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智慧型手機指紋辨識發展分析
 

【作者: 陳柏因】   2019年07月15日 星期一

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自從2013年蘋果在iPhone 5s之Home鍵中導入Touch ID指紋辨識技術後,電容式指紋辨識開始蓬勃發展。更加速了手機上相關生物辨識開發的熱潮,如2D臉部影像辨識、虹膜辨識(須按鍵啟動後,注視特定區域)等。但前述方案除了電容式指紋辨識之速度、安全性與穩定度較高,其餘方案皆無法達到替代指紋辨識之水準。



圖一 : 目前在智慧型手機領域,指紋辨識市場產值2018年規模約12.4億美元,預估2018~2023年之CAGR為3.0%。相較傳統開孔式電容方案,光學與超音波螢幕下指紋辨識(FoD)應用於手機螢幕下,可促成更高螢幕占比。(source:Consumer Reports)
圖一 : 目前在智慧型手機領域,指紋辨識市場產值2018年規模約12.4億美元,預估2018~2023年之CAGR為3.0%。相較傳統開孔式電容方案,光學與超音波螢幕下指紋辨識(FoD)應用於手機螢幕下,可促成更高螢幕占比。(source:Consumer Reports)

直至2017年iPhone X推出自行開發之3D結構光,馬上讓生物辨識主角由手指轉移至臉部,但3D臉部辨識由於模組成本昂貴且演算法技術門檻高,僅少數品牌於最高階手機採用。


目前智慧型手機市場,生物辨識以指紋辨識與3D臉部辨識為2大主流技術,其中指紋辨識市場產值2018年規模約12.4億美元,預估2018~2023年之CAGR為3.0%。相較傳統開孔式電容方案,光學與超音波螢幕下指紋辨識(Fingerprint on Display,簡稱FoD)應用於手機螢幕下,可促成更高屏占比。



圖二 : 目前的智慧型手機市場以生物辨識以指紋辨識與3D臉部辨識為2大主流技術。(source:Market Trends)
圖二 : 目前的智慧型手機市場以生物辨識以指紋辨識與3D臉部辨識為2大主流技術。(source:Market Trends)

在Android陣營追逐全螢幕趨勢下,中國大陸品牌華為、小米、VIVO等導入動作積極,且據傳供應商神盾以2.5美元超低價搶市,2019年光學式指紋辨識成長空間大。全球單一出貨量最大之業者三星則優先在S10與S10+旗艦機導入高通超音波指紋辨識技術。2019年下半年售價更高之Note 10亦有機會搭載,故2019年FoD模組預估出貨量可達2.03億個,2019~2023年之CAGR為35.4%。


目前光學式指紋辨識以匯頂之解決方案為主流,中國大陸品牌業者2018年開始積極於新旗艦產品上採用如VIVO NEX/X21、華為Mate 20、小米8、OPPO R17等。


2019年不僅中國大陸4大品牌高階機種持續使用,三星亦於中階機種A50、A70、A80首次引入光學式指紋辨識。臺灣業者神盾切入三星A系列手機光學式FoD供應鏈,將打破匯頂壟斷之光學式FoD市場,加速價格競爭與提升整體市場滲透率。


光學式模組位於OLED面板下方,其硬體結構為鏡頭、感測器(CMOS/TFT)的組合,因不必緊密貼合面板,可較前一代大幅減少成本。此設計轉變也是光學式指紋辨識受到手機品牌積極採用之原因,但缺點仍為用戶需大力下壓,才會開始點亮螢幕並執行辨識工作,辨識速度較慢。OLED因本身材質問題,長期下來在辨識區域可能會有烙印問題。



圖三 : 全球智慧型手機指紋辨識模組2018-2023年出貨量   (資料來源:資策會MIC,2019年4月)
圖三 : 全球智慧型手機指紋辨識模組2018-2023年出貨量 (資料來源:資策會MIC,2019年4月)

高通超音波指紋辨識方案最早搭載於2016年小米5S(置於下巴處採無開孔按鍵),2018年華為榮耀10亦為置於玻璃下之無開孔按鍵。但前述機型並未經超音波方案創造更高屏占比,故產品訴求與電容式差異不大。目前手機品牌採用者仍不多,僅三星於2019 MWC發表之旗艦S10及S10+採用,並捨棄使用上不甚方便之虹膜辨識。


2018年12月Snapdragon Technology Summit,高通所發表之855晶片組除效能提升及支援5G基頻晶片外,更引人注意的是Qualcomm 3D Sonic Sensor。Snapdragon晶片組從RF到螢幕下指紋辨識技術,經水平整合越來越多功能,提升附加價值。因855產品定位且模組成本仍高,故短期目標將以旗艦機種為主。未來3D Sonic Sensor若下放至7或6系列,將有機會衝擊光學式指紋辨識市場,其硬體架構為在軟性OLED面板下置入一個TFT的超音波感測器,訊號透過FPCB傳輸至ASIC進行處理,最後再傳輸至SDM 855。



圖四 : 辨識速度較光學快且超音波不受水漬、油汙影響辨識過程,其所生成之3D感測模型精準度與安全性較光學式2D影像更佳。 (source:smartfeigete)
圖四 : 辨識速度較光學快且超音波不受水漬、油汙影響辨識過程,其所生成之3D感測模型精準度與安全性較光學式2D影像更佳。 (source:smartfeigete)

主要優勢為辨識速度較光學快且超音波不受水漬、油汙影響辨識過程,其所生成之3D感測模型精準度與安全性較光學式2D影像更佳。另可偵測手指血流防止有心人士透過圖片或假模型詐騙感測器。此外,高通表示OEM可透過超音波研發健康方面應用,如心律監控、血糖分析、BMI量測,但尚未見到實際案例。目前其缺點為相容面板僅限軟性OLED且價格仍高出光學與電容式模組不少,故現階段僅三星旗艦機種搭載。


