折疊屏手機(jī)是如何做到折疊？淺談柔性屏的發(fā)展歷史

今年九月三星正式發(fā)布了第三代可折疊屏手機(jī)——Galaxy Fold2 5G，開(kāi)創(chuàng)手機(jī)平板雙重形態(tài)，而此前，華為、小米也紛紛發(fā)布其可折疊手機(jī)系列。隨著越來(lái)越多的手機(jī)廠(chǎng)商推出了可折疊手機(jī)，夠不夠“柔”成為手機(jī)的賣(mài)點(diǎn)和吸引消費(fèi)者的新名詞。

可能現(xiàn)在您手上就有一款折疊屏手機(jī)，或打算買(mǎi)一款折疊屏手機(jī)。但一塊顯示屏是如何做到折疊？而除了折疊，屏幕還能做到什么，今天智東西帶您深入柔性屏的發(fā)展歷史，看看它的“前世今生”。

一、從“板磚”到“折疊”，手機(jī)“智能”蛻變

大約半個(gè)世紀(jì)前，摩托羅拉推出了首款手持式手機(jī)，板磚一樣的大小，板磚一半的重量。這個(gè)原型在十年后催生了第一臺(tái)商用手機(jī)，雖然也同樣笨拙，但是人們已經(jīng)可以通過(guò)它在移動(dòng)過(guò)程中撥打和接聽(tīng)電話(huà)，這在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是一個(gè)劃時(shí)代的創(chuàng)新了。

從那時(shí)起，更多人去探索和開(kāi)發(fā)手機(jī)的新功能?，F(xiàn)在，手機(jī)已經(jīng)可以處理文本消息、瀏覽網(wǎng)絡(luò)、播放音樂(lè)、拍攝和展現(xiàn)照片和視頻、地圖定位以及其他無(wú)數(shù)種枚舉不完的用途。這些應(yīng)用程序也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們第一次使用手機(jī)時(shí)，對(duì)它的想象和定義。

但是，盡管已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)如此豐富的功能，但手機(jī)卻一直在努力克服一個(gè)根本的缺點(diǎn)：那就是顯示屏很小。雖然現(xiàn)在有些手機(jī)屏幕已經(jīng)達(dá)到了7英寸（如華為榮耀8X MAX）以提供更多的顯示空間，但是這樣大屏幕的手機(jī)可能比衣服口袋還大，并不好攜帶。

其中一個(gè)顯而易見(jiàn)的解決方案是讓顯示器可以像錢(qián)包一樣折疊起來(lái)。二十年來(lái)，世界各地科研人員都在研究如何制作出可折疊的柔性顯示器。但是它們一直以來(lái)都只是實(shí)驗(yàn)室里的研究項(xiàng)目。

不過(guò)，在2012年，劉自鴻和其他斯坦福大學(xué)工程師著手建立柔宇科技（其總部位于加利福尼亞州弗里蒙特和中國(guó)深圳），致力于將柔性顯示器商業(yè)化。

在2018年末，柔宇推出了FlexPai柔派折疊手機(jī)，將其手機(jī)展開(kāi)，顯示屏即可達(dá)到約平板電腦的大小。柔宇推出的這款可折疊的顯示器可以承受200000次循環(huán)彎曲，并且彎曲得非常緊密，其曲率半徑僅為3毫米。外媒The Verge曾稱(chēng)其“非常可怕”。但是這款FlexPai手機(jī)更像是原型，而不是成熟的產(chǎn)品。

▲2018年，柔宇首款可折疊手機(jī)

此后不久，全球最大的兩家智能手機(jī)制造商三星和華為也開(kāi)始推出自己的可折疊手機(jī)。三星于2019年2月正式推出了Galaxy Fold，其配有曲率半徑小至1mm的雙折疊顯示屏，可將手機(jī)折疊起來(lái)并放在里面。

