智慧型手機外殼材料趨勢變化

過去智慧型手機材料清一色的只有工程塑膠（聚碳酸酯）或是金屬機殼，但隨著智慧型手機尺寸越來越大、消費者逐漸追求輕薄的大趨勢之下，各種新世代材料也開始出現在智慧型手機上。智慧型手機材料選用的考慮為何？未來哪一種材料有望成為新趨勢？請看手機王網站的分析報導。

手機外殼材料選擇歷史

除了觸控螢幕之外，智慧型手機的外殼可能是使用者最常接觸的部分。外殼可說是整支手機的支撐骨架，更攸關手機內各種電子零件的定位及固定、同時對各種外來物體的撞擊或滲漏時給予保護。過去手機的外殼材料僅侷限於工程塑膠與金屬合金，然而隨著消費者對智慧型手機的要求越來越高、各種先進材料也逐漸納入手機品牌廠商的考慮。

過去的手機外殼外殼通常都是由上殼與下殼組成（部分結構複雜的機種還有中殼），理論上來說、上下殼的外形可以重合。早期的手機外殼殼體通常由工程塑膠注塑成型，原料主要為聚碳酸酯（Polycarbonate、簡稱 PC）以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑膠（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene、簡稱 ABS）。其中聚碳酸酯具有透明性極佳、常溫耐衝擊強度高、耐高溫與高剛性的特性，早已普及於消費者日常生活中如光碟，眼鏡片，水瓶，防彈玻璃，護目鏡、銀行防子彈玻璃、車頭燈等等、寵物籠子等應用範圍。聚碳酸酯還被用來製作登月太空人的頭盔面罩、Apple iPod 音樂播放器和 iBook 筆記型電腦外殼也是使用聚碳酸酯製作而成。


▲早從智慧型手機誕生初期，工程塑膠就成為了外殼選擇的主要材質。

而誕生時間更早的 ABS 樹脂的最大應用領域為汽車、電子電器和建築材料，汽車領域的使用包括汽車儀錶板、車身外板、內裝飾板、方向盤、隔音板、門把、保險桿、通風管等，在消費性電子市場則廣泛應用於電冰箱、電視機、洗衣機、空調器、電腦、影印機等產品。ABS 樹脂的好處是塑形容易同時價格低廉，適用於對強度要求不太高的零件（不直接受到衝擊，不承受可靠性測試中結構耐久性測試的零件，如手機內部的支撐結構（Keypad frame，LCD frame）以及需要電鍍的零件（如按鈕、側鍵、導航鍵、電鍍裝飾件等）。過去多數廠商選擇搭配使用兩種工程塑膠材料，但隨著以 SAMSUNG 為首的韓國廠商率先全面換用以聚碳酸酯為手機外殼材料，目前看來中高階手機產品都開始降低 ABS 樹脂的使用比例。


▲在其他競爭對手還在選擇其他材質作為高階智慧型手機外殼材料時，諾基亞就率先在高階機種 NOKIA Lumia 800 上使用聚碳酸酯材質。

鎂鋁合金（金屬材料）外殼的優劣性

在工程塑膠之外，手機品牌廠商第一個考慮其他材料就是金屬合金材料，過去曾由 NOKIA 及 Apple iPhone 第一代產品掀起了一股金屬機殼的風潮。目前以金屬材料為主的機型所謂「鋁合金材料」主要原料是鋁金屬再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強其硬度，依據添加金屬的不同而稱為鎂鋁合金或鈦鋁合金。鋁合金材料既有金屬的強度，而且重量輕、也易於散熱、同時抗壓性較強，在機械強度、耐磨性有了極大的提升。HTC Desire S 與 HTC Sensation 都是鋁金屬機殼智慧型手機的代表性產品。

