折叠手机弯曲技术超越极限

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？

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。

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。

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？

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），但初期销量并不理想。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。

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。

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，如果该显示模块承受过大的压应力，可能造成其屈曲和剥离；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。

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，充分保护 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）。

应用材料公司的显示产品和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。

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）。

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）！

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）。

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。

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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