華為在當(dāng)月晚些時(shí)候也發(fā)布了首款可折疊智能手機(jī)MateX。Mate X折疊后約11毫米厚，其顯示屏（如FlexPai的顯示屏）在外側(cè)，這意味著顯示屏的彎曲半徑約為5毫米。今年2月，兩家公司都推出了第二種可折疊機(jī)型：三星的Galaxy Z Flip和華為的Mate Xs/ 5G。

二、制造柔性屏第一步：屏幕要最薄

當(dāng)然，最具挑戰(zhàn)性的部分就是顯示器的研發(fā)。關(guān)鍵在于要減小柔性顯示面板的厚度，以使折疊時(shí)需要承受的彎曲應(yīng)力最小化。智能手機(jī)行業(yè)剛剛找到這部分的解決方案，三星顯示器和北京京東方科技集團(tuán)等面板供應(yīng)商現(xiàn)在正在大量生產(chǎn)可折疊顯示器。

像傳統(tǒng)智能手機(jī)中一樣，柔性顯示器也是有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（下稱(chēng)AMOLED）顯示器。但是，這些公司沒(méi)有像通常那樣，在剛性玻璃基板上制造AMOLED，而是使用了薄而柔軟的聚合物。在該柔性基板的頂部包含著控制單個(gè)像素所需的薄膜晶體管。這些晶體管帶有緩沖層，可以防止顯示器彎曲時(shí)形成裂紋。

盡管按照這些思路構(gòu)造的柔性顯示器在手機(jī)和其他消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品中正迅速變得越來(lái)越普遍，但尚未有適用于這些顯示器的標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)估其彎曲能力的等級(jí)。只能通過(guò)“合格（Conformable）”、“可卷曲（rollable）”和“可折疊（foldable）”這種定性的表述來(lái)表示可折疊顯示屏的柔韌性。

由于任何材料，無(wú)論是智能手機(jī)顯示器還是鋼板，彎曲的外表面上會(huì)受到拉力，內(nèi)表面則受到壓縮，因此構(gòu)成顯示器的電子組件必須抵抗這些應(yīng)力和它們相應(yīng)引起的形變。最簡(jiǎn)單的方法是使柔性顯示器內(nèi)、外表面盡可能相互靠近，從而最大程度地減小形變力，也就是說(shuō)使設(shè)備變得非常薄。

為了使顯示器盡可能薄，設(shè)計(jì)人員去除了通常位于頂部的保護(hù)膜和偏光片，以及在這些層之間施加的粘合劑。雖然去除這些組件的結(jié)果也并不理想，但是保護(hù)膜和用于減少反射的偏光片都是AMOLED的可選組件，它們?cè)趦?nèi)部產(chǎn)生光，而不是像液晶顯示器中那樣改變從LED背光源透射出來(lái)的光量。

三、制造柔性屏第二步：電極得彎曲

柔性顯示器與常規(guī)顯示器的另一個(gè)區(qū)別就是透明導(dǎo)電電極，該透明導(dǎo)電電極將使像素發(fā)光的發(fā)光有機(jī)材料夾在中間。通常，會(huì)使用氧化銦錫（ITO）層作為透明導(dǎo)電電極。但是，ITO在張力作用下非常脆，而且更糟的是ITO往往無(wú)法很好地粘附在柔性聚合物基板上，導(dǎo)致其在壓縮時(shí)發(fā)生彎曲和分層，這使得柔性顯示器必須尋找其他方法解決這一問(wèn)題。

十年前，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾種提高ITO與柔性基板之間粘合力的方法。其一是在頂部沉積ITO電極之前，用氧等離子體處理襯底。

其二是在電極和基板之間插入一薄層金屬（例如銀），這還有助于將易碎的ITO層放置在顯示器的機(jī)械中性面上，彎曲時(shí)既不壓縮也不拉緊。目前很多制造可折疊顯示器的公司都正在使用此方法。

