積一樣,效果差不多,差別在於技術,市面上常見的手機側邊、背面指紋辨識都屬於電容式指紋,無法放在屏下,屏下指紋只有光學及超聲波兩種,「手機面板都有cover glass,電容放在玻璃下訊號會很差,無法辨識。光學與超聲波雖然可以隔一層面板厚度感測,但面板厚度太厚也會失效。」


屏下指紋自2017年發展以來,大約歷經三代轉折,第一代壽命只有三個月左右,因為良率很低、效果普通,但證明了可以在屏下發展,代表業者如中國的小米、華為、OPPO;第二代技術約在2018年開始,使用類似相機鏡頭、手機鏡頭技術,成熟度高,市佔約達90%,也是目前的市場主流,直到現在都有六、七家供應商,不過,第一代及第二代屏下指紋只能應用在OLED面板;第三代技術開發與5G手機相關,未來也會走向1mm超薄技術發展,代表業者是中國匯頂。


陳品誠指出,屏下指紋第三代發展可以運用矽晶圓感應搭配光學製造,但全球只有一、二家業者有技術能力,如中國匯頂、台灣采鈺。CINNO Research數據顯示,2019年中國匯頂OLED光學屏下指紋方案出貨約1.1億片,在光學屏下指紋市場的佔比高達75%,佔整體屏下指紋市場的57%,至於台灣神盾、中國思立微的市佔比各為12%和7%。



圖二 : 2019年全球屏下指紋晶片廠商市場出貨佔比。(source:CINNO Research)
圖二 : 2019年全球屏下指紋晶片廠商市場出貨佔比。(source:CINNO Research)

手機指紋辨識技術:光學及超聲波

進一步檢視手機指紋辨識技術(Fingerprint on Display)發展,可分光學影像CIS(CMOS Image Sensor)與鏡頭結合(模組)、光學影像TFT感測器,以及超聲波。光學影像CIS與鏡頭結合是以有機發光二極體(OLED)為發射光源,由CIS感測指紋影像,技術發展成熟,成本較低,不過鏡片厚度較厚,供應鏈業者如中國匯頂、中國思立微及台灣神盾等。


光學影像TFT感測器同樣以OLED為發射光源,TFT感測指紋影像,厚度接近超薄,適合大面積產品,供應鏈業者包含中國匯頂、中國思立微、台灣神盾、台灣聯詠等。


超聲波以低溫多晶矽(LTPS) TFT為基板,透過具有機電轉換特性的壓電材料建構指紋影像。超聲波指紋辨識技術在手指接觸到螢幕時,感測器會向手指表面發射超聲波,利用指紋表皮和空氣密度的不同構建3D圖像,超聲波回傳訊息後進行指紋辨識,抗污力較佳,感測力佳,安全性較高,但缺點是成本較高,目前供應商只有美國高通(Qualcomm)。


高通於2018年底發表首款支援屏下超聲波指紋辨識系統晶片,2019年超聲波屏下指紋辨識方案出貨約0.5億片,市佔率達25%。最新三星旗艦Galaxy S21系列就採用高通第二代超聲波屏下指紋辨識解決方案。高通第二代超聲波屏下指紋辨識解決方案比前一代多了約77%的識別面積,可以多蒐集1.7倍的生物數據,新方案的數據處理速度也比前一代快約50%,大幅縮短解鎖速度。



圖三 : Qualcomm第二代3D聲波感測元件,增加指紋感應識別範圍,能擷取1.7倍指紋特徵,感應速度提升50%。(source:Qualcomm)
圖三 : Qualcomm第二代3D聲波感測元件,增加指紋感應識別範圍,能擷取1.7倍指紋特徵,感應速度提升50%。(source:Qualcomm)

CINNO Research研究指出,屏下光學指紋技術目前進展到超聲波技術。第一代到第三代光學方案採用剛性與柔性OLED皆可,超聲波方案則須搭配柔性OLED。第一代厚度為0.7-1.0mm,成本高,代表機型如vivo X21、小米8;第二代光學方案厚度為3.0-4.0mm,成本較低,代表機型如華為P30系列、OPPO R17;第三代光學方案厚度為0.3-0.5mm,成本較高,代表機型如小米CC9 Pro、OPPO Reno3;超聲波方案厚度為0.15-0.2mm,成本最高,代表機型為三星Galaxy S10及Note10等。


