折疊屏手機背后的“黑科技”

2月24日晚21點，某國產手機品牌在西班牙巴塞羅發(fā)布了新一代5G手機，這是該品牌首款折疊屏手機。

一時間，折疊屏似乎成為了新一代手機的標配，那么今天，就讓我們扒一扒這里面到底有什么“黑科技”。

其實，折疊屏是柔性屏的一種，是柔性電子技術積累到一定基礎上發(fā)展而來。柔性電子是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/可延性基板上的新興電子技術。相對于傳統(tǒng)電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環(huán)境，滿足設備的形變要求。其應用橫跨航空、消費電子、醫(yī)療保健、機器人和工業(yè)自動化等多個領域，受到了中美日韓等國的重點支持。

相對于傳統(tǒng)電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環(huán)境，滿足設備的形變要求。其應用橫跨航空、消費電子、醫(yī)療保健、機器人和工業(yè)自動化等多個領域。柔性電子涵蓋有機電子、塑料電子、生物電子、納米電子、印刷電子等多個交叉學科，所能提供的產品包括柔性顯示屏、化學與生物傳感器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲、柔性電池、可穿戴設備、電子報紙、電子皮膚等多個方向，未來也許能夠改變人們衣食住行等方面。

柔性OLED顯示屏的工作原理

柔性OLED(FOLED)顯示屏就是利用OLED技術在柔性塑料或者金屬薄膜上制作顯示器件，其基本結構為“柔性襯底/ITO陽極/有機功能層，金屬陰極”，發(fā)光機理與普通玻璃襯底的OLED相似。柔性(FOLED)器件一般是在玻璃或聚合物基板上，由夾在透明陽極、金屬陰極和夾在它們之間的兩層或更多層有機層構成。當器件上加正向電壓時，在外電場的作用下，空穴和電子分別由正極和負極注入有機小分子、高分子層內，帶有相反電荷的載流子在小分子、高分子層內遷移，在發(fā)光層復合，形成激子，激子把能量傳給發(fā)光分子，激發(fā)電子到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)能量通過輻射失活，產生光子，形成發(fā)光。有機電致發(fā)光器件的基本結構是夾層式結構，即各有機功能層被兩側電極像三明治一樣夾在中間，且至少有一側的電極是透明的，以便獲得面發(fā)光。

具體說來，OLED的基本器件結構有單層、雙層、三層和多層等。由于電子空穴在有機薄膜中遷移率(mobility)不同，導致電荷的不平衡注入，使發(fā)光效率下降，因此，通常采用多層器件結構: 基板(substrate)/陽極(anode)/空穴注入層(hole injecting layer)/空穴傳輸層(hole transporting layer)/發(fā)光層(emitting layer)/電子傳輸層(electron transporting layer)/陰極(cathode)。評價柔性OLED可從發(fā)光材料的發(fā)光性能和器件的電學性能兩個方面來評價。發(fā)光性能主要包括發(fā)射光譜、發(fā)光效率和壽命等，對于作顯示器件的可見光還有發(fā)光亮度、發(fā)光色度等參數(shù)，電學性能如電流與電壓關系等。

柔性襯底材料

制作一個耐撞擊、不易破碎、輕薄、便于攜帶的柔性顯示器，能讓人們隨時可以卷起來，放到口袋里帶走會是一件多么美妙的事情。然而要是實現(xiàn)這樣的目標需要考慮許多的問題，僅僅從柔性顯示器件制作方面來看，就要考慮如襯底材質的選擇，水氧阻絕層的水氧阻絕能力、導電陽極的平整度、與導電度、陽極的圖案化制程、元件制作后的效率與顏色，還有元件完成后的封裝效果好壞，最后則是元件壽命的長短及可以承受的機械應力如卷曲度及次數(shù)等。其中最為基礎的就是襯底段陽極的改善。

柔性有機電致發(fā)光器件與傳統(tǒng)的導電玻璃有機電致發(fā)光器件的最主要的差別就是實用的襯底不同，因此，如何在低溫的條件下，根據不同的襯底，制作出導電性及平整度皆不錯的導電陽極，是一個重要的課題。

