看點：「屏幕自由」何時來臨？
智東西10月29日消息，今年九月三星正式發布了第三代可摺疊屏手機——Galaxy Fold2 5G，開創手機平板雙重形態，而此前，華為、小米也紛紛發布其可摺疊手機系列。隨著越來越多的手機廠商推出了可摺疊手機，夠不夠「柔」成為手機的賣點和吸引消費者的新名詞。
可能現在您手上就有一款摺疊屏手機，或打算買一款摺疊屏手機。但一塊顯示屏是如何做到摺疊？而除了摺疊，屏幕還能做到什麼，今天智東西帶您深入柔性屏的發展歷史，看看它的「前世今生」。
從「板磚」到「摺疊」，手機「智能」蛻變
大約半個世紀前，摩託羅拉推出了首款手持式手機，板磚一樣的大小，板磚一半的重量。這個原型在十年後催生了第一臺商用手機，雖然也同樣笨拙，但是人們已經可以通過它在移動過程中撥打和接聽電話，這在當時已經是一個劃時代的創新了。
從那時起，更多人去探索和開發手機的新功能。現在，手機已經可以處理文本消息、瀏覽網絡、播放音樂、拍攝和展現照片和視頻、地圖定位以及其他無數種枚舉不完的用途。這些應用程式也遠遠超出了人們第一次使用手機時，對它的想像和定義。
但是，儘管已經可以實現如此豐富的功能，但手機卻一直在努力克服一個根本的缺點：那就是顯示屏很小。雖然現在有些手機屏幕已經達到了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可能比衣服口袋還大，並不好攜帶。
其中一個顯而易見的解決方案是讓顯示器可以像錢包一樣摺疊起來。二十年來，世界各地科研人員都在研究如何製作出可摺疊的柔性顯示器。但是它們一直以來都只是實驗室裡的研究項目。
不過，在2012年，劉自鴻和其他史丹福大學工程師著手建立柔宇科技（其總部位於加利福尼亞州弗裡蒙特和中國深圳），致力於將柔性顯示器商業化。
在2018年末，柔宇推出了FlexPai柔派摺疊手機，將其手機展開，顯示屏即可達到約平板電腦的大小。柔宇推出的這款可摺疊的顯示器可以承受200000次循環彎曲，並且彎曲得非常緊密，其曲率半徑僅為3毫米。外媒The Verge曾稱其「非常可怕」。但是這款FlexPai手機更像是原型，而不是成熟的產品。
▲2018年，柔宇首款可摺疊手機
此後不久，全球最大的兩家智慧型手機製造商三星和華為也開始推出自己的可摺疊手機。三星於2019年2月正式推出了Galaxy Fold，其配有曲率半徑小至1mm的雙摺疊顯示屏，可將手機摺疊起來並放在裡面。
華為在當月晚些時候也發布了首款可摺疊智慧型手機MateX。Mate X摺疊後約11毫米厚，其顯示屏（如FlexPai的顯示屏）在外側，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摺疊機型：三星的Galaxy Z Flip和華為的Mate Xs/ 5G。
製造柔性屏第一步：屏幕要最薄
當然，最具挑戰性的部分就是顯示器的研發。關鍵在於要減小柔性顯示面板的厚度，以使摺疊時需要承受的彎曲應力最小化。智慧型手機行業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等面板供應商現在正在大量生產可摺疊顯示器。
像傳統智慧型手機中一樣，柔性顯示器也是有源矩陣有機發光二極體（下稱AMOLED）顯示器。但是，這些公司沒有像通常那樣，在剛性玻璃基板上製造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像素所需的薄膜電晶體。這些電晶體帶有緩衝層，可以防止顯示器彎曲時形成裂紋。
儘管按照這些思路構造的柔性顯示器在手機和其他消費級產品中正迅速變得越來越普遍，但尚未有適用於這些顯示器的標準以及評估其彎曲能力的等級。只能通過「合格（Conformable）」、「可捲曲（rollable）」和「可摺疊（foldable）」這種定性的表述來表示可摺疊顯示屏的柔韌性。
由於任何材料，無論是智慧型手機顯示器還是鋼板，彎曲的外表面上會受到拉力，內表面則受到壓縮，因此構成顯示器的電子組件必須抵抗這些應力和它們相應引起的形變。最簡單的方法是使柔性顯示器內、外表面儘可能相互靠近，從而最大程度地減小形變力，也就是說使設備變得非常薄。
為了使顯示器儘可能薄，設計人員去除了通常位於頂部的保護膜和偏光片，以及在這些層之間施加的粘合劑。雖然去除這些組件的結果也並不理想，但是保護膜和用於減少反射的偏光片都是AMOLED的可選組件，它們在內部產生光，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。
製造柔性屏第二步：電極得彎曲
柔性顯示器與常規顯示器的另一個區別就是透明導電電極，該透明導電電極將使像素髮光的發光有機材料夾在中間。通常，會使用氧化銦錫（ITO）層作為透明導電電極。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，導致其在壓縮時發生彎曲和分層，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，研究人員發現了幾種提高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），這還有助於將易碎的ITO層放置在顯示器的機械中性面上，彎曲時既不壓縮也不拉緊。目前很多製造可摺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。由於銦有毒又昂貴，也不利於顯示器的靈活性，所以換個材料不失為一個頗有吸引力的思路。儘管在商業產品中還沒有實現，但多年來包括首爾國立大學在內多個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，華為可摺疊手機Mate Xs系列
