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拇指姑娘与人脸的战争
屏下指纹辨识技术与市场趋势

【作者: 季平】2021年06月24日 星期四

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与人类生活密切相关的智慧装置首推手机,当手机像八爪鱼般掌握人类的食衣住行育乐,具备通讯、资料储存、支付、联网、身分辨识等多重功能,资安问题就成为重中之重。


手机身分确认、辨识与解锁功能在2017年苹果iPhone X推出Face ID(人脸辨识)後进入另一个新高度,手机业者思考的是如何兼顾使用者习惯,将感测及显示技术的功能发挥到极致又能符合成本效益,除了人脸辨识,还能仰赖哪种生物辨识技术?答案是拇指姑娘━指纹辨识。


生物辨识囹 屏下指纹脱颖而出

除了人脸辨识,已知的生物辨识种类,还包含指纹、声音、虹膜、静脉、DNA及步态,但应用在手机的生物辨识种类以指纹、人脸及虹膜为主。生物辨识具有不易遗忘、不易遗失、不易伪造及盗用、可随身携带、24小时使用等优点,而且可以加速付款流程,由於行动支付已逐渐取代传统货币、信用卡等支付工具,功能需求越来越高。


工研院材料与化工研究所经理陈品诚指出,随着智慧手机朝向大屏幕发展,指纹晶片面临无处可放的困境,多年来游走於手机正面、背面或侧边,但这些地方与人类习惯的按压模式并不相配,因此促使指纹辨识厂商往屏下(Under-display)研发,甚至整合面板技术,往大面积、全屏按压的目标迈进。


陈品诚认为,手机是屏下指纹辨识发展的火车头,当大家习惯後就会运用到其他地方,如门禁电子锁、保险柜、枪柜、信用卡、其他穿戴式装置,以及车用解锁装置等。


屏下指纹跟人脸、虹膜相比具有三个优势:


一、大家对操作习惯最快接受;


二、成本最低;


三、模组大小最容易被手机接受。


至於劣势有二:


一、安全性较差;


二、某些情境会导致辨识效果较差。


比方手指碰到水、脏污或乾燥容易影响辨识效果,「人脸辨识方便、快速,而且是非接触式,但遇到囗罩、眼镜、光影、表情及环境因素也会干扰辨识效果,虹膜的缺点与人脸雷同。」虹膜造假难度最高,所以安全性最高,其次是3D人脸,再来是指纹,但普及率正好相反。


指纹、人脸或虹膜导入手机需要考量许多因素,比方成本、消费者使用习惯等,虹膜要对着眼睛扫描,加上虹膜模组较贵,相对不好推广,指纹与虹膜的成本相差五到十倍,虽然与人脸、虹膜相比更容易被破解,却可以守住基本盘,满足多数手机需求。研究显示,因应解锁、行动支付与App授权需求,生物辨识已逐步取代密码、PIN码,逾70%的手机已搭载生物辨识功能,高达82%的消费者使用过搭载生物辨识功能的手机。



图一 : 逾70%的手机已搭载生物辨识功能,高达82%的消费者使用过搭载
图一 : 逾70%的手机已搭载生物辨识功能,高达82%的消费者使用过搭载

生物辨识功能的手机。(source:工研院材化所)


全球生物辨识市场中,北美占比最高,约占总体市场的三分之一,其次是亚太地区的25%,其次是欧洲、中东和印度、中南美洲、非洲地区。其中,美国是全球主要的生物识别市场,规模超过10亿美元。Digital 2020报告指出,全球超过51.9亿人使用手机,手机搭载生物辨识系统势必成为研发重点。


Acuity Market Intelligence则预测,与智慧型手机、穿戴装置及平板电脑有关的生物辨识市场年营收,将从2016年的65亿美元成长至2022年的506亿美元,年复合成长率上看41%;平板电脑及穿戴装置搭载生物辨识功能将於2022年达到100%的普及率。


屏下指纹发展三部曲

「指纹的主要需求是解锁与支付,解锁只要安全性够即可,若用於支付,安全性就要更高,这也是未来指纹辨识技术要加强的部分。」陈品诚认为,屏下指纹发展最大的问题是屏幕面积太窄,感应器窄,可以抓到的指纹面积较小,连带影响安全性,「覆盖面积大,抓取指纹越完整、越安全,所以点数越少越难解锁,反之,如果很容易进去就代表安全性过於宽松。」