鎂鋁合金材質應用於智慧型手機產品的最大優勢在於導熱性能和機械強度，其硬度是傳統塑膠機殼的幾倍，因此過去被用於中高階超薄型或尺寸較小的智慧型手機產品上。鎂鋁合金外殼還可通過表面處理工藝上色為粉藍色和粉紅色，可使產品更美觀同時增加價值感，其「易上色」的特性是工程塑膠以及碳纖維材料所無法企及的。由於鋁鎂合金的散熱性遠優於塑膠材料，能將智慧型手機內應用處理晶片在高負荷運作時產生的大量熱量及時傳導至外界。作為金屬材質的另一特色是對於外界的電磁干擾有著良好的屏弊作用，不過此一特色是有利有弊：在對外界電磁干擾屏弊的同時，手機內收發無線訊號的各式天線性能也大大降低，這也就是 Apple iPhone 第一代或 HTC 金屬機殼機種都要在上下方搭配使用塑膠材料（於該處安置天線）的原因。


▲過去曾由 NOKIA 及 Apple iPhone 第一代產品掀起了一股金屬機殼的風潮。

許多消費者（尤其是男性使用者）十分喜愛以鋁合金材料作為智慧型手機外殼，主要是認同金屬材料的穩重以及價值感。然而手機品牌廠商選用鋁合金材料的缺點也十分明顯：它的成本較高，不耐磨且易掉漆，隨著使用時間的增加，原先在表面噴塗的顏色仍會磨去並露出其暗灰色的本來面目；另外使用者如果不小心劃傷的話、其刻痕也會非常的顯眼，很多鎂鋁合金的智慧型手機與筆記型電腦如果平常不加易保養，在用過一段時間之後會變得滿是劃痕慘不忍睹。

從手機生產角度來看，鋁金屬外殼成型要比 ABS 困難得多（需要用衝壓或者壓鑄工藝），舉例來說，Apple 的零件供應商可成甚至擁有數千台 CNC 機台專門作為加工生產使用，每個 iPad 鋁鎂合金元件需要從 2 公斤的鋁錠，經過複雜的挖槽、衝壓、切割過程才能完工。但由於金屬機殼比工程塑膠機殼的強度更高、散熱性能更好，又比鈦合金、碳纖維等其他材料更便宜，對於搭載 4.5 吋以下觸控螢幕的智慧型手機產品來說，以鋁鎂合金材料做為外殼材料仍是很好的選擇（不過更大尺寸機種則可能會導致手機重量過重）。


▲過去 HTC 處理金屬材質的工藝深受顧客好評、HTC Desire S 與 HTC Sensation 都是鋁金屬機殼智慧型手機的代表性產品。

碳纖維材料未來或有望擴大佔有率

2007 年問世的 iPhone 引領通信行業進入了「觸控螢幕」時代，從此之後智慧型手機產品不斷挑戰螢幕尺寸的極限、從 3.5 吋、3.7 吋、4.3 吋到 4.7 吋，2011 年 SAMSUNG 推出的 GALAXY Note 更將主流智慧型手機的螢幕尺寸推進至 5 吋的門檻，許多消費者也以手機尺寸作為產品定位的衡量關鍵（尺寸越大、產品越高階）。在前述的大趨勢之下，大尺吋智慧型手機若採用全金屬外殼、其重量將讓使用者感到不便。其他先進複合材料因此納入了手機品牌廠商的考慮範圍內，而奈米碳纖維就是其中之一。

多數人對奈米（nm）長度單位並不陌生，一奈米指的是十億分之一公尺。在達到奈米級別的狀況下，由於物質中電子和原子的相互作用將受到尺寸大小的影響非常大，因此材料將呈現與過去不同的特性，其基本性質如熔點、磁性、甚至顏色都能夠改變、而且還不需要改變物質的化學成份。例如用超微粒子燒製成的陶瓷硬度可以提高，透過奈米技術製造出來的碳纖維材料其強度比以前的碳纖維提高十倍以上，還將大大減小磨損率並增長使用壽命。