柔性顯示屏的常用襯底是塑料襯底，包括PET、PEN等，也有使用金屬箔襯底的，以他還有超薄玻璃及紙襯底。

選擇襯底材料的一般原則：

1、襯底材料的透明性要好(可見光透過率超過90%);

2、襯底材料和薄膜材料間要有一定的附著性;

3、襯底材料要有一定的耐溫性。

塑料襯底

塑料作為柔性襯底被認為具有廣闊的前景，因為塑料襯底具備透明性、柔性、質量輕、耐用、價格便宜等優(yōu)點。融入現(xiàn)代精密技術的塑料襯底有助于有機發(fā)光聚合物和有源矩陣薄膜晶體管陣列的生長和印刷，為大規(guī)模整合柔性電子裝置提供了成本效益、卷-卷高容量加工的可能性。

塑料襯底一般分為三類：

1、半結晶熱塑性聚合物，如聚酯(PET)、聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)。PET和PEN作為柔性襯底展現(xiàn)了一些重要的特性，包括固有的良好透明性，簡單的加工過程，良好的力學性能，較高的阻隔氧氣和水汽滲透性能，但是其不耐高溫，低溫沉積ITO時，器件性能降低。溫度升高時，這類聚合物襯底收縮，ITO膜容易從襯底脫落;其表面粗糙度也比較大，沉積在聚合物襯底上的薄膜容易產生缺陷。

2、非結晶聚合物，如聚醚砜(PES)。PES為非結晶熱塑性塑料，可熔融擠壓或溶劑注造。它有良好的透明度和較高的工作上限溫度，但是價格昂貴，耐溶劑性差。

3、非結晶高玻璃化轉變溫度(Tg)聚合物，如PAR、PCO、PNB和PI，PI具有良好的熱穩(wěn)定性，較好的力學性能和化學性能，但是透明度低，價格也比較貴。織物材料也可以用來作為柔性襯底。

常用聚合物柔性襯底的性能比較

金屬襯底

金屬襯底一般應用于透過率要求不是很高的柔性發(fā)光顯示。如果應用于大型顯示器，其是一種很貴的材料，而應用于小型柔性顯示中，則有著較大的前景。

金屬襯底的耐高溫性能(至少在1000℃以上)要遠遠高于塑料與玻璃，在制作柔性顯示過程中使用金屬箔片襯底不會存在耐熱方面的問題。所以金屬襯底也是一種常見的選擇。

不銹鋼金屬襯底與其他襯底的性能比較如下

由表中可以看出，不銹鋼襯底相對塑料襯底具有良好的導電性、優(yōu)秀的水汽和氧氣阻隔性，更高的彈性模量較低的熱膨脹系數(shù)，并能夠R2R大規(guī)模生產。

然而表面粗糙的箔片無法作為柔性襯底直接使用，否則會影響柔性顯示的性能 降低其壽命。因此粗糙度是金屬取代聚合物或者玻璃襯底成為未來柔性顯示器的關鍵因素。為了提高箔片表面光滑度通常采用的方法有兩種：加一層平坦化層或者加一層鈍化層。OLEDs要求表面粗糙度小于5nm。一般用有機物無機物或者有機無機混合物作為平坦化層。

超薄玻璃襯底

玻璃是硬質材料，用來作為柔性襯底需要實現(xiàn)將其薄化，才可能具有可撓曲性。目前已做成的超薄玻璃厚度小于50μm， 表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性和化學性，良好的可彎曲性，可見光透過性，水汽和氧氣的阻隔性，較高的表面光滑度，而且絕緣，是理想的柔性顯示襯底材料。但是超薄的玻璃韌性較差，經過周期性彎曲后容易出現(xiàn)裂縫。另外超薄玻璃的邊緣部位在切割操作時也比較容易產生微裂痕缺陷。

Andreas等研究了薄玻璃-聚合物系統(tǒng)襯底，具有良好的熱穩(wěn)定性，力學 性能和化學性能。能夠達到柔性顯示器要求的柔性度和滲透性的標準，可以實現(xiàn)流水線生產柔性彎曲的OLED顯示器。

紙質襯底

在過去幾年中，柔性紙質襯底的電子制備開始引起了人們的關注。因為其便宜輕薄可以彎曲折疊、能夠循環(huán)使用，所以作為柔性顯示襯底，紙質也是一種不錯的選擇。與塑料襯底相比較，紙質襯底在加熱后，熱膨脹性比較小?？紤]到紙質是纖維素結構，表面比較粗糙，化學性和機械阻隔性比較差，容易吸附一些小分子物質進入多孔結構。

