折疊手機彎曲技術超越極限

在移動電子設備上采用可彎折柔性顯示屏，是多年來一直討論的話題。今年，首批技術相對完善的折疊手機將推向市場。但與此同時，該技術仍面臨很多尚待解決的問題和挑戰(zhàn)。熱衷嘗鮮者極為歡迎有這種令人激動的新技術推出（圖 1）。但是，站在行業(yè)整體角度來看，這仍然存在很多疑慮，什么樣的手機設計才會贏得消費者的青睞呢？要拓展哪些新技術，克服哪些技術障礙才能實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)呢？

圖 1. 折疊屏設備類型（圖片來源，從左上順時針依次為：Technobezz、itechfuture、mspoweruser、福布斯）

在發(fā)展折疊手機或其他折疊屏電子設備過程 中，有大量問題有待解決，包括電池續(xù)航、制造成本和價格等。當然，首要問題莫過于要使顯示屏可承受頻繁彎折，因為用戶會在幾年的使用時 間里頻繁開合設備。本文將探討上述所有問題。

電池續(xù)航

可折疊類平板手機(phone–tablet) 最酷的雙顯示屏都要耗電，也是影響電池續(xù)航的主要原因。4,380 mAh 典型電池容量的智能手機，電量一般可續(xù)航兩天，當然具體還要取決于使用頻率。但要運行一塊7英寸以上的迷你平板顯示屏，就需要更大的電量。另外，屏幕的開合操作以及屏幕間的切換也會耗電。因此，帶給消費者的很可能是要么續(xù)航時間變短，要么因為配備大容量電池而變得更厚重的折疊手機。

外形因素

目前，智能手機市場呈現(xiàn)大屏幕、薄機身的趨勢，隨著OLED屏的采用和電池技術的進步，這種趨勢也在進一步發(fā)展。但是，已經(jīng)習慣輕薄手機的消費者是否愿意讓口袋中的手機厚上一倍呢？

成本和價格

根據(jù) OLED 顯示屏成本模型 (OLED Display Cost Model)，標準 7.3 英寸四倍高清分辨率 (QHD) OLED 顯示屏，其成本為 35-50 美元，觸摸屏組件 成本為 15 美元。相比之下，可折疊的7.3 英寸寬屏四倍高清分辨率 (WQHD) OLED 折疊屏，其成本 為 70-100 美元，觸摸屏組件成本為 25 美元。手 機觸摸層和封裝采用的特殊材料占上述增加的成 本中的大部分。

因工藝不成熟造成生產(chǎn)良率低，會進一步增加成本。智能手機標準OLED顯示屏良率為 60– 70%，而可折疊 OLED 顯示屏的良率不足 30%。此外，折疊屏移動設備今后是否受歡迎，大眾是否樂 于使用，要揣摩消費者的真實想法著實不易。初始預測顯示，雖然消費者對這類設備非常感興趣 （圖 2），但初期銷量并不佳。這表明消費者對該技 術很有興趣，但從零售層面來看卻持觀望態(tài)度。

圖 2. OLED 折疊屏設備出貨量預測。（資料來源：IHS Market）

挑戰(zhàn)彎折極限

目前，在屏幕彎折問題上并沒有明確的解決方案，但應用材料公司正在開展大量研究工作，以最終解決這一問題。

折疊手機

可彎折的設備必須基于柔性 OLED 技術，因為標準 LCD 薄膜晶體管 (TFT) 無法承受重復性的彎折操 作。同樣原因，屏幕基板必須采用聚酰亞胺材料，而非玻璃。

組成顯示屏的整個薄膜疊層要具備超薄、高韌度 的特點，厚度（包括 OLED 器件在內）不超過 1.0mm。 顯示屏的各層包括：可折疊基板上的 TFT、覆蓋 TFT 的絕緣層、絕緣層上的OLED、基板上的封裝層、與 封裝層結合的柔性觸摸屏面板、以及保持顯示薄膜 光學特性的硬涂層膜，同時（可能）幫助屏幕抵抗 磨損、擦傷或撞擊。屏幕彎折時，必須保證上述各 層的正常功能。