▲碳纖維其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。

碳纖維具有一般碳素材料的特性如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，碳纖維其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。與樹脂、金屬、陶瓷等基體複合而成的複合材料其強度在現有結構材料無人能出其右。也就是因為其材料特性，碳纖維從上個世紀 1950 年代初開始應用在航空太空領域。火箭工程師發現太空梭重量每減少 1 公斤，就可使運載火箭減輕 500 公斤燃料。飛機重量的減輕也可以節省油耗並提高航速。美國 JSF 先進戰鬥機上的碳纖維複合材料已占全機重量的 25%，占機翼重量的 33%。隨著科技的發展，碳纖維複合材料的生產技術上不斷進步、成本也越來越低。除了前述的航太應用之外，也廣泛應用於體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。

從手機品牌廠商的角度來看，碳纖維材質是很有潛力的外殼材料：它既擁有鋁鎂合金高雅堅固的特性，又同時擁有 ABS 工程塑膠的高可塑性，其外觀類似塑膠但是強度和導熱能力又優於普通的 ABS 塑膠。筆記型電腦品牌廠商 IBM 很早就採用了碳纖維材料作為筆記型電腦的外殼材料，最具代表性的 IBM 600 系列已在全球銷售突破 200 萬台。IBM 工程師的研究數據顯示碳纖維的強韌性是鋁鎂合金的兩倍而且散熱效果最好。由於碳纖維是一種導電材質，因此可起到類似金屬材料的遮罩作用（ABS 塑膠外殼則需要另外鍍上一層金屬膜作為遮罩），採用碳纖維材料還有一個好處：如果它的表面被油性較重圓珠筆、油性水筆等留下的痕跡可被輕鬆抹掉。


▲由於碳纖維的成本高昂，目前僅有少數的特殊手機產品曾選用過做為外殼材質。

從種種物理特性來看，碳纖維材料完全有望取代傳統塑膠外殼的材料，不過其最大缺點是目前碳纖維材料的生產成本仍十分昂貴，別的不說，目前一支使用碳纖維材料製成的網球拍，價格往往動輒超過新台幣 10,000 元。另外碳纖維外殼的成型技術目前不如 ABS 外殼那樣成熟、加上表面處理與上色技術難度也較高，因此碳纖維機殼的形狀一般都比較簡單缺乏變化、外觀上也欠缺時尚。碳纖維機殼還有一個使用上的小缺點，就是如果接地不好會有輕微的漏電感。不過以 Apple 為首的消費性電子品牌廠商仍積極探索大量使用碳纖維材料的可能性，市場上也一直有傳言下未來的 Apple MacBook Pro 和 iPhone 很有可能採用碳纖維材料或是液態金屬材料。

其他先進複合材料也開始獲得採用

除了我們前面提及的 ABS、PC、鋁鎂合金還有尚未普及的碳纖維材料，智慧型手機品牌廠商在機殼材料上一直不斷挖掘創新，其中很多先進的複合材料也被引入智慧型手機產品內，包括功夫龍（Kevlar）、液態金屬與陶瓷材料等。

功夫龍（Kevlar）是化工大廠杜邦（DuPont）在芳族聚醯胺類有機纖維材料的注冊商標名稱。該種纖維是繼玻璃纖維、碳纖維、硼纖維之後的先進複合材料、由杜邦公司首先實現工業化生產。功夫龍纖維最大的特性是具有極高的強度（約為22cN/dtex，其強度是相同重量鋼絲的五倍以上、是高強度工業尼龍和玻璃纖維的兩倍以上）。同時功夫龍纖維的熱性能極佳而且熱穩定性好，還有良好的絕緣性和抗腐蝕性，因此贏得「合成鋼絲」的美譽。功夫龍纖維最早被用來製作軍用防彈衣與防彈頭盔，目前已經廣泛應用於車輛輪胎強化材料、網球拍、汽車安全氣囊、安全帶、防彈衣、防火衣，運動衣物，手套，鞋子及戶外背包等領域。


