折疊屏：柔性顯示技術(shù)的高級(jí)階段

折疊屏?xí)r代真的到來了嗎？甭管誰爭得了“全球首款折疊屏手機(jī)”稱號(hào)，首款折疊屏手機(jī)發(fā)布至今也有一年多了。人們?cè)谡劦秸郫B屏手機(jī)時(shí)，卻仍覺得這是個(gè)未來向的產(chǎn)品。市面上已有的折疊屏手機(jī)至少包括了三星Galaxy Fold、華為Mate X、三星Galaxy Z Flip、摩托羅拉Moto Razr 2019、柔宇FlexPai等，似乎能細(xì)數(shù)的型號(hào)也不算少了，不過價(jià)格多少以及能不能買得到，那就是另一回事了。折疊屏產(chǎn)品似乎依舊遙遠(yuǎn)。

伴隨折疊屏這種科幻向技術(shù)到來的，還有如今折疊屏手機(jī)脆弱的名聲。三星在柔性屏技術(shù)上投入已經(jīng)超過10年，卻在Galaxy Fold推出不久即面臨屏幕顯示不正常、膜層分離之類的問題。像華為Mate X這樣的初代折疊屏設(shè)備，也是僅需輕輕用指甲在屏幕上摳一下，就能留下永久、不可修復(fù)的凹痕。即便三星二代折疊屏設(shè)備Galaxy Z Flip宣稱改進(jìn)工藝，從硬度測(cè)試來看，要在其屏幕表面留下劃痕也相當(dāng)輕而易舉；而且折疊處甚至可能因?yàn)槭覝剡^低而碎裂。

折疊屏的這種脆弱屬性，更拉遠(yuǎn)了它與一般人的距離：當(dāng)我們花兩萬塊錢買臺(tái)折疊屏手機(jī)，卻需要在每天早晨，手機(jī)鬧鈴響起時(shí)，伸手去觸碰屏幕還得先想一想是不是沒剪指甲。這樣的體驗(yàn)還是令人畏懼的。我們期望嘗試通過這篇文章，從技術(shù)層面去探究，折疊屏手機(jī)為何如此脆弱，及從側(cè)面呈現(xiàn)折疊屏手機(jī)當(dāng)前的發(fā)展階段。

折疊屏：柔性顯示技術(shù)的高級(jí)階段

首先還是需要?jiǎng)澏ㄌ接憜栴}的范圍：我們所說的柔性屏、折疊屏究竟說的是什么。如果按照不同的顯示面板技術(shù)來劃分，眾所周知，大方向上LCD和OLED都有自己的柔性發(fā)展路線——不過LCD柔性屏相對(duì)特殊，也不是我們探討手機(jī)折疊屏的主流技術(shù)，未來我們將針對(duì)LCD柔性屏技術(shù)另外撰文探討。

從光電材料（electro-optic materials）的角度來說，實(shí)際上不僅有LCD、OLED，電泳顯示技術(shù)（electrophoretic，即E-Ink）、Gyricon也都能做到柔性化，多見于電子書、電子紙。市面上也已經(jīng)存在不少此類柔性屏產(chǎn)品，大多主打閱讀、書寫。但這也不是本文要探討的主體。

如今在手機(jī)、移動(dòng)產(chǎn)品上相對(duì)熱門的柔性屏、折疊屏技術(shù)，特指柔性O(shè)LED面板。本文在談到折疊屏、柔性屏?xí)r，若無特別說明，則特指OLED。討論范圍明確了，另外一個(gè)需要解決的問題是，柔性屏和折疊屏這兩者是什么關(guān)系？

通常認(rèn)為柔性顯示技術(shù)的發(fā)展可以分成幾個(gè)不同的階段。第一階段是固定曲率的柔性屏，即屏幕已經(jīng)表現(xiàn)出曲面特性，但在最終產(chǎn)品形態(tài)上其曲率是固定的、用戶不可控制的。這早在多年前就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，以三星Galaxy系列手機(jī)為代表，華為近兩年的旗艦機(jī)也都采用這類所謂“3D曲面屏”；很多顯示器、電視產(chǎn)品也有此類設(shè)計(jì)。

