贴在皮肤上的可拉伸屏来了？揭秘柔性屏的前世今生

看点：“屏幕自由”何时来临？

智东西10月29日消息，今年九月三星正式发布了第三代可折叠屏手机——Galaxy Fold2 5G，开创手机平板双重形态，而此前，华为、小米也纷纷发布其可折叠手机系列。随着越来越多的手机厂商推出了可折叠手机，够不够“柔”成为手机的卖点和吸引消费者的新名词。

可能现在您手上就有一款折叠屏手机，或打算买一款折叠屏手机。但一块显示屏是如何做到折叠？而除了折叠，屏幕还能做到什么，今天智东西带您深入柔性屏的发展历史，看看它的“前世今生”。

从“板砖”到“折叠”，手机“智能”蜕变

大约半个世纪前，摩托罗拉推出了首款手持式手机，板砖一样的大小，板砖一半的重量。这个原型在十年后催生了第一台商用手机，虽然也同样笨拙，但是人们已经可以通过它在移动过程中拨打和接听电话，这在当时已经是一个划时代的创新了。

从那时起，更多人去探索和开发手机的新功能。现在，手机已经可以处理文本消息、浏览网络、播放音乐、拍摄和展现照片和视频、地图定位以及其他无数种枚举不完的用途。这些应用程序也远远超出了人们第一次使用手机时，对它的想象和定义。

但是，尽管已经可以实现如此丰富的功能，但手机却一直在努力克服一个根本的缺点：那就是显示屏很小。虽然现在有些手机屏幕已经达到了7英寸（如华为荣耀8X MAX）以提供更多的显示空间，但是这样大屏幕的手机可能比衣服口袋还大，并不好携带。

其中一个显而易见的解决方案是让显示器可以像钱包一样折叠起来。二十年来，世界各地科研人员都在研究如何制作出可折叠的柔性显示器。但是它们一直以来都只是实验室里的研究项目。

不过，在2012年，刘自鸿和其他斯坦福大学工程师着手建立柔宇科技（其总部位于加利福尼亚州弗里蒙特和中国深圳），致力于将柔性显示器商业化。

在2018年末，柔宇推出了FlexPai柔派折叠手机，将其手机展开，显示屏即可达到约平板电脑的大小。柔宇推出的这款可折叠的显示器可以承受200000次循环弯曲，并且弯曲得非常紧密，其曲率半径仅为3毫米。外媒The Verge曾称其“非常可怕”。但是这款FlexPai手机更像是原型，而不是成熟的产品。

▲2018年，柔宇首款可折叠手机

此后不久，全球最大的两家智能手机制造商三星和华为也开始推出自己的可折叠手机。三星于2019年2月正式推出了Galaxy Fold，其配有曲率半径小至1mm的双折叠显示屏，可将手机折叠起来并放在里面。

华为在当月晚些时候也发布了首款可折叠智能手机MateX。Mate X折叠后约11毫米厚，其显示屏（如FlexPai的显示屏）在外侧，这意味着显示屏的弯曲半径约为5毫米。今年2月，两家公司都推出了第二种可折叠机型：三星的Galaxy Z Flip和华为的Mate Xs/ 5G。

制造柔性屏第一步：屏幕要最薄

当然，最具挑战性的部分就是显示器的研发。关键在于要减小柔性显示面板的厚度，以使折叠时需要承受的弯曲应力最小化。智能手机行业刚刚找到这部分的解决方案，三星显示器和北京京东方科技集团等面板供应商现在正在大量生产可折叠显示器。

像传统智能手机中一样，柔性显示器也是有源矩阵有机发光二极管（下称AMOLED）显示器。但是，这些公司没有像通常那样，在刚性玻璃基板上制造AMOLED，而是使用了薄而柔软的聚合物。在该柔性基板的顶部包含着控制单个像素所需的薄膜晶体管。这些晶体管带有缓冲层，可以防止显示器弯曲时形成裂纹。

尽管按照这些思路构造的柔性显示器在手机和其他消费级产品中正迅速变得越来越普遍，但尚未有适用于这些显示器的标准以及评估其弯曲能力的等级。只能通过“合格（Conformable）”、“可卷曲（rollable）”和“可折叠（foldable）”这种定性的表述来表示可折叠显示屏的柔韧性。

由于任何材料，无论是智能手机显示器还是钢板，弯曲的外表面上会受到拉力，内表面则受到压缩，因此构成显示器的电子组件必须抵抗这些应力和它们相应引起的形变。最简单的方法是使柔性显示器内、外表面尽可能相互靠近，从而最大程度地减小形变力，也就是说使设备变得非常薄。

为了使显示器尽可能薄，设计人员去除了通常位于顶部的保护膜和偏光片，以及在这些层之间施加的粘合剂。虽然去除这些组件的结果也并不理想，但是保护膜和用于减少反射的偏光片都是AMOLED的可选组件，它们在内部产生光，而不是像液晶显示器中那样改变从LED背光源透射出来的光量。

制造柔性屏第二步：电极得弯曲

柔性显示器与常规显示器的另一个区别就是透明导电电极，该透明导电电极将使像素发光的发光有机材料夹在中间。通常，会使用氧化铟锡（ITO）层作为透明导电电极。但是，ITO在张力作用下非常脆，而且更糟的是ITO往往无法很好地粘附在柔性聚合物基板上，导致其在压缩时发生弯曲和分层，这使得柔性显示器必须寻找其他方法解决这一问题。

十年前，研究人员发现了几种提高ITO与柔性基板之间粘合力的方法。其一是在顶部沉积ITO电极之前，用氧等离子体处理衬底。

其二是在电极和基板之间插入一薄层金属（例如银），这还有助于将易碎的ITO层放置在显示器的机械中性面上，弯曲时既不压缩也不拉紧。目前很多制造可折叠显示器的公司都正在使用此方法。

