摺疊屏時代真的到來了嗎？甭管誰爭得了「全球首款摺疊屏手機」稱號，首款摺疊屏手機發布至今也有一年多了。人們在談到摺疊屏手機時，卻仍覺得這是個未來向的產品。市面上已有的摺疊屏手機至少包括了三星Galaxy Fold、華為Mate X、三星Galaxy Z Flip、摩託羅拉Moto Razr 2019、柔宇FlexPai等，似乎能細數的型號也不算少了，不過價格多少以及能不能買得到，那就是另一回事了。摺疊屏產品似乎依舊遙遠。Ka7esmc
伴隨摺疊屏這種科幻向技術到來的，還有如今摺疊屏手機脆弱的名聲。三星在柔性屏技術上投入已經超過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這樣的初代摺疊屏設備，也是僅需輕輕用指甲在屏幕上摳一下，就能留下永久、不可修復的凹痕。即便三星二代摺疊屏設備Galaxy Z Flip宣稱改進工藝，從硬度測試來看，要在其屏幕表面留下劃痕也相當輕而易舉；而且摺疊處甚至可能因為室溫過低而碎裂。Ka7esmc
摺疊屏的這種脆弱屬性，更拉遠了它與一般人的距離：當我們花兩萬塊錢買臺摺疊屏手機，卻需要在每天早晨，手機鬧鈴響起時，伸手去觸碰屏幕還得先想一想是不是沒剪指甲。這樣的體驗還是令人畏懼的。我們期望嘗試通過這篇文章，從技術層面去探究，摺疊屏手機為何如此脆弱，及從側面呈現摺疊屏手機當前的發展階段。Ka7esmc
首先還是需要劃定探討問題的範圍：我們所說的柔性屏、摺疊屏究竟說的是什麼。如果按照不同的顯示面板技術來劃分，眾所周知，大方向上LCD和OLED都有自己的柔性發展路線——不過LCD柔性屏相對特殊，也不是我們探討手機摺疊屏的主流技術，未來我們將針對LCD柔性屏技術另外撰文探討。Ka7esmc
從光電材料（electro-optic materials）的角度來說，實際上不僅有LCD、OLED，電泳顯示技術（electrophoretic，即E-Ink）、Gyricon也都能做到柔性化，多見於電子書、電子紙。市面上也已經存在不少此類柔性屏產品，大多主打閱讀、書寫。但這也不是本文要探討的主體。Ka7esmc
如今在手機、移動產品上相對熱門的柔性屏、摺疊屏技術，特指柔性OLED面板。本文在談到摺疊屏、柔性屏時，若無特別說明，則特指OLED。討論範圍明確了，另外一個需要解決的問題是，柔性屏和摺疊屏這兩者是什麼關係？Ka7esmc
通常認為柔性顯示技術的發展可以分成幾個不同的階段。第一階段是固定曲率的柔性屏，即屏幕已經表現出曲面特性，但在最終產品形態上其曲率是固定的、用戶不可控制的。這早在多年前就已經實現，以三星Galaxy系列手機為代表，華為近兩年的旗艦機也都採用這類所謂「3D曲面屏」；很多顯示器、電視產品也有此類設計。Ka7esmc
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來源：wikipediaKa7esmc
第二階段是可彎曲、可捲曲顯示；第三階段是可摺疊顯示；第四階段為可任意摺疊拉伸的全柔性顯示。其中第二階段的可彎曲、捲曲屏幕，在很多顯示技術展會上都能看到。它與第三階段的重要差異在於，「彎曲半徑」的顯著不同。展會上常能見到的可彎曲屏幕，其彎折半徑是相對較大的（3-15mm）。而第三階段的可摺疊，就意味著極小的彎曲半徑（0.5-3mm），技術層面的實現難度相比第二階段要大得多。Ka7esmc
就彎曲半徑的角度來看，像三星Galaxy Fold這樣的內折屏，在面板技術難度上要大於華為Mate X的外折屏方案。因為前者的彎曲半徑是比後者明顯更小的。不過就整個產品的角度來說，後者在鉸鏈、結構設計方面有著更大的難度——這就不在本文的探討範圍內了。Ka7esmc