為了制備柔性顯示，改善紙質襯底接觸面的光滑性是非常重要的。當印刷電子元件對襯底表面平滑性和吸附性的要求較低時，在轉換過程中可將不同功能性的涂料應用于紙張表面。通過涂層，表面能夠防止不同液體的滲透。

最近Do-Yeol等研發(fā)了以復印紙為襯底的柔性OLEDs，在驅動電壓為13V時發(fā)光強度可以達到2200cd/m。

生物復合薄膜襯底

柔性顯示R2R加工技術至今還沒有大規(guī)模應用的一個原因是傳統(tǒng)聚合物塑料襯底的熱膨脹系數(shù)比較高。大部分塑料的熱膨脹系數(shù)在50·10-6K-1左右，由于在襯底沉積功能層熱處理時，膨脹系數(shù)的不匹配會造成裝置性能的下降。細菌纖維素納米纖維薄膜具有熱膨脹系數(shù)低、可見光透過率高和柔性性能良好的優(yōu)點，因此近幾年也被用來作為柔性顯示的襯底，在有機光電子領域的應用中引起了廣泛的關注。

M. Nogi等以丙烯酸樹脂和納米纖維為基質制得了0.7mm BC納米復合膜，熱膨脹系數(shù)低，在600nm時透過率為81%。C. Legnani等在細菌纖維膜表面依次沉積SiO2緩沖層和ITO導電層，并以此為襯底，做出了柔性OLEDs，其亮度可以達到1200cd/m2。S. Ummartyotina等將聚氨酯基樹脂和細菌纖維素制成納米復合薄膜作為柔性OLED襯底，該裝置的最高電流效率為0.085cd/A，功率效率達到0.021lm/W。

柔性顯示材料

柔性有機電致發(fā)光顯示器(FOLED)

OLED具有自發(fā)光、低功耗、響應速度快、視角寬、分辨力高、寬溫度特性、高亮度、高對比度、抗振性能好、耗等性能好等特點，并且抗彎曲能力強，非常適合作柔性顯示器件，適用于對顯示效果要求高的便攜產品及軍事等特殊領域。

OLED是基于有機材料的一種電流型半導體發(fā)光器件，由銦錫氧化物半導體薄膜(ITO)，透明電極、空穴傳輸層、有機發(fā)光層、電子傳輸層、電極層組成。原理是用ITO和金屬電極分別作為器件的陽極和陰極，在一定電壓驅動下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子和空穴傳輸層，電子和空穴分別經過電子和空穴傳輸層遷移到發(fā)光層，并在發(fā)光層中相遇，形成激子使發(fā)光分子激發(fā)，經過輻射發(fā)出可見光。OLED用紅、藍、綠像素并置法、轉換法、白光加彩色濾光片法、微共振腔調色法和多層堆疊法來實現(xiàn)彩色化。

OLED顯示屏驅動方式依驅動方式可分為被動式(PMOLED)與主動式(AMOLED)。PMOLED是屬于電流驅動，結構簡單，驅動電流決定灰階，應用在小尺寸產品上。AMOLED在每一個OLED單元即像素后面都有一組薄膜晶體管和電容器，形成一個薄膜場效應晶體管(TFT)驅動網絡，每一個像素都可以在控制芯片的操作下驅動TFT的激發(fā)像素點，這種方式能獲得極速的響應時間而且省電，顯示效果好適合大屏幕全彩色OLED的需要。按所使用的載流子傳輸層和發(fā)光層有機薄膜材料的不同，分為兩種不同的技術類型：一種是以有機染料和顏料為發(fā)光材料的小分子聚合物OLED，另一種是以共軛高分子為發(fā)光材料的 高分子聚合物PLED。目前研究表明，PLED十分適合用于柔性顯示，采用噴墨印刷，涂布有機材料物質，不需薄膜制程、真空裝置，元件構成只有兩層，投資成本低，但是其噴墨技術的墨滴均一化及RGB三基色定位精度不易控制，影響全彩化產品進程，壽命與產品良率也有待提高。