彎折這些薄膜疊層時，疊層中有個位置稱為中軸 或中性曲面，此處應變力為零。找到中性曲面中顯 示模塊的位置，使之承受最小的應力和壓力。

這一點很重要，向內彎折屏幕時，如果該顯示模塊承受過大的壓應力，可能造成其屈曲和剝離；而過大的張應力則會導致其碎裂和剝離（圖 3）。雖然 當顯示屏各層薄膜單獨彎曲時，可達到相對較小的彎曲半徑 (小于5mm)，然而當各層之間通過粘合力附著在一起并彎曲的情況下，機械應力在各粘合層間轉移，因為夾合薄膜疊層中的壓應力和張應力， 造成夾層剝離和屈曲。

因此，工程師對粘合進行改良，使粘合后的各薄膜層依然保持原有的獨立機械性能，而不受相鄰薄膜層的影響。其目的就在于，顯示屏疊層彎曲時，防止各薄膜層剝離和屈曲，尤其當彎曲半徑小于5mm 時。

圖 3. 彎曲測試失敗形式。（資料來源：Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials, Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015）

付諸試驗

應用材料公司的顯示屏柔性技術 (DFT) 實驗室 小組對聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 薄膜進行了薄膜封裝測試，以評估該薄膜的可靠性，確定其作為空氣和濕氣阻隔材料，是否可保持其固有特性，充分保護 OLED 材料。

總臨界應力目標 <1% 為一個楊氏模量函數(shù)，或 者說機械特性，它定義了材料壓應力和張應力與基 板總厚度的關系（圖 4）。

圖 4. 可折疊基板臨界應力公式。（資料來源：Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials, Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015）

顯示屏柔性技術事業(yè)部的工程師們測試了50μm PEN基板上的多層薄膜封裝膜。這項測試包括在專門的彎曲 測試機器上，將基板以半徑2.5mm 彎曲200,000 次（圖 5）。初步結果顯示，1% 的應力系數(shù)下沒有 明顯可見屏幕裂紋。

圖 5. 彎曲測試條件和彎曲測試工具固定裝置。（資料來源：應用材料公司顯示屏柔性技術事業(yè)部）

然后，工程師們測試了PEN 薄膜，以確定在滿足 1% 目標應力標準下，不同厚度的PEN 薄膜可達到的最小可彎曲半徑。125μm PEN 基板彎曲半徑可達到 6mm，50μm 可達到 2.5mm，15μm 可達到 1mm（圖 6）。

圖 6. 測試結果；1% 目標應力標準下，彎曲半徑與 PEN 基板厚度的關系。（資料來源：應用材料公司顯示屏柔性技術事業(yè)部）

彎曲測試之后，工程師們在 40° C 溫度和 100% 相對濕度條件下，測量了150多個小時的水蒸氣透過率 (WVTR)。測試結果達到了1.89E-5 g/m2/日的WVTR，這表明，OLED 的TFT 即便經(jīng)過 200,000 次彎曲測試，仍能保證可靠的阻隔性能（ 圖 7）！

圖 7. 彎曲測試后，阻隔薄膜的水蒸氣透過率測試結果。（資料來源：應用材料公司顯示屏柔性技術事業(yè)部）

另一主要問題：折痕

屏幕對折時會產(chǎn)生折痕，完全打開顯示屏后，仍會看到它。目前，這種折痕無法避免，且短期內也沒有完美的解決方案。目前尚不可知已經(jīng)習慣于明亮高清顯示屏的手機消費者，是否能接納并不那么完美的折疊屏電子設備（參見圖 8）。

圖 8. 左側的兩張圖片顯示了折疊手機的屏幕折痕，右側圖片顯示了因重復折疊造成的顯示屏邊框損壞。（資料來源：Phone Arena 和 the Verge）

與此相關的問題也必須要解決，在折痕處，顯示屏邊框會出現(xiàn)縫隙，會讓異物進入顯示屏，造 成 OLED 材料劣化，縮短設備的總壽命。

結論

克服技術難題，消費者對外形特征的接納程度，降低成本，如何從高端市場細分市場，這些都將對這一新技術的市場推廣起到重要作用。不過，折疊手機并非即將出現(xiàn)，而是已經(jīng)到來，應用材料公司正協(xié)助客戶，讓這類產(chǎn)品由可能變成現(xiàn)實。