由此可見，摺疊屏是柔性屏的某個高級階段，即便它並非最終形態。有關摺疊屏在實際應用中的價值，這裡不再贅述：至少就移動產品來說，摺疊屏本質上是將一個更大屏幕的設備裝進口袋裡，提升便攜性。Ka7esmc
要明白摺疊屏為何如此脆弱，首先需要理解這種屏幕的結構，以及具體是怎麼製造的。Ka7esmc
如今手機、電視常見的OLED顯示屏為AMOLED（Active Matrix OLED）面板，它在結構上包括了基板（substrate），陰極層（cathode）、有機分子層（包括發射層、導電層）、陽極層（anode）——這些總體構成了OLED frontplane（如圖1）；當然還需要TFT陣列層（薄膜電晶體）——這部分就是我們常說的backplane，本質上就是控制電路。Ka7esmc
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圖1，OLED屏幕結構Ka7esmc
OLED的發光原理是電致發光（electro-phosphorescence），這裡不再詳述這一機制。在成為屏幕最終形態時，還需要對面板做封裝。傳統手機AMOLED屏幕的上蓋板即為密封玻璃。Ka7esmc
要將這樣的屏幕做成柔性形態，也就是要求每一層都是可彎曲、可摺疊的。這裡還沒有涉及到觸控面板、最外層保護材料之類的構成層級，它們也都需要可彎曲、可摺疊。在大方向上，OLED frontplane和TFT backplane要做成可彎曲、可摺疊形態，問題可能還不算特別大。但傳統AMOLED顯示屏的基板，以及上蓋板，外加屏幕最外層的保護層都是玻璃材料。Ka7esmc
常規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。這就成為柔性屏製造的第一大挑戰，基板及蓋板等的材料選擇。由於OLED面板的製造流程關係，基板的材料選擇實際上是十分受限的。Ka7esmc
OLED面板製造至少需要經歷蝕刻、濺射、蒸鍍、切割等各種工序，材料需要耐受各種高溫、腐蝕環境；在柔性面板製造過程中，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。Ka7esmc
這裡可以單獨談一談前文提到的TFT層，這層材料按照開關器件來分，現在相對流行的是LTPS（低溫多晶矽）與IGZO（銦鎵鋅氧化物）。LTPS是柔性屏製造中的主流，也是三星、京東方這些面板製造商開發柔性屏時普遍採用的方案。LTPS即低溫多晶矽，相比傳統方案（如a-Si）能夠以相對更低的溫度合成。不過即便是「相對更低」，也可能需要達到600℃（或更低）。Ka7esmc
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相對來說，柔性面板的製造流程與傳統剛性OLED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2，只是最終有一個雷射剝離的過程：即將整個面板與玻璃支撐層分離。Ka7esmc
在經過這麼多道工序，如前文提到TFT製造時的高溫（或相對高溫），仍可屹立不倒的材料著實不多。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、可摺疊屬性，業界普遍採用的是PI（Polyimide，聚醯亞胺）——說白了就是某種塑料薄膜，這在圖2中已經有體現。當然其中還有一些技術細節這裡無法細數，比如說玻璃基板可能需要採用PI鍍膜方案、支撐層與PI基板之間需要一個剝離層（debonding layer）等。Ka7esmc
實際上，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定性和更好的透明性，但仍然受限於可彎曲的程度。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。Ka7esmc