全球屏下指紋發展現況

CINNO Research屏下指紋市場報告顯示,2019年全球屏下指紋手機出貨量約2億台,與2018年同期相比增長614%。除了三星、蘋果之外,其他品牌的OLED手機屏下指紋多已成標配,滲透率達90%以上,預估2024年整體屏下指紋手機出貨量將達11.8億台,年複合成長率達42.5%。



圖四 :  2018-2024年全球屏下指紋智慧手機出貨趨勢及預測。(source:CINNO Research)
圖四 : 2018-2024年全球屏下指紋智慧手機出貨趨勢及預測。(source:CINNO Research)

待解決問題:提高安全性及LCD技術門檻

目前具量產能力的屏下指紋技術只有光學和超聲波,光學屏下指紋佔整體出貨量的75%,但二者僅支援AMOLED面板,主要是因為AMOLED面板厚度薄且為自發光,指紋訊號損失較低,不會被光學膜干擾,可以擷取到較為清楚的影像。


陳品誠認為,未來屏下指紋辨識未來仍有二個需要克服的問題,一是提高安全性,越大的指紋面積安全性越高,但要做到大面積,傳統矽晶圓感應器仍有成本問題須考量,不容易推動。TFT雖然可以將面板做大一點,但矽晶圓與TFT感測器也有技術問題要解決,否則影像品質不會太好,也會影響讀取與安全性,「TFT玻璃感測天生輸給矽晶圓,手機還是在意成本,所以不能都用矽晶圓,至於匯頂或蘋果提出的面板解決方案,如果技術良率不夠好,成本也會墊高。」


第二個有待克服的問題是採用OLED面板的手機多是高階手機,約佔全球手機量的10%,未來中低階手機如果採用LCD面板,只能利用側邊或背面指紋辨識,傳統TFT-LCD因面板穿透率不佳,加上顯示器下層背光模組的光學膜片與導光板會阻擋CIS(CMOS Image Sensor)訊號的接收,提高指紋成像難度,「如何讓LCD面板納入屏下技術,兼顧技術與成本,是另一個瓶頸,此外,面板做的感測器與矽晶圓相比,靈敏度還是較差,所以要想辦法提升感測器技術。」


CINNO Research預估,2024年OLED屏下指紋手機出貨量將增長至9.8億台,年複合成長率達37%,CINNO Research也預估,2024年LCD屏下指紋手機的出貨量可能成長達1.9億支,由於LCD面板的手機市佔比仍超過六成,未來LCD屏下指紋開發或許也可能成為光學屏下指紋發展的另一股驅策力。


蘋果的選擇:人臉還是拇指姑娘?

目前看來,智慧裝置似乎有朝大面積面板發展的趨勢,手機也出現摺疊式設計,全屏按壓屏下指紋辨識是否有發展空間?對此,陳品誠笑說,大面積全屏按壓要有一定的賣點,手機廠才會推動,目前屏下指紋辨識多是單指按壓,未來可能隨著大面積發展演變成三指按壓,「過三指安全性更高,不過,如果按哪裡都可以解鎖,也要擔心誤觸之下輕易解鎖,所以,會不會走到全屏還有待觀察。」短期內,拇指姑娘「一指論英雄」的普及度不會有太大變化。


值得觀察的是,蘋果(Apple)雖然早在2008年佈局,也已取得多項屏下指紋辨識專利,卻沒有推出屏下指紋辨識機種,而是以臉部辨識為主,事實上,帶動生物辨識做為行動裝置安全標配潮流的是2013年蘋果推出的iPhone 5(搭載Touch ID指紋驗證)。除了蘋果,目前擁有屏下指紋辨識專利的業者以中國匯頂居冠,OPPO、京東方、三星、高通等緊追在後。OPPP、小米、華為、vivo等品牌早已推出多款屏下指紋辨識手機。


由於Covid-19疫後口罩干擾臉部辨識,據聞蘋果已取得不需透過螢幕特定區域就能進行指紋辨識的屏下指紋辨識技術專利,換言之,螢幕任何位置都能辨識指紋,未來蘋果是否加入屏下指紋辨識戰局,戰局將如何發展,全球都在看。


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