第二階段是可彎曲、可卷曲顯示；第三階段是可折疊顯示；第四階段為可任意折疊拉伸的全柔性顯示。其中第二階段的可彎曲、卷曲屏幕，在很多顯示技術(shù)展會(huì)上都能看到。它與第三階段的重要差異在于，“彎曲半徑”的顯著不同。展會(huì)上常能見到的可彎曲屏幕，其彎折半徑是相對(duì)較大的（3-15mm）。而第三階段的可折疊，就意味著極小的彎曲半徑（0.5-3mm），技術(shù)層面的實(shí)現(xiàn)難度相比第二階段要大得多。

就彎曲半徑的角度來看，像三星Galaxy Fold這樣的內(nèi)折屏，在面板技術(shù)難度上要大于華為Mate X的外折屏方案。因?yàn)榍罢叩膹澢霃绞潜群笳呙黠@更小的。不過就整個(gè)產(chǎn)品的角度來說，后者在鉸鏈、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有著更大的難度——這就不在本文的探討范圍內(nèi)了。

由此可見，折疊屏是柔性屏的某個(gè)高級(jí)階段，即便它并非最終形態(tài)。有關(guān)折疊屏在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值，這里不再贅述：至少就移動(dòng)產(chǎn)品來說，折疊屏本質(zhì)上是將一個(gè)更大屏幕的設(shè)備裝進(jìn)口袋里，提升便攜性。

柔性O(shè)LED是怎么造的？

要明白折疊屏為何如此脆弱，首先需要理解這種屏幕的結(jié)構(gòu)，以及具體是怎么制造的。

如今手機(jī)、電視常見的OLED顯示屏為AMOLED（Active Matrix OLED）面板，它在結(jié)構(gòu)上包括了基板（substrate），陰極層（cathode）、有機(jī)分子層（包括發(fā)射層、導(dǎo)電層）、陽極層（anode）——這些總體構(gòu)成了OLED frontplane（如圖1）；當(dāng)然還需要TFT陣列層（薄膜晶體管）——這部分就是我們常說的backplane，本質(zhì)上就是控制電路。

圖1，OLED屏幕結(jié)構(gòu)

OLED的發(fā)光原理是電致發(fā)光（electro-phosphorescence），這里不再詳述這一機(jī)制。在成為屏幕最終形態(tài)時(shí)，還需要對(duì)面板做封裝。傳統(tǒng)手機(jī)AMOLED屏幕的上蓋板即為密封玻璃。

要將這樣的屏幕做成柔性形態(tài)，也就是要求每一層都是可彎曲、可折疊的。這里還沒有涉及到觸控面板、最外層保護(hù)材料之類的構(gòu)成層級(jí)，它們也都需要可彎曲、可折疊。在大方向上，OLED frontplane和TFT backplane要做成可彎曲、可折疊形態(tài)，問題可能還不算特別大。但傳統(tǒng)AMOLED顯示屏的基板，以及上蓋板，外加屏幕最外層的保護(hù)層都是玻璃材料。

常規(guī)玻璃可彎曲幅度很小，所以起碼這幾層的材料必須更換為柔性材料——對(duì)用戶而言最直觀的就是外層不可能再用康寧的大猩猩玻璃。這就成為柔性屏制造的第一大挑戰(zhàn)，基板及蓋板等的材料選擇。由于OLED面板的制造流程關(guān)系，基板的材料選擇實(shí)際上是十分受限的。

OLED面板制造至少需要經(jīng)歷蝕刻、濺射、蒸鍍、切割等各種工序，材料需要耐受各種高溫、腐蝕環(huán)境；在柔性面板制造過程中，還有UV紫外光剝離這樣的流程。所以在材料的選擇上就有最基本的要求。

這里可以單獨(dú)談一談前文提到的TFT層，這層材料按照開關(guān)器件來分，現(xiàn)在相對(duì)流行的是LTPS（低溫多晶硅）與IGZO（銦鎵鋅氧化物）。LTPS是柔性屏制造中的主流，也是三星、京東方這些面板制造商開發(fā)柔性屏?xí)r普遍采用的方案。LTPS即低溫多晶硅，相比傳統(tǒng)方案（如a-Si）能夠以相對(duì)更低的溫度合成。不過即便是“相對(duì)更低”，也可能需要達(dá)到600℃（或更低）。