比如說導電層的ITO（銦錫氧化物，或者可能是其他導電聚合物材料），一方面是要求更低溫度的工藝，另一方面在於ITO沉積在塑料基板上，在拉伸應變方面可能導致很大的問題。Ka7esmc
再比如說，TFT層也受到可彎曲的影響，不僅是外力可對其產生破壞，還在於其它層的熱膨脹/收縮產生的力，以及它對溼度非常敏感。TFT層除了前文提到如今比較普遍的LTPS，OTFT（有機薄膜電晶體）對柔性面板而言也是某種備選方案。Ka7esmc
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像彎曲這樣的動作，尤其當彎曲半徑小到「對摺」的程度，想像將一本書，沿著封面中間位置對摺：對摺後內圈的書頁和外圈的書頁的形變狀態就有差異。所有書頁為了適應這種彎曲對摺，整本書不同位置一定會產生不同程度的形變。屏幕也是多層結構，當然屏幕面板沒有書那麼厚，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。這會給摺疊動作產生不小的阻礙。Ka7esmc
不難想像，使用摺疊屏手機時，摺疊次數一多便很容易產生膜層分離、膜層滑移，甚至直接脆裂的問題——就像一本書對摺後，不同書頁的位置關係與平整狀態下相比已經大不相同。於是摺痕的問題便不難理解，即已產生的形變難以恢復——可能是表層材料無法恢復，也可能是其他層的材料。Ka7esmc
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圖3Ka7esmc
在應對這樣的問題時，不同的面板製造商也有各自不同的解決方案。比如說鈍化結構加入緩衝層（BL）、無機防水層、粘合層（AIL）等。軟性的緩衝層能夠很大程度抵消彎折過程中產生的力，並且縮小彎曲半徑（如圖3）。這是前些年臺灣工業技術研究院就開始嘗試的方案。當然，這部分內容實際上已經和下文要提的封裝相關了。Ka7esmc
今年3月份的柔宇發布會上，柔宇提到建立「智能力學仿真模型」，形成材料力學參數資料庫——不同材料層的各種參數，並對材料物理特性進行模擬，配合實驗對比。通過這個仿真模型中，就能找到更好的堆疊方案和材料選擇。Ka7esmc
不過在摺疊屏手機使用過程中，除了摺疊動作本身帶來的破壞性，顯示、觸控故障很多時候又來自水、氧入侵面板內部，導致的嚴重問題。因為有機材料很容易發生氧化和水解。所以對水氧的阻隔，對於柔性面板而言顯得尤為重要。Ka7esmc
這就涉及到封裝技術了——雖然本文的前一個段落也相關封裝，但前一部分的重點在針對摺疊的「緩衝」，而這部分主要相關「隔離」和「延緩」。如前文所述，傳統OLED屏幕和柔性屏在封裝要求上存在很大差異，前者的形態是固定的，而且在應用於手機、電視這類終端產品後，面對的環境相對穩定；而後者由於柔性形態，封裝需要做到多方位的防護，尤其對於水氧的阻隔。Ka7esmc
這也是很多已經在售的摺疊屏手機，在使用過程中出現屏幕部分顯示區域失效的主要原因。至少就現狀來看，柔性面板的封裝技術似乎還沒有那麼成熟。Ka7esmc
多層薄膜封裝是比較常見的方案：多層薄膜通常會將無機層和有機層交替疊加，每個有機/無機層堆疊構成一對；超過三對多層薄膜，則水氧阻隔性提升3-4個數量級，WVTR（水蒸氣透過量）也能相應提升；有機層越薄，形成統一均勻的層才越有利；與此同時這種有機/無機對不應超過5對。總的來說，實際表現還是要看材料和工藝。Ka7esmc
三星採用一種名為Barix的多層薄膜封裝技術——這是美國Vitex公司商用的一種技術，如今在柔性薄膜封裝上的應用還是比較廣泛的。Barix多層薄膜能夠很大程度滿足一些規格需求。Barix鍍膜的塑料薄膜還可用作透明基板。Ka7esmc
