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拇指姑娘與人臉的戰爭

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)
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)

【作者: 季平】

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。

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)
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%。

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

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%。

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

2021.7月(第356期)屏下感測時代來臨!
2021.7月(第356期)屏下感測時代來臨!

【欲閱讀更豐富的內容,請參閱CTIMES雜誌 2021 年第 356 期 7 月號訂閱電子版】

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