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。隨著越來越多的手機(jī)廠商推出了可折疊手機(jī)，夠不夠“柔”成為手機(jī)的賣點(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商用手機(jī)，雖然也同樣笨拙，但是人們已經(jīng)可以通過它在移動(dòng)過程中撥打和接聽電話，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、拍攝和展現(xiàn)照片和視頻、地圖定位以及其他無數(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)顯而易見的解決方案是讓顯示器可以像錢包一樣折疊起來。二十年來，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。但是它們一直以來都只是實(shí)驗(yàn)室里的研究項(xiàng)目。

不過，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，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曾稱其“非?？膳隆?。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AMOLED）顯示器。但是，這些公司沒有像通常那樣，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)級產(chǎn)品中正迅速變得越來越普遍，但尚未有適用于這些顯示器的標(biāo)準(zhǔn)以及評估其彎曲能力的等級。只能通過“合格（Conformable）”、“可卷曲（rollable）”和“可折疊（foldable）”這種定性的表述來表示可折疊顯示屏的柔韌性。

由于任何材料，無論是智能手機(jī)顯示器還是鋼板，彎曲的外表面上會受到拉力，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，它們在內(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)品中還沒有實(shí)現(xiàn)，但多年來包括首爾國立大學(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的柔性薄膜。這些難以察覺的納米線在保持透明性的同時(shí)形成了一個(gè)導(dǎo)電的網(wǎng)。通過類似于油墨印刷的方式，研究人員可以將包含銀納米線的溶液施加到基板上而以低成本制備柔性薄膜。

對銀納米線的大多數(shù)研究都集中在減少單個(gè)導(dǎo)線之間的結(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網(wǎng)格中；加熱納米線層使納米線結(jié)融合；或者對納米線網(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，那么雖然對熱不敏感，但是它偏黃的顏色會損害生產(chǎn)出來電極的透明度。

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，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。

但對于制造智能手機(jī)的小型顯示器的制造商來說，降低耗電量比降低成本更為重要?，F(xiàn)在OLED的耗電量越來越少，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。

對于可折疊手機(jī)而言，收益遞減尤其成問題，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、耗電大等問題，降低成本提高效益。

五、“后柔性時(shí)代”，屏幕無疆界

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，人們會開始佩戴直接貼在皮膚上的顯示器？可能這些設(shè)備最初會用來可視化各種生物特征數(shù)據(jù)，然后逐漸開發(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，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，首爾國立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已成功開發(fā)了不需要保護(hù)涂層、不會被空氣影響、可拉伸的發(fā)光設(shè)備。這些設(shè)備可以拉伸到其正常長度的幾乎兩倍，而不會發(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)界對可拉伸顯示器興趣濃厚，今年6月，韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部指派LG集團(tuán)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)可拉伸顯示器。

結(jié)語：“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)，誰都不知道五十年后手機(jī)會以怎樣的方式“長”在我們身上：貼在運(yùn)動(dòng)員手臂或腿上的生物識別顯示器、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)。

但毫無疑問的是，可彎曲可拉伸顯示屏的時(shí)代將會到來。
編輯：hfy