不過Barix技術也面臨一些挑戰，比如早前存在濺射AlOx薄膜的一些固有缺陷。這種技術還要求面板進出沉積室多達6次，而且成本也是比較高的。氧化物沉積是整個流程中極大限制了速度的一個步驟——當然針對這一問題的技術開發也一直在持續中。在柔性OLED製造過程中，封裝成為總體成本中佔很大比例的組成部分。Ka7esmc
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Moto Razr 2019在摺疊設計上，相對討巧地讓彎曲半徑變大，來源：摩託羅拉Ka7esmc
即便有著10年以上的研發投入，初代摺疊屏手機依然面臨各種各樣的問題。畢竟如今的摺疊屏本身厚度要小於1mm，彎曲半徑也僅1.5mm。考慮其間包含電晶體、半導體材料、化學層、光學薄膜層，屏幕製造挑戰自然是可想而知的。另外還要在意可靠性問題：20萬次摺疊是如今的基本使用保障。Ka7esmc
加上生產的良率控制，摺疊屏總體成本目前仍然是比較高的。IHS的OLED Display Cost Model數據顯示，傳統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，可摺疊7.3英寸WQHD OLED屏幕成本在100-70美元區間，觸控組件為25美元。這裡我們還沒有探討觸控層相關的柔性技術——這也是門道頗多的，三星的Y-Octa觸控解決方案即是一個典型。Ka7esmc
從偏終端產品的角度來看，摺疊屏手機的轉軸所需投入的成本也是巨大的，另外還要加上手機內部的布局設計為摺疊屏做出的讓步，以及系統、軟體層面為摺疊形態做出的UI和功能開發。如今的摺疊屏手機價格昂貴，自然容易理解。Ka7esmc
以上我們就把柔性屏如此脆弱的原因大致解釋清楚了。最後我們再來簡單談談消費用戶非常關心的，摺疊屏的硬度問題：這裡的硬度指的實際上是屏幕最外層覆蓋材料的硬度。這個問題非常關乎用戶體驗，畢竟誰都不希望手機用了沒幾天，屏幕上就一堆凹痕、印跡。Ka7esmc
已經上市的初代摺疊屏手機普遍存在這樣的問題，這些手機的外層蓋板也都是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，三星的二代摺疊屏手機Galaxy Z Flip開始改用一種超薄玻璃蓋板——這種被三星命名為UTG的玻璃蓋板實際是由韓國的Dowoo Insys生產的。Ka7esmc
就用戶反饋來看，這種超薄玻璃的耐久度表現的確要顯著優於PI，但那也只是相對而言。其硬度同樣不高，且存在碎裂風險。韓國媒體此前報導稱，三星期望開發自己的UTG蓋板，因為Dowoo Insys的方案仍然不夠強韌。後者目前的方案，玻璃厚度為30μm，三星則準備開發一種60μm厚度的蓋板，在確保可摺疊性的前提下，令其可靠性更佳。Ka7esmc
無論如何，從摺疊屏手機表層玻璃蓋板的這種迭代，觀眾一窺就不難發現摺疊屏在技術層面仍有極大的完善和發展空間：但它正在走向成熟，是技術厚積薄發的某種體現。Ka7esmc
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圖4，來源：DSCCKa7esmc
針對柔性屏、摺疊屏的市場前景，從來沒有一家分析機構質疑過其潛力。DSCC去年預計到2022年，可摺疊OLED的出貨量會達到6300萬，2019年這個數字還是300萬，複合年增長率173%。預計2025年的市場規模為80億美元。而技術的持續完善，促成摺疊屏成本的進一步下降，再過1-2年，市面上的摺疊屏手機大概就能以平價的姿態存在了，而且可靠性還會比現如今的摺疊屏手機好得多，那個時候摺疊屏時代才是真正的到來了。Ka7esmc
原文發表於ASPENCORE旗下ESMC姊妹網站EETC（ 本文為《電子工程專輯》2020年7月刊雜誌文章 ） 責任編輯：Elaine LinKa7esmc