而更簡(jiǎn)單的方法是不使用ITO電極。由于銦有毒又昂貴，也不利于顯示器的靈活性，所以換個(gè)材料不失為一個(gè)頗有吸引力的思路。盡管在商業(yè)產(chǎn)品中還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但多年來(lái)包括首爾國(guó)立大學(xué)在內(nèi)多個(gè)高校的研究人員都提出了幾種可以用作柔性顯示器透明電極的材料。

▲2019年，華為可折疊手機(jī)Mate Xs系列

最希望實(shí)現(xiàn)的可能是包含銀納米線(xiàn)的柔性薄膜。這些難以察覺(jué)的納米線(xiàn)在保持透明性的同時(shí)形成了一個(gè)導(dǎo)電的網(wǎng)。通過(guò)類(lèi)似于油墨印刷的方式，研究人員可以將包含銀納米線(xiàn)的溶液施加到基板上而以低成本制備柔性薄膜。

對(duì)銀納米線(xiàn)的大多數(shù)研究都集中在減少單個(gè)導(dǎo)線(xiàn)之間的結(jié)點(diǎn)電阻。方法也有很多種，例如添加某些其他材料到納米線(xiàn)網(wǎng)格中；加熱納米線(xiàn)層使納米線(xiàn)結(jié)融合；或者對(duì)納米線(xiàn)網(wǎng)格進(jìn)行熱壓，使其經(jīng)受等離子體作用或被閃光照射以使結(jié)點(diǎn)融合。

選擇哪種處理方法很大程度上取決于其應(yīng)用納米線(xiàn)基板的性質(zhì)。如果基板使用與許多透明塑料食品容器所用的材料相同的，聚對(duì)苯二甲酸乙二酯的聚合物，那么在加熱時(shí)就容易產(chǎn)生很大的形變。

如果基板使用聚酰亞胺，那么雖然對(duì)熱不敏感，但是它偏黃的顏色會(huì)損害生產(chǎn)出來(lái)電極的透明度。

但是，在創(chuàng)建透明導(dǎo)電電極時(shí)，金屬納米線(xiàn)并不是ITO唯一可能的替代品。石墨烯，一種以二維蜂窩狀排列的碳原子結(jié)構(gòu)也是不錯(cuò)的選擇。

雖然石墨烯并不和ITO一樣具有出色的導(dǎo)電性和光學(xué)透明性，但它比其他電極材料更能承受彎曲。而且通過(guò)與導(dǎo)電聚合物結(jié)合或摻入少量硝酸或氯化金，石墨烯的導(dǎo)電性可以被改善。

除此之外，導(dǎo)電聚合物也可以被用做透明導(dǎo)電電極，其中最典型的例子是聚苯乙烯磺酸鹽（3,4-乙撐二氧噻吩）。它可以溶解在水中，便于通過(guò)印刷或旋涂更容易地制造薄而透明的電極。

合適的化學(xué)添加劑可以顯著提高這種導(dǎo)電聚合物薄膜彎曲甚至拉伸的能力，增加顯示器在給定電流量下的發(fā)光量，使其比使用ITO電極制造的顯示器更亮。

四、制造柔性屏第三步：未完待續(xù)

到目前為止，用于手機(jī)、電腦顯示器和電視的有機(jī)LED顯示器主要是通過(guò)將基板置于真空狀態(tài)，蒸發(fā)所要添加的有機(jī)材料，使用金屬掩膜控制這些物質(zhì)添加的位置來(lái)制造的。但是，那些具有精細(xì)圖案的金屬掩膜很難制造，可能會(huì)浪費(fèi)許多應(yīng)用材料，導(dǎo)致大型顯示器面板的高成本。

現(xiàn)在，出現(xiàn)了更加有效的替代方案：噴墨印刷。也就是說(shuō)，將要添加的有機(jī)材料溶解在溶劑中，噴射到基材上，然后進(jìn)行后續(xù)加熱步驟以除去殘留的溶劑。