柔性液晶顯示器(FLCD)

液晶是介于固體和液體之間狀態(tài)的某些有機化合物，具有各向異性的光學特性，對外界的電場磁場和溫度感覺靈敏。液晶顯示器采用液晶作顯示材料，通過陣列的液晶光閘控制光線來顯示文字、圖形和圖像。

膽甾型液晶屬于反射式顯示器，利用外界環(huán)境光源來顯示影像無需背光源，同時具有雙穩(wěn)態(tài)特性，所以膽甾型液晶顯示技術同樣非常省電。富士通采用PM反射式膽甾型液晶顯示器，開發(fā)出全球首款具圖像記憶功能的可彎曲彩色顯示器， 但目前只能少量供應。

雙穩(wěn)態(tài)液晶顯示技術特點是兩個光性狀態(tài)在無外電場作用時都能夠穩(wěn)定存在一段時間，在外電場作用下兩個光性狀態(tài)可以相互轉換。由于顯示所用的兩個光性狀態(tài)在無外場的情況下是穩(wěn)定的，所以不需要長時間加外場來維持顯示狀態(tài) ，就有了比較省電的特點。這類顯示技術在靜態(tài)顯示方面能夠表現(xiàn)出省電這一優(yōu)勢。液晶在柔性顯示方面的研究較為成熟，可以延續(xù)許多傳統(tǒng)的制造技術，比較容易切入產品市場。

柔性電泳顯示器(FEPD)

電泳顯示是利用帶荷電的膠體顆?？稍陔妶鲋幸苿拥脑?，通過電極間帶電物質在電場作用下的運動實現(xiàn)色彩交替顯示的一種顯示技術，以這樣一個電泳單元為一個像素，將電泳單元進行二維矩陣式排列構成顯示平面，根據要求像素可顯示不同的顏色，其組合就能得到平面圖像。

電泳顯示器具有易讀性、柔軟性、雙穩(wěn)態(tài)特性和低功耗等優(yōu)點，成為人們廣泛關注的焦點.與平板顯示器相比，具有以下特點:

1、使用柔性導電高分子薄膜晶體管(Thin film transistnr)作為電極，物理機械性能類似傳統(tǒng)紙張，可以卷曲甚至折疊，便于攜帶;

2、主要是反射型顯示，對光線的反射符合朗伯反射定律，擁有大視角;

3、對圖像的顯示呈雙穩(wěn)態(tài)(Bi2stable display)，即在施加電場的條件下實現(xiàn)顯示，當電場撤去以后，顯示仍然保持，因而，具備信息儲存功能，而且節(jié)能。

但是目前，幾乎所有的電泳顯示技術都不成熟。改善和解決以下問題是今后柔板顯示技術的發(fā)展方向：

1、響應速度比較慢，無法表達足夠連貫的視頻畫面，因為電泳技術依賴于粒子的運動，用于顯示的開關時間非常長，長達幾百毫秒，這個速度對視頻應用是不夠的，應開發(fā)用于電泳顯示的使開關時間達到幾十毫秒甚至更快的電泳技術;

2、全彩色顯示技術等還有待于進一步改進;

3、制造工藝復雜，對材料要求高，成本較高。

其他柔性顯示技術

柔性顯示技術發(fā)展呈現(xiàn)百花齊放態(tài)勢?？梢詫崿F(xiàn)柔性顯示的技術還有：電潤濕顯示(Electro Wetting Display，EWD)，等離子管狀排列(Plasma Tube Array，PTA)，電致變色顯示(Electro Chromism Display，ECD)，電子粉流體顯示(Quick-Response Liquid Power Display，QR-LPD)等。

電潤濕技術

電潤濕顯示技術由Liquavista 公司研制出來， 并將該技術成功應用于新型顯示器產品的開發(fā)。原理是利用控制電壓來控制被包圍的液體的表層，從而導致像素的變化。當沒有施加電壓時，有顏色的液體與不透水且絕緣的電極外層間，形成一層扁平薄膜，就是一個有色的像素點。當在電極與液體之間施加電壓時，液體與電極外層接觸面的張力會產生改變，結果是其原來的靜止況態(tài)不再穩(wěn)定，令液體移至旁邊，造成一個部份透明的像素點，同時油被染上一種顏色，從而顯示出圖像，獲得各種顯示效果。具有功耗低、亮度高、顯示速度快以及受外界環(huán)境、溫度影響不大等優(yōu)點