因為感應器採用TFT非CMOS,故感應面積可擴展性高。據傳高通將於2019年H2將會推出尺寸更大的模組(最大約40 x 60mm),約占6吋手機螢幕面積之23.5%。面積加大對超音波方案是重要課題,因本身無須依賴螢幕上之發光導引指標,這將有利使用者盲眼螢幕解鎖(如從口袋中取出時)。


儘管Synaptics於2017年發表了螢幕下光學指紋辨識後,但終端手機品牌並無採用,故指紋辨識產品仍以電容式為主,未來將積極擴大於車用與PC市場地位。2019年藍天電腦導入Synaptics SecurePad Gamma光學指紋辨識模組至 Clevo P970、P960、PB70、PB50筆電之觸控板選配規格。


另一大廠Fingerprint Cards(FPC)約90%營收依賴智慧型手機產品,2019年1月已完成光學式指紋辨識demo,近期將切入螢幕下光學指紋辨識市場並提供大尺寸辨識區域(2 x 2 cm ~ 3 x 3 cm)。信用卡、智慧門鎖、行李箱等生活應用產品目前雖僅占營收10%,FPC仍積極開拓市場,將其虹膜結合臉部辨識技術(2017年FPC以106百萬美元併購Delta ID所取得)與北美後照鏡業者Gentex合作試圖切入車用市場。但駕駛須多執行一個注視後照鏡動作(內建IR鏡頭),且成本上相較指紋辨識是否存優勢,有待觀察。


現代汽車於2018年廣州車展展示2019 Santa Fe時即搭載2個指紋辨識,分別位於車門、啟動按鈕。未來使用者除可快速開啟車門,還可記錄每個人之方向盤與椅子高度,讓汽車從傳統鑰匙知道有人靠近進化成知道誰進入與操駕,創造更多應用空間(如共享租賃、客製保險費率、肇事責任釐清)。且指紋辨識模組占整體車之售價極低,車廠導入上阻礙相對較低。但安裝車外指紋辨識易受到氣候影響,須強化防水、防塵能力,而這是過往在手機、NB所未曾遭遇之情形。以2018年全球汽車銷量約9,000萬台,每部車搭載2個模組推算,潛在市場至少約3.6億美元。


不論是高通超音波或匯頂光學指紋辨識方案皆仰賴OLED,而其OLED面板的高價限制了FoD往中低階手機市場之拓展性。2019年智慧型手機之指紋滲透率已達近87%,尚未搭載者僅剩13%,接近整體市場天花板。而2019年搭載LCD面板手機仍約占總體市場之大多數(約65%),8.12億支LCD手機若全部改成FoD設計,每年約可創造24億美元的新增市場規模(假設每個FoD模組要價3美元)。


因此,未來FoD如何擴展至LCD為打開新市場之鑰匙。高通超音波方案的專利文件中除OLED外,亦將LCD面板納入申請範圍。可見其並未忽略此潛在市場。由文件中可察覺其感測器,位於面板TFT基板之下,故穿透深度高。


2019年1月小米主席林斌於微博展示巨大指紋解鎖區域(25mm x 50.2mm)之文章引起網友熱烈討論,同時間VIVO Apex 2原型機內建全螢幕下指紋解鎖,而OPPO在中國大陸的技術發表會上光域指紋辨識區域為傳統之15倍。前述業者均放大光學辨識範圍,優勢為不需於螢幕上標示手指按壓位子,有利消費者快速解鎖與解決OLED同一區域重複高亮度顯示之烙印問題。推測與中國大陸業者合作密切之匯頂已有大面積TFT感測技術布局。



圖五 : 有些業者放大光學辨識範圍,優勢為不需於螢幕上標示手指按壓位子,有利消費者快速解鎖與解決OLED同一區域重複高亮度顯示之烙印問題。(source:Federal Judicial Center)
圖五 : 有些業者放大光學辨識範圍,優勢為不需於螢幕上標示手指按壓位子,有利消費者快速解鎖與解決OLED同一區域重複高亮度顯示之烙印問題。(source:Federal Judicial Center)

高通在2019年MWC上透過三星S10推出超音波指紋辨識,且預計在2019下半年釋出面積更大的模組。FPC CEO在2018Q4法說會中表示2019年除單點產品(1 x 1 cm)外亦會推出2 x 2或3 x 3 cm之光學辨識方案,做為市場後進者FPC光學辨識模組更薄、畫面解析度更高。


Synaptics技術發展重心已轉移至IoT裝置之語音辨識晶片而非指紋辨識,前述SecurePad Gamma PC用光學FoD為其與上海籮箕(Oxi Technology)技術合作之產物。


LCD大廠JDI於2018年12月開始量產基於LTPS之電容式指紋辨識,其材質為可透光之玻璃,首先應用於智慧門鎖。由JDI所申請之螢幕下指紋辨識專利可發現半透明電容感測層位處於cover glass與面板之間,尚無法得知若應用於手機時是否會影響影像清晰度。中國大陸面板龍頭BOE亦自行研發OLED電容式指紋辨識,專利文件顯示感測層位於薄膜與基板之間,與JDI之策略存在些許不同,但可解決OLED烙印問題並降低對供應商之依賴。


另外,2019年3月群創光電與指紋辨識業者速博思策略合作,讓原本生產3.5代TFT-LCD面板廠,供應電容式指紋機感測模組,瞄準印度市場,顯示玻璃基板之低成本與可擴大性優勢受到越來越多IC廠商採用。由前述面板廠動向,說明其有意切入指紋辨識市場做垂直整合,提升面板之附加價值。


(本文作者為資策會MIC產業分析師)


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