折叠手机弯曲技术超越极限
2019/11/1 9:51:42
作者: KERRY CUNNINGHAM
应用材料公司显示屏柔性技术事业部产品营销经理
在移动电子设备上采用可弯折柔性显示屏，是多年来一直讨论的话题。今年，首批技术相对完善的折叠手机将推向市场。但与此同时，该技术仍面临很多尚待解决的问题和挑战。热衷尝鲜者极为欢迎有这种令人激动的新技术推出（图 1）。但是，站在行业整体角度来看，这仍然存在很多疑虑，什么样的手机设计才会赢得消费者的青睐呢？要拓展哪些新技术，克服哪些技术障碍才能实现大规模量产呢？
图 1. 折叠屏设备类型（图片来源，从左上顺时针依次为：Technobezz、itechfuture、mspoweruser、福布斯）
在发展折叠手机或其他折叠屏电子设备过程 中，有大量问题有待解决，包括电池续航、制造成本和价格等。当然，首要问题莫过于要使显示屏可承受频繁弯折，因为用户会在几年的使用时 间里频繁开合设备。本文将探讨上述所有问题。
电池续航
可折叠类平板手机(phone–tablet) 最酷的双显示屏都要耗电，也是影响电池续航的主要原因。4,380 mAh 典型电池容量的智能手机，电量一般可续航两天，当然具体还要取决于使用频率。但要运行一块7英寸以上的迷你平板显示屏，就需要更大的电量。另外，屏幕的开合操作以及屏幕间的切换也会耗电。因此，带给消费者的很可能是要么续航时间变短，要么因为配备大容量电池而变得更厚重的折叠手机。
外形因素
目前，智能手机市场呈现大屏幕、薄机身的趋势，随着OLED屏的采用和电池技术的进步，这种趋势也在进一步发展。但是，已经习惯轻薄手机的消费者是否愿意让口袋中的手机厚上一倍呢？
成本和价格
根据 OLED 显示屏成本模型 (OLED Display Cost Model)，标准 7.3 英寸四倍高清分辨率 (QHD) OLED 显示屏，其成本为 35-50 美元，触摸屏组件 成本为 15 美元。相比之下，可折叠的 7.3 英寸宽屏四倍高清分辨率 (WQHD) OLED 折叠屏，其成本 为 70-100 美元，触摸屏组件成本为 25 美元。手 机触摸层和封装采用的特殊材料占上述增加的成 本中的大部分。
因工艺不成熟造成生产良率低，会进一步增加成本。智能手机标准OLED显示屏良率为 60– 70%，而可折叠 OLED 显示屏的良率不足 30%。此外，折叠屏移动设备今后是否受欢迎，大众是否乐 于使用，要揣摩消费者的真实想法着实不易。初始预测显示，虽然消费者对这类设备非常感兴趣 （图 2），但初期销量并不佳。这表明消费者对该技 术很有兴趣，但从零售层面来看却持观望态度。
图 2. OLED 折叠屏设备出货量预测。（资料来源：IHS Market）
挑战弯折极限
目前，在屏幕弯折问题上并没有明确的解决方案，但应用材料公司正在开展大量研究工作，以最终解决这一问题。
折叠手机
可弯折的设备必须基于柔性 OLED 技术，因为标准 LCD 薄膜晶体管 (TFT) 无法承受重复性的弯折操 作。同样原因，屏幕基板必须采用聚酰亚胺材料，而非玻璃。
组成显示屏的整个薄膜叠层要具备超薄、高韧度 的特点，厚度（包括 OLED 器件在内）不超过 1.0mm。 显示屏的各层包括：可折叠基板上的 TFT、覆盖 TFT 的绝缘层、绝缘层上的 OLED、基板上的封装层、与 封装层结合的柔性触摸屏面板、以及保持显示薄膜 光学特性的硬涂层膜，同时（可能）帮助屏幕抵抗 磨损、擦伤或撞击。屏幕弯折时，必须保证上述各 层的正常功能。
弯折这些薄膜叠层时，叠层中有个位置称为中轴 或中性曲面，此处应变力为零。找到中性曲面中显 示模块的位置，使之承受最小的应力和压力。
这一点很重要，向内弯折屏幕时，如果该显示�？槌惺芄蟮难褂αΓ赡茉斐善淝桶�；而过大的张应力则会导致其碎裂和剥离（图 3）。虽然 当显示屏各层薄膜单独弯曲时，可达到相对较小的弯曲半径 (小于5mm)，然而当各层之间通过粘合力附着在一起并弯曲的情况下，机械应力在各粘合层间转移，因为夹合薄膜叠层中的压应力和张应力， 造成夹层剥离和屈曲。