最希望實現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形成了一個導電的網。通過類似於油墨印刷的方式，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製備柔性薄膜。
對銀納米線的大多數研究都集中在減少單個導線之間的結點電阻。方法也有很多種，例如添加某些其他材料到納米線網格中；加熱納米線層使納米線結融合；或者對納米線網格進行熱壓，使其經受等離子體作用或被閃光照射以使結點融合。
選擇哪種處理方法很大程度上取決於其應用納米線基板的性質。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，那麼在加熱時就容易產生很大的形變。
如果基板使用聚醯亞胺，那麼雖然對熱不敏感，但是它偏黃的顏色會損害生產出來電極的透明度。
但是，在創建透明導電電極時，金屬納米線並不是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構也是不錯的選擇。
雖然石墨烯並不和ITO一樣具有出色的導電性和光學透明性，但它比其他電極材料更能承受彎曲。而且通過與導電聚合物結合或摻入少量硝酸或氯化金，石墨烯的導電性可以被改善。
▲石墨烯結構
除此之外，導電聚合物也可以被用做透明導電電極，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，便於通過印刷或旋塗更容易地製造薄而透明的電極。
合適的化學添加劑可以顯著提高這種導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光量，使其比使用ITO電極製造的顯示器更亮。
製造柔性屏第三步：未完待續
到目前為止，用於手機、電腦顯示器和電視的有機LED顯示器主要是通過將基板置於真空狀態，蒸發所要添加的有機材料，使用金屬掩膜控制這些物質添加的位置來製造的。但是，那些具有精細圖案的金屬掩膜很難製造，可能會浪費許多應用材料，導致大型顯示器面板的高成本。
現在，出現了更加有效的替代方案：噴墨印刷。也就是說，將要添加的有機材料溶解在溶劑中，噴射到基材上，然後進行後續加熱步驟以除去殘留的溶劑。
杜邦、默克、日產化學和住友都在研究這種方法，儘管最終設備的效率和可靠性可能遠遠低於所需的水平，但是如果這些公司有一天能成功，那麼顯示器製造的成本將大大降低。
▲2019年，三星可摺疊手機Galaxy Fold系列
但對於製造智慧型手機的小型顯示器的製造商來說，降低耗電量比降低成本更為重要。現在OLED的耗電量越來越少，但是OLED行業越成熟，從目前的每平方釐米約6毫瓦（每平方英寸約40毫瓦）電流值再進一步降低功耗的難度就越大。
對於可摺疊手機而言，收益遞減尤其成問題，因為可摺疊手機的顯示屏比普通手機屏大得多。因此，至少在短期內，可摺疊手機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後，柔性屏製造的第三步就是再進一步，解決製造工藝、耗電大等問題，降低成本提高效益。
「後柔性時代」，屏幕無疆界
當智慧型手機可以摺疊後，柔性顯示器的下一步是什麼？既然現在人們似乎都粘在手機上，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？可能這些設備最初會用來可視化各種生物特徵數據，然後逐漸開發其他應用，最後和摩託羅拉製作的手機原型一樣，演變成「貼在皮膚上」的智慧型手機。
所以，用於生產這種顯示器的材料應足夠柔軟，以免貼膚時造成麻煩，而且必須同時具有伸縮性。但是，製造可拉伸的導體和半導體是一項巨大的挑戰。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，並通過可承受拉伸形變的導電路徑連接。
而如果想要製造導體、半導體以及基板都可以拉伸的顯示器，最大的障礙是設計可拉伸的材料來封裝這些設備並保護它們免受溼氣和氧氣的破壞。
最近，首爾國立大學研究團隊已成功開發了不需要保護塗層、不會被空氣影響、可拉伸的發光設備。這些設備可以拉伸到其正常長度的幾乎兩倍，而不會發生故障。
但如今，只是製造了僅含原始發光元件的可拉伸顯示器原型。但業界對可拉伸顯示器興趣濃厚，今年6月，韓國貿易、工業和能源部指派LG集團研究團隊開發可拉伸顯示器。
結語：「屏幕自由」雖遲但到
如同半個世紀以前摩託羅拉推出手機原型時，誰都不知道五十年後手機會以怎樣的方式「長」在我們身上：貼在運動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顯示屏或一切現在的我們想像不到的形態。
但毫無疑問的是，可彎曲可拉伸顯示屏的時代將會到來。
來源：IEEE SPECTRUM
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原標題：《貼在皮膚上的可拉伸屏來了？揭秘柔性屏的前世今生》
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