等離子管狀排列技術

等離子管狀排列技術發(fā)光原理與PDP 相同，但在基本構造和制造方法上卻有著很多不同。是一根根長1 m、厚約1 mm、內部涂布R，G，B 磷光材料的玻璃管，將許許多的玻璃管并排， 前后用兩張電極膠卷包覆組合起來，就成了點陣發(fā)光的顯示器。PTA 可以說是新型態(tài)的等離子顯示器， 跟傳統(tǒng)的等離子顯示相比，PTA 的重量僅有十分之一、厚度僅約1 mm、耗電量只有二分之一，可以彎曲，能直接沿用等離子顯示器的驅動電路基本結構與電極、驅動IC 等關鍵性周邊組件。

電致變色技術

電致變色指在外加電場和電流的作用下材料的光學特性產生可逆變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為從著色態(tài)到透明態(tài)或者從一種顏色到另外一種或幾種顏色的可逆變化。電致變色最新的發(fā)展技術是使用改良的多孔納米薄膜構造的電極，這是由NTERA 公司首先提出的，優(yōu)點有：在光照條件下有良好的對比度、快的轉換速度、長時間顯示內容時的極小功耗， 還是一個兼容低成本、使用加色打印工藝制造和寬光譜范圍反射式結構器件。

電子粉流體

電子粉流體顯示技術由普利司通公司開發(fā)，工作原理是在前面板和背面板之間封入不會凝集和可控制帶電量的電子粉流體，并使其移動。使黑色電子粉流體帶正電荷，白色電子粉流體帶負電荷，當改變電壓極性后，白色電子粉流體移到前面板，而黑色電子粉流體移到后面板，從而實現(xiàn)切換顯示白色和黑色的目的。由于電子粉流體是在空氣中移動，驅動速度較快，且可在低溫下進行驅動。目前工作電壓80 V，降低工作電壓是今后有待解決的課題。

柔性顯示技術的研發(fā)重點

1、顯示元器件技術的開發(fā);

2、驅動元件技術開發(fā);

3、基板技術的開發(fā);

4、封裝技術開發(fā)。

柔性顯示技術涉及光學、色彩學、材料化學、電子學等，屬于多學科綜合類技術，所以柔性顯示技術具備前沿性、綜合性，有相當?shù)募夹g難度，需要跨學科的研發(fā)與合作。

柔性傳感器

在柔性電子技術中，另一大可能帶來產業(yè)革命性變革的技術是柔性傳感器研制。利用柔性傳感器和導電體，科學家可以將外界的受力或受熱情況轉換為電信號，傳遞給機器人的電腦進行信號處理，這樣就可以制作成透明、柔韌、可延展、可自由彎曲折疊、可穿戴的電子皮膚，以便實時精準的監(jiān)測出人體各項指標。

近日，中科院力學所與大連理工大學和北京航空航天大學的科研人員合作，從力學結構設計出發(fā)，研制出適用于可穿戴設備的薄膜貼片式柔性曲率傳感器。這種傳感器可以精確測量被測曲面的動態(tài)彎曲曲率和彎曲角度，而且其彎曲測量結果不受拉伸變形的影響，所以在實際應用過程中，不要求傳感器與被測曲面完美粘合，只需要簡單貼合即可，所以即使是戴手套或穿緊身衣的方式也是完全沒有問題。

同時，這種傳感器也非常適合與穿戴服飾集成，可應用于關節(jié)彎曲監(jiān)測、手勢識別、坐姿監(jiān)測等柔性智能穿戴設備。

除此以外，該團隊還研發(fā)了柔性氣壓傳感器，用于檢測高鐵車頭曲面的壓力分布，超聲波柔性探頭，用于檢測復雜結構的內部損傷;電極式心率傳感器，用于實時檢測心率狀況等。

貼在豬心臟上的柔性傳感器

隨著柔性顯示屏、柔性傳感器等的成功應用，意味著柔性電子開始從理論走向實踐，它可能開啟新一輪的電子器件革命，使人跟機器的距離更加親密。