因此，工程师对粘合进行改良，使粘合后的各薄膜层依然保持原有的独立机械性能，而不受相邻薄膜层的影响。其目的就在于，显示屏叠层弯曲时，防止各薄膜层剥离和屈曲，尤其当弯曲半径小于5mm 时。
图 3. 弯曲测试失败形式。（资料来源：Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials, Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015）
付诸试验
应用材料公司的显示屏柔性技术 (DFT) 实验室 小组对聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 薄膜进行了薄膜封装测试，以评估该薄膜的可靠性，确定其作为空气和湿气阻隔材料，是否可保持其固有特性，充分�；� OLED 材料。
总临界应力目标 <1% 为一个杨氏模量函数，或 者说机械特性，它定义了材料压应力和张应力与基 板总厚度的关系（图 4）。
图 4. 可折叠基板临界应力公式。（资料来源：Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials, Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015）
显示屏柔性技术事业部的工程师们测试了50μm PEN基板上的多层薄膜封装膜。这项测试包括在专门的弯曲 测试机器上，将基板以半径2.5mm 弯曲200,000 次（图 5）。初步结果显示，1% 的应力系数下没有 明显可见屏幕裂纹。
图 5. 弯曲测试条件和弯曲测试工具固定装置。（资料来源：应用材料公司显示屏柔性技术事业部）
然后，工程师们测试了PEN 薄膜，以确定在满足 1% 目标应力标准下，不同厚度的PEN 薄膜可达到的最小可弯曲半径。125μm PEN 基板弯曲半径可达到 6mm，50μm 可达到 2.5mm，15μm 可达到 1mm（图 6）。
图 6. 测试结果；1% 目标应力标准下，弯曲半径与 PEN 基板厚度的关系。（资料来源：应用材料公司显示屏柔性技术事业部）
弯曲测试之后，工程师们在 40° C 温度和 100% 相对湿度条件下，测量了150多个小时的水蒸气透过率 (WVTR)。测试结果达到了1.89E-5 g/m2/日的WVTR，这表明，OLED 的TFT 即便经过 200,000 次弯曲测试，仍能保证可靠的阻隔性能（ 图 7）！
图 7. 弯曲测试后，阻隔薄膜的水蒸气透过率测试结果。（资料来源：应用材料公司显示屏柔性技术事业部）
另一主要问题：折痕
屏幕对折时会产生折痕，完全打开显示屏后，仍会看到它。目前，这种折痕无法避免，且短期内也没有完美的解决方案。目前尚不可知已经习惯于明亮高清显示屏的手机消费者，是否能接纳并不那么完美的折叠屏电子设备（参见图 8）。
图 8. 左侧的两张图片显示了折叠手机的屏幕折痕，右侧图片显示了因重复折叠造成的显示屏边框损坏。（资料来源：Phone Arena 和 the Verge）
与此相关的问题也必须要解决，在折痕处，显示屏边框会出现缝隙，会让异物进入显示屏，造 成 OLED 材料劣化，缩短设备的总寿命。
结论
克服技术难题，消费者对外形特征的接纳程度，降低成本，如何从高端市场细分市场，这些都将对这一新技术的市场推广起到重要作用。不过，折叠手机并非即将出现，而是已经到来，应用材料公司正协助客户，让这类产品由可能变成现实。
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作者简介：
Kerry Cunningham
应用材料公司
显示屏柔性技术事业部产品营销经理
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