值得一提的是，我們?cè)谇安痪玫摹墩郫B屏手機(jī)沒有折痕，這可能嗎？》一文中曾提到過，柔宇在此采用的是一種名為ULT-NSSP（超低溫非晶硅半導(dǎo)體工藝）的技術(shù)。按照柔宇的說法，這種更“低溫”的技術(shù)能夠進(jìn)一步降低成本——這似乎是柔宇在柔性面板開發(fā)上，相較其他面板廠商走的另一條路，具體成效未知。無論如何，更低的溫度在生產(chǎn)制造商總是更有價(jià)值的。

相對(duì)來說，柔性面板的制造流程與傳統(tǒng)剛性O(shè)LED面板在前期階段是比較類似的，前期一樣需要玻璃支撐層（Carrier Glass Panel），如圖3，只是最終有一個(gè)激光剝離的過程：即將整個(gè)面板與玻璃支撐層分離。

在經(jīng)過這么多道工序，如前文提到TFT制造時(shí)的高溫（或相對(duì)高溫），仍可屹立不倒的材料著實(shí)不多。既然難以選擇玻璃作為基板材料，卻仍需確保透光性，外加可彎曲、可折疊屬性，業(yè)界普遍采用的是PI（Polyimide，聚酰亞胺）——說白了就是某種塑料薄膜，這在圖3中已經(jīng)有體現(xiàn)。當(dāng)然其中還有一些技術(shù)細(xì)節(jié)這里無法細(xì)數(shù)，比如說玻璃基板可能需要采用PI鍍膜方案、支撐層與PI基板之間需要一個(gè)剝離層（debonding layer）等。

每一層都得彎曲折疊

實(shí)際上，超薄玻璃也是一種可一定程度彎曲的基板備選材料，玻璃畢竟具備更高的熱穩(wěn)定性和更好的透明性，但仍然受限于可彎曲的程度。而除了基板材料的選擇，柔性面板還有一些需要考慮的問題。

比如說導(dǎo)電層的ITO（銦錫氧化物，或者可能是其他導(dǎo)電聚合物材料），一方面是要求更低溫度的工藝，另一方面在于ITO沉積在塑料基板上，在拉伸應(yīng)變方面可能導(dǎo)致很大的問題。

再比如說，TFT層也受到可彎曲的影響，不僅是外力可對(duì)其產(chǎn)生破壞，還在于其它層的熱膨脹/收縮產(chǎn)生的力，以及它對(duì)濕度非常敏感。TFT層除了前文提到如今比較普遍的LTPS，OTFT（有機(jī)薄膜晶體管）對(duì)柔性面板而言也是某種備選方案。

像彎曲這樣的動(dòng)作，尤其當(dāng)彎曲半徑小到“對(duì)折”的程度，想象將一本書，沿著封面中間位置對(duì)折：對(duì)折后內(nèi)圈的書頁和外圈的書頁的形變狀態(tài)就有差異。所有書頁為了適應(yīng)這種彎曲對(duì)折，整本書不同位置一定會(huì)產(chǎn)生不同程度的形變。屏幕也是多層結(jié)構(gòu)，當(dāng)然屏幕面板沒有書那么厚，但面板各層材料、工藝都有差異，可形變、熱膨脹特性等都有差異。這會(huì)給折疊動(dòng)作產(chǎn)生不小的阻礙。

不難想象，使用折疊屏手機(jī)時(shí)，折疊次數(shù)一多便很容易產(chǎn)生膜層分離、膜層滑移，甚至直接脆裂的問題——就像一本書對(duì)折后，不同書頁的位置關(guān)系與平整狀態(tài)下相比已經(jīng)大不相同。于是折痕的問題便不難理解，即已產(chǎn)生的形變難以恢復(fù)——可能是表層材料無法恢復(fù)，也可能是其他層的材料。