杜邦、默克、日產(chǎn)化學(xué)和住友都在研究這種方法，盡管最終設(shè)備的效率和可靠性可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所需的水平，但是如果這些公司有一天能成功，那么顯示器制造的成本將大大降低。

但對(duì)于制造智能手機(jī)的小型顯示器的制造商來(lái)說(shuō)，降低耗電量比降低成本更為重要?，F(xiàn)在OLED的耗電量越來(lái)越少，但是OLED行業(yè)越成熟，從目前的每平方厘米約6毫瓦（每平方英寸約40毫瓦）電流值再進(jìn)一步降低功耗的難度就越大。

對(duì)于可折疊手機(jī)而言，收益遞減尤其成問(wèn)題，因?yàn)榭烧郫B手機(jī)的顯示屏比普通手機(jī)屏大得多。因此，至少在短期內(nèi)，可折疊手機(jī)必須包含一塊特別笨重的電池。

所以在解決屏幕厚度和電極材料的問(wèn)題后，柔性屏制造的第三步就是再進(jìn)一步，解決制造工藝、耗電大等問(wèn)題，降低成本提高效益。

五、“后柔性時(shí)代”，屏幕無(wú)疆界

當(dāng)智能手機(jī)可以折疊后，柔性顯示器的下一步是什么？既然現(xiàn)在人們似乎都粘在手機(jī)上，那是不是在不久的將來(lái)，人們會(huì)開(kāi)始佩戴直接貼在皮膚上的顯示器？可能這些設(shè)備最初會(huì)用來(lái)可視化各種生物特征數(shù)據(jù)，然后逐漸開(kāi)發(fā)其他應(yīng)用，最后和摩托羅拉制作的手機(jī)原型一樣，演變成“貼在皮膚上”的智能手機(jī)。

所以，用于生產(chǎn)這種顯??示器的材料應(yīng)足夠柔軟，以免貼膚時(shí)造成麻煩，而且必須同時(shí)具有伸縮性。但是，制造可拉伸的導(dǎo)體和半導(dǎo)體是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。因此，幾年來(lái)，研究人員一直在探索次佳的東西：可幾何拉伸的顯示器——將剛性的微小電子組件附著在可拉伸的基板上，并通過(guò)可承受拉伸形變的導(dǎo)電路徑連接。

而如果想要制造導(dǎo)體、半導(dǎo)體以及基板都可以拉伸的顯示器，最大的障礙是設(shè)計(jì)可拉伸的材料來(lái)封裝這些設(shè)備并保護(hù)它們免受濕氣和氧氣的破壞。

最近，首爾國(guó)立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已成功開(kāi)發(fā)了不需要保護(hù)涂層、不會(huì)被空氣影響、可拉伸的發(fā)光設(shè)備。這些設(shè)備可以拉伸到其正常長(zhǎng)度的幾乎兩倍，而不會(huì)發(fā)生故障。

但如今，只是制造了僅含原始發(fā)光元件的可拉伸顯示器原型。但業(yè)界對(duì)可拉伸顯示器興趣濃厚，今年6月，韓國(guó)貿(mào)易、工業(yè)和能源部指派LG集團(tuán)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)可拉伸顯示器。

結(jié)語(yǔ)：“屏幕自由”雖遲但到

如同半個(gè)世紀(jì)以前摩托羅拉推出手機(jī)原型時(shí)，誰(shuí)都不知道五十年后手機(jī)會(huì)以怎樣的方式“長(zhǎng)”在我們身上：貼在運(yùn)動(dòng)員手臂或腿上的生物識(shí)別顯示器、如同紋身一樣貼在手指上的手機(jī)顯示屏或一切現(xiàn)在的我們想象不到的形態(tài)。

但毫無(wú)疑問(wèn)的是，可彎曲可拉伸顯示屏的時(shí)代將會(huì)到來(lái)。
編輯：hfy