屏下指纹辨识位置包含屏上、屏中、屏下,技术影响位置,另外也有手机背面、手机侧边等位置。基本上,侧边手机最便宜,至於手机背面安全性没问题,不过很多人不习惯这样的操作动线,屏下位置是从iPhone 6S开始,位置最顺手,也是多数使用者能接受的位置。


屏下指纹大分电容式指纹、光学式指纹与超声波指纹,陈品诚指出,若三者面积一样,效果差不多,差别在於技术,市面上常见的手机侧边、背面指纹辨识都属於电容式指纹,无法放在屏下,屏下指纹只有光学及超声波两种,「手机面板都有cover glass,电容放在玻璃下讯号会很差,无法辨识。光学与超声波虽然可以隔一层面板厚度感测,但面板厚度太厚也会失效。」


屏下指纹自2017年发展以来,大约历经三代转折,第一代寿命只有三个月左右,因为良率很低、效果普通,但证明了可以在屏下发展,代表业者如中国的小米、华为、OPPO;第二代技术约在2018年开始,使用类似相机镜头、手机镜头技术,成熟度高,市占约达90%,也是目前的市场主流,直到现在都有六、七家供应商,不过,第一代及第二代屏下指纹只能应用在OLED面板;第三代技术开发与5G手机相关,未来也会走向1mm超薄技术发展,代表业者是中国汇顶。


陈品诚指出,屏下指纹第三代发展可以运用矽晶圆感应搭配光学制造,但全球只有一、二家业者有技术能力,如中国汇顶、台湾采??。CINNO Research数据显示,2019年中国汇顶OLED光学屏下指纹方案出货约1.1亿片,在光学屏下指纹市场的占比高达75%,占整体屏下指纹市场的57%,至於台湾神盾、中国思立微的市占比各为12%和7%。



图二 : 2019年全球屏下指纹晶片厂商市场出货占比。(source:CINNO Research)
图二 : 2019年全球屏下指纹晶片厂商市场出货占比。(source:CINNO Research)

手机指纹辨识技术:光学及超声波

进一步检视手机指纹辨识技术(Fingerprint on Display)发展,可分光学影像CIS(CMOS Image Sensor)与镜头结合(模组)、光学影像TFT感测器,以及超声波。光学影像CIS与镜头结合是以有机发光二极体(OLED)为发射光源,由CIS感测指纹影像,技术发展成熟,成本较低,不过镜片厚度较厚,供应链业者如中国汇顶、中国思立微及台湾神盾等。


光学影像TFT感测器同样以OLED为发射光源,TFT感测指纹影像,厚度接近超薄,适合大面积产品,供应链业者包含中国汇顶、中国思立微、台湾神盾、台湾联咏等。


超声波以低温多晶矽(LTPS) TFT为基板,透过具有机电转换特性的压电材料建构指纹影像。超声波指纹辨识技术在手指接触到萤幕时,感测器会向手指表面发射超声波,利用指纹表皮和空气密度的不同构建3D图像,超声波回传讯息後进行指纹辨识,抗污力较隹,感测力隹,安全性较高,但缺点是成本较高,目前供应商只有美国高通(Qualcomm)。


高通於2018年底发表首款支援屏下超声波指纹辨识系统晶片,2019年超声波屏下指纹辨识方案出货约0.5亿片,市占率达25%。最新三星旗舰Galaxy S21系列就采用高通第二代超声波屏下指纹辨识解决方案。高通第二代超声波屏下指纹辨识解决方案比前一代多了约77%的识别面积,可以多搜集1.7倍的生物数据,新方案的数据处理速度也比前一代快约50%,大幅缩短解锁速度。



图三 : Qualcomm第二代3D声波感测元件,增加指纹感应识别范围,能撷取1.7倍指纹特徵,感应速度提升50%。(source:Qualcomm)
图三 : Qualcomm第二代3D声波感测元件,增加指纹感应识别范围,能撷取1.7倍指纹特徵,感应速度提升50%。(source:Qualcomm)