圖3

在應(yīng)對(duì)這樣的問題時(shí)，不同的面板制造商也有各自不同的解決方案。比如說鈍化結(jié)構(gòu)加入緩沖層（BL）、無機(jī)防水層、粘合層（AIL）等。軟性的緩沖層能夠很大程度抵消彎折過程中產(chǎn)生的力，并且縮小彎曲半徑（如圖3）。這是前些年臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院就開始嘗試的方案。當(dāng)然，這部分內(nèi)容實(shí)際上已經(jīng)和下文要提的封裝相關(guān)了。

今年3月份的柔宇發(fā)布會(huì)上，柔宇提到建立“智能力學(xué)仿真模型”，形成材料力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫——不同材料層的各種參數(shù)，并對(duì)材料物理特性進(jìn)行模擬，配合實(shí)驗(yàn)對(duì)比。通過這個(gè)仿真模型中，就能找到更好的堆疊方案和材料選擇。

探索中的封裝技術(shù)

不過在折疊屏手機(jī)使用過程中，除了折疊動(dòng)作本身帶來的破壞性，顯示、觸控故障很多時(shí)候又來自水、氧入侵面板內(nèi)部，導(dǎo)致的嚴(yán)重問題。因?yàn)橛袡C(jī)材料很容易發(fā)生氧化和水解。所以對(duì)水氧的阻隔，對(duì)于柔性面板而言顯得尤為重要。

這就涉及到封裝技術(shù)了——雖然本文的前一個(gè)段落也相關(guān)封裝，但前一部分的重點(diǎn)在針對(duì)折疊的“緩沖”，而這部分主要相關(guān)“隔離”和“延緩”。如前文所述，傳統(tǒng)OLED屏幕和柔性屏在封裝要求上存在很大差異，前者的形態(tài)是固定的，而且在應(yīng)用于手機(jī)、電視這類終端產(chǎn)品后，面對(duì)的環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定；而后者由于柔性形態(tài)，封裝需要做到多方位的防護(hù)，尤其對(duì)于水氧的阻隔。

這也是很多已經(jīng)在售的折疊屏手機(jī)，在使用過程中出現(xiàn)屏幕部分顯示區(qū)域失效的主要原因。至少就現(xiàn)狀來看，柔性面板的封裝技術(shù)似乎還沒有那么成熟。

多層薄膜封裝是比較常見的方案：多層薄膜通常會(huì)將無機(jī)層和有機(jī)層交替疊加，每個(gè)有機(jī)/無機(jī)層堆疊構(gòu)成一對(duì)；超過三對(duì)多層薄膜，則水氧阻隔性提升3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，WVTR（水蒸氣透過量）也能相應(yīng)提升；有機(jī)層越薄，形成統(tǒng)一均勻的層才越有利；與此同時(shí)這種有機(jī)/無機(jī)對(duì)不應(yīng)超過5對(duì)?？偟膩碚f，實(shí)際表現(xiàn)還是要看材料和工藝。

三星采用一種名為Barix的多層薄膜封裝技術(shù)——這是美國Vitex公司商用的一種技術(shù)，如今在柔性薄膜封裝上的應(yīng)用還是比較廣泛的。Barix多層薄膜能夠很大程度滿足一些規(guī)格需求。Barix鍍膜的塑料薄膜還可用作透明基板。

不過Barix技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)，比如早前存在濺射AlOx薄膜的一些固有缺陷。這種技術(shù)還要求面板進(jìn)出沉積室多達(dá)6次，而且成本也是比較高的。氧化物沉積是整個(gè)流程中極大限制了速度的一個(gè)步驟——當(dāng)然針對(duì)這一問題的技術(shù)開發(fā)也一直在持續(xù)中。在柔性O(shè)LED制造過程中，封裝成為總體成本中占很大比例的組成部分。