▲2012 年 MOTO 率先推出使用功夫龍纖維材料作為後蓋的智慧型手機產品 MOTO RAZR XT910。

2012 年 MOTO 率先推出使用功夫龍纖維材料作為後蓋的智慧型手機產品Droid RAZR，延續了過去 MOTO RAZR 系列的纖薄時尚整體設計風格，該機厚度僅為 7.1 毫米。機身正面搭載 4.3 吋的觸控螢幕，而且手機背部採用了厚度僅 0.3 毫米厚度的功夫龍纖維塗層。雖然功夫龍纖維的重量輕、而且強度高於玻璃纖維、碳纖維和硼纖維，但目前在消費性電子產品領域的應用還比較少，主因在於其壓縮強度、剪切強度都較低、同時吸水性較高，因此在機殼設計上的局限性很大，另外昂貴的成本也是一大阻力。面對競爭對手不斷在新款產品上嘗試各種新材質，先前外界一直傳聞 SAMSUNG 準備使用強化陶瓷技術作為其旗艦產品的外殼材料。強化陶瓷技術是將極精細的氧化鋯粉末通過高壓注入到模具內，然後在攝氏 1,000 多度的高溫燒結爐內形成陶瓷零件，目前瑞士鐘錶品牌 Rado 的錶帶就是運用這種材料。然而最後 SAMSUNG GALAXY S III i9300 背蓋仍是工程塑膠（聚碳酸酯）材質。


▲先前外界一直傳聞 SAMSUNG 準備使用強化陶瓷技術作為其旗艦產品的外殼材料，然而最後 SAMSUNG GALAXY S III i9300 背蓋仍是工程塑膠（聚碳酸酯）材質。

工程塑膠引進新技術提升性能

在材料科技的進步之下，其實工程塑膠（聚碳酸酯）的加工與表面處理已經到了新的境界，最明顯的例子就是 NOKIA N9、NOKIA Lumia 900、 HTC One X 及 SAMSUNG GALAXY S III i9300 都不約而同的採用聚碳酸酯材料。隨著 3D 輔助建模和注塑科技的革命，越來越多手機設計師相信工程塑膠並不一定比金屬的質感要差。塑膠材質可以實現更經濟卻更複雜的加工程序，還有更精確的鑽孔與更快速的生產速度。過去 HTC 處理金屬材質的工藝深受顧客好評、但並不是每一款手機都適合金屬機身，HTC One X 機型由於其尺寸較大、因此需要更輕巧的工程塑膠材料。


▲目前諾基亞最高階智慧型手機 NOKIA Lumia 800、Lumia 900 也使用工程塑膠作為其外殼材料。

由於對手持式電子產品輕量化的需求越來越高，人類對工程塑膠材料的改進從未停止。目前 Intel 工程師正在將過去 NASA 太空梭的設計經驗運用到工程塑膠機構設計，進而降低 Ultrabook 超薄筆記型電腦的價格。超薄筆記型電腦結合了筆記型電腦和平板電腦的優勢，但由於價格過高而無法擴大其銷售量。為此 Intel 華盛頓研發中心的工程師研發出一套新技術，可以使得塑膠外殼的筆記電腦像更昂貴的金屬外殼一樣堅固。Intel 研發主管 Ben Broili 表示此種技術將使得超薄筆記型電腦的成本降低 25 美元至 75 美元。而前述技術可能大量使用高玻纖機殼，所謂高玻纖機殼就是塑膠機殼的玻璃纖維含量達到 50%，這樣的機殼強度和厚薄度都可以做到和金屬機殼不相上下，但成本卻預估只有金屬機殼的三分之一，甚至是四分之一。隨著新技術的導入，工程塑膠機殼有望在智慧型手機產品上重新取得主流地位。


▲並不是每一款手機都適合金屬機身，HTC One X 機型由於其尺寸較大、因此需要更輕巧的工程塑膠材料。

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