而更简单的方法是不使用ITO电极。由于铟有毒又昂贵，也不利于显示器的灵活性，所以换个材料不失为一个颇有吸引力的思路。尽管在商业产品中还没有实现，但多年来包括首尔国立大学在内多个高校的研究人员都提出了几种可以用作柔性显示器透明电极的材料。

▲2019年，华为可折叠手机Mate Xs系列

最希望实现的可能是包含银纳米线的柔性薄膜。这些难以察觉的纳米线在保持透明性的同时形成了一个导电的网。通过类似于油墨印刷的方式，研究人员可以将包含银纳米线的溶液施加到基板上而以低成本制备柔性薄膜。

对银纳米线的大多数研究都集中在减少单个导线之间的结点电阻。方法也有很多种，例如添加某些其他材料到纳米线网格中；加热纳米线层使纳米线结融合；或者对纳米线网格进行热压，使其经受等离子体作用或被闪光照射以使结点融合。

选择哪种处理方法很大程度上取决于其应用纳米线基板的性质。如果基板使用与许多透明塑料食品容器所用的材料相同的，聚对苯二甲酸乙二酯的聚合物，那么在加热时就容易产生很大的形变。

如果基板使用聚酰亚胺，那么虽然对热不敏感，但是它偏黄的颜色会损害生产出来电极的透明度。

但是，在创建透明导电电极时，金属纳米线并不是ITO唯一可能的替代品。石墨烯，一种以二维蜂窝状排列的碳原子结构也是不错的选择。

虽然石墨烯并不和ITO一样具有出色的导电性和光学透明性，但它比其他电极材料更能承受弯曲。而且通过与导电聚合物结合或掺入少量硝酸或氯化金，石墨烯的导电性可以被改善。

▲石墨烯结构

除此之外，导电聚合物也可以被用做透明导电电极，其中最典型的例子是聚苯乙烯磺酸盐（3,4-乙撑二氧噻吩）。它可以溶解在水中，便于通过印刷或旋涂更容易地制造薄而透明的电极。

合适的化学添加剂可以显著提高这种导电聚合物薄膜弯曲甚至拉伸的能力，增加显示器在给定电流量下的发光量，使其比使用ITO电极制造的显示器更亮。

制造柔性屏第三步：未完待续

到目前为止，用于手机、电脑显示器和电视的有机LED显示器主要是通过将基板置于真空状态，蒸发所要添加的有机材料，使用金属掩膜控制这些物质添加的位置来制造的。但是，那些具有精细图案的金属掩膜很难制造，可能会浪费许多应用材料，导致大型显示器面板的高成本。

现在，出现了更加有效的替代方案：喷墨印刷。也就是说，将要添加的有机材料溶解在溶剂中，喷射到基材上，然后进行后续加热步骤以除去残留的溶剂。

杜邦、默克、日产化学和住友都在研究这种方法，尽管最终设备的效率和可靠性可能远远低于所需的水平，但是如果这些公司有一天能成功，那么显示器制造的成本将大大降低。

▲2019年，三星可折叠手机Galaxy Fold系列

但对于制造智能手机的小型显示器的制造商来说，降低耗电量比降低成本更为重要。现在OLED的耗电量越来越少，但是OLED行业越成熟，从目前的每平方厘米约6毫瓦（每平方英寸约40毫瓦）电流值再进一步降低功耗的难度就越大。

对于可折叠手机而言，收益递减尤其成问题，因为可折叠手机的显示屏比普通手机屏大得多。因此，至少在短期内，可折叠手机必须包含一块特别笨重的电池。

所以在解决屏幕厚度和电极材料的问题后，柔性屏制造的第三步就是再进一步，解决制造工艺、耗电大等问题，降低成本提高效益。

“后柔性时代”，屏幕无疆界

当智能手机可以折叠后，柔性显示器的下一步是什么？既然现在人们似乎都粘在手机上，那是不是在不久的将来，人们会开始佩戴直接贴在皮肤上的显示器？可能这些设备最初会用来可视化各种生物特征数据，然后逐渐开发其他应用，最后和摩托罗拉制作的手机原型一样，演变成“贴在皮肤上”的智能手机。

所以，用于生产这种显示器的材料应足够柔软，以免贴肤时造成麻烦，而且必须同时具有伸缩性。但是，制造可拉伸的导体和半导体是一项巨大的挑战。因此，几年来，研究人员一直在探索次佳的东西：可几何拉伸的显示器——将刚性的微小电子组件附着在可拉伸的基板上，并通过可承受拉伸形变的导电路径连接。

而如果想要制造导体、半导体以及基板都可以拉伸的显示器，最大的障碍是设计可拉伸的材料来封装这些设备并保护它们免受湿气和氧气的破坏。

最近，首尔国立大学研究团队已成功开发了不需要保护涂层、不会被空气影响、可拉伸的发光设备。这些设备可以拉伸到其正常长度的几乎两倍，而不会发生故障。

但如今，只是制造了仅含原始发光元件的可拉伸显示器原型。但业界对可拉伸显示器兴趣浓厚，今年6月，韩国贸易、工业和能源部指派LG集团研究团队开发可拉伸显示器。

结语：“屏幕自由”虽迟但到

如同半个世纪以前摩托罗拉推出手机原型时，谁都不知道五十年后手机会以怎样的方式“长”在我们身上：贴在运动员手臂或腿上的生物识别显示器、如同纹身一样贴在手指上的手机显示屏或一切现在的我们想象不到的形态。

但毫无疑问的是，可弯曲可拉伸显示屏的时代将会到来。

来源：IEEE SPECTRUM

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原标题：《贴在皮肤上的可拉伸屏来了？揭秘柔性屏的前世今生》

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