Moto Razr 2019在折疊設(shè)計(jì)上，相對(duì)討巧地讓彎曲半徑變大，來源：摩托羅拉

即便有著10年以上的研發(fā)投入，初代折疊屏手機(jī)依然面臨各種各樣的問題。畢竟如今的折疊屏本身厚度要小于1mm，彎曲半徑也僅1.5mm?？紤]其間包含晶體管、半導(dǎo)體材料、化學(xué)層、光學(xué)薄膜層，屏幕制造挑戰(zhàn)自然是可想而知的。另外還要在意可靠性問題：20萬次折疊是如今的基本使用保障。

加上生產(chǎn)的良率控制，折疊屏總體成本目前仍然是比較高的。IHS的OLED Display Cost Model數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)7.3英寸QHD OLED屏幕，顯示部分的成本是50-35美元，觸控組件則需15美元。相較而言，可折疊7.3英寸WQHD OLED屏幕成本在100-70美元區(qū)間，觸控組件為25美元。這里我們還沒有探討觸控層相關(guān)的柔性技術(shù)——這也是門道頗多的，三星的Y-Octa觸控解決方案即是一個(gè)典型。

從偏終端產(chǎn)品的角度來看，折疊屏手機(jī)的轉(zhuǎn)軸所需投入的成本也是巨大的，另外還要加上手機(jī)內(nèi)部的布局設(shè)計(jì)為折疊屏做出的讓步，以及系統(tǒng)、軟件層面為折疊形態(tài)做出的UI和功能開發(fā)。如今的折疊屏手機(jī)價(jià)格昂貴，自然容易理解。

一步步走向成熟

以上我們就把柔性屏如此脆弱的原因大致解釋清楚了。最后我們?cè)賮砗唵握務(wù)勏M(fèi)用戶非常關(guān)心的，折疊屏的硬度問題：這里的硬度指的實(shí)際上是屏幕最外層覆蓋材料的硬度。這個(gè)問題非常關(guān)乎用戶體驗(yàn)，畢竟誰都不希望手機(jī)用了沒幾天，屏幕上就一堆凹痕、印跡。

已經(jīng)上市的初代折疊屏手機(jī)普遍存在這樣的問題，這些手機(jī)的外層蓋板也都是PI材料——畢竟透明度、可彎折都需要保證。在表層覆蓋材料的選擇上，三星的二代折疊屏手機(jī)Galaxy Z Flip開始改用一種超薄玻璃蓋板——這種被三星命名為UTG的玻璃蓋板實(shí)際是由韓國的Dowoo Insys生產(chǎn)的。

就用戶反饋來看，這種超薄玻璃的耐久度表現(xiàn)的確要顯著優(yōu)于PI，但那也只是相對(duì)而言。其硬度同樣不高，且存在碎裂風(fēng)險(xiǎn)。韓國媒體此前報(bào)道稱，三星期望開發(fā)自己的UTG蓋板，因?yàn)镈owoo Insys的方案仍然不夠強(qiáng)韌。后者目前的方案，玻璃厚度為30μm，三星則準(zhǔn)備開發(fā)一種60μm厚度的蓋板，在確?？烧郫B性的前提下，令其可靠性更佳。

無論如何，從折疊屏手機(jī)表層玻璃蓋板的這種迭代，觀眾一窺就不難發(fā)現(xiàn)折疊屏在技術(shù)層面仍有極大的完善和發(fā)展空間：但它正在走向成熟，是技術(shù)厚積薄發(fā)的某種體現(xiàn)。

圖4

針對(duì)柔性屏、折疊屏的市場(chǎng)前景，從來沒有一家分析機(jī)構(gòu)質(zhì)疑過其潛力。DSCC去年預(yù)計(jì)到2022年，可折疊OLED的出貨量會(huì)達(dá)到6300萬，2019年這個(gè)數(shù)字還是300萬，復(fù)合年增長率173%。預(yù)計(jì)2025年的市場(chǎng)規(guī)模為80億美元。而技術(shù)的持續(xù)完善，促成折疊屏成本的進(jìn)一步下降，再過1-2年，市面上的折疊屏手機(jī)大概就能以平價(jià)的姿態(tài)存在了，而且可靠性還會(huì)比現(xiàn)如今的折疊屏手機(jī)好得多，那個(gè)時(shí)候折疊屏?xí)r代才是真正的到來了。
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