CINNO Research研究指出,屏下光学指纹技术目前进展到超声波技术。第一代到第三代光学方案采用刚性与柔性OLED皆可,超声波方案则须搭配柔性OLED。第一代厚度为0.7-1.0mm,成本高,代表机型如vivo X21、小米8;第二代光学方案厚度为3.0-4.0mm,成本较低,代表机型如华为P30系列、OPPO R17;第三代光学方案厚度为0.3-0.5mm,成本较高,代表机型如小米CC9 Pro、OPPO Reno3;超声波方案厚度为0.15-0.2mm,成本最高,代表机型为三星Galaxy S10及Note10等。


全球屏下指纹发展现况

CINNO Research屏下指纹市场报告显示,2019年全球屏下指纹手机出货量约2亿台,与2018年同期相比增长614%。除了三星、苹果之外,其他品牌的OLED手机屏下指纹多已成标配,渗透率达90%以上,预估2024年整体屏下指纹手机出货量将达11.8亿台,年复合成长率达42.5%。



图四 :  2018-2024年全球屏下指纹智慧手机出货趋势及预测。(source:CINNO Research)
图四 : 2018-2024年全球屏下指纹智慧手机出货趋势及预测。(source:CINNO Research)

待解决问题:提高安全性及LCD技术门槛

目前具量产能力的屏下指纹技术只有光学和超声波,光学屏下指纹占整体出货量的75%,但二者仅支援AMOLED面板,主要是因为AMOLED面板厚度薄且为自发光,指纹讯号损失较低,不会被光学膜干扰,可以撷取到较为清楚的影像。


陈品诚认为,未来屏下指纹辨识未来仍有二个需要克服的问题,一是提高安全性,越大的指纹面积安全性越高,但要做到大面积,传统矽晶圆感应器仍有成本问题须考量,不容易推动。TFT虽然可以将面板做大一点,但矽晶圆与TFT感测器也有技术问题要解决,否则影像品质不会太好,也会影响读取与安全性,「TFT玻璃感测天生输给矽晶圆,手机还是在意成本,所以不能都用矽晶圆,至於汇顶或苹果提出的面板解决方案,如果技术良率不够好,成本也会垫高。」


第二个有待克服的问题是采用OLED面板的手机多是高阶手机,约占全球手机量的10%,未来中低阶手机如果采用LCD面板,只能利用侧边或背面指纹辨识,传统TFT-LCD因面板穿透率不隹,加上显示器下层背光模组的光学膜片与导光板会阻挡CIS(CMOS Image Sensor)讯号的接收,提高指纹成像难度,「如何让LCD面板纳入屏下技术,兼顾技术与成本,是另一个瓶颈,此外,面板做的感测器与矽晶圆相比,灵敏度还是较差,所以要想办法提升感测器技术。」


CINNO Research预估,2024年OLED屏下指纹手机出货量将增长至9.8亿台,年复合成长率达37%,CINNO Research也预估,2024年LCD屏下指纹手机的出货量可能成长达1.9亿支,由於LCD面板的手机市占比仍超过六成,未来LCD屏下指纹开发或许也可能成为光学屏下指纹发展的另一股驱策力。


苹果的选择:人脸还是拇指姑娘?

目前看来,智慧装置似??有朝大面积面板发展的趋势,手机也出现摺叠式设计,全屏按压屏下指纹辨识是否有发展空间?对此,陈品诚笑说,大面积全屏按压要有一定的卖点,手机厂才会推动,目前屏下指纹辨识多是单指按压,未来可能随着大面积发展演变成三指按压,「过三指安全性更高,不过,如果按哪里都可以解锁,也要担心误触之下轻易解锁,所以,会不会走到全屏还有待观察。」短期内,拇指姑娘「一指论英雄」的普及度不会有太大变化。


值得观察的是,苹果(Apple)虽然早在2008年布局,也已取得多项屏下指纹辨识专利,却没有推出屏下指纹辨识机种,而是以脸部辨识为主,事实上,带动生物辨识做为行动装置安全标配潮流的是2013年苹果推出的iPhone 5(搭载Touch ID指纹验证)。除了苹果,目前拥有屏下指纹辨识专利的业者以中国汇顶居冠,OPPO、京东方、三星、高通等紧追在後。OPPP、小米、华为、vivo等品牌早已推出多款屏下指纹辨识手机。


由於Covid-19疫後囗罩干扰脸部辨识,据闻苹果已取得不需透过萤幕特定区域就能进行指纹辨识的屏下指纹辨识技术专利,换言之,萤幕任何位置都能辨识指纹,未来苹果是否加入屏下指纹辨识战局,战局将如何发展,全球都在看。


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