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折叠屏幕之后，“可穿戴伸缩屏幕”又来了

晰数塔互联网快讯
2021-09-22 16:58

神译局是36氪旗下编译团队，关注科技、商业、职场、生活等新领域，重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按：2019年，三星和华为都陆续发布了他们的第一款折叠屏手机，折叠屏幕终于从科幻电影走进了现实。经过了数十年的发展，折叠屏幕已经没有那么新奇了，因为可伸缩屏幕正在向我们逐渐走来。本文翻译自Fast Company，作者Huanyu Zhou, Tae-woo Lee，原文标题：From Foldable Phones to Stretchy Screens。

半个世纪前，摩托罗拉展示了第一款手机，它有一块砖头那么大，却只有砖头的一半重。十年后，根据这款原型机，第一台商用手机诞生了。虽然这款手机很笨拙，但它可以让人做到一边走动一边接打电话，在当时是已经非常轰动了。从那时起，手机逐渐被赋予更多其他的功能。现在的手机可以用来处理短信、浏览网页、播放音乐、拍摄、看照片和视频、地图定位等等，这些应用远远超出了刚问世时人们对手机的想象。

智能手机很灵活，却一直有一个“硬伤”:显示器太小。为了拥有更大的屏幕，有些手机的个头做得很大。但如果手机过大，就无法完全装进衣服口袋，这对很多人来说是难以接受的。

最显而易见的解决方案就是让屏幕像钱包一样折叠起来。因此，屏幕折叠技术是首尔国立大学多年来的研究目标之一。当然，这同时也是手机制造商们的目标。不过一直到前两年这一技术才被推向市场。

带折叠屏的手机数量无疑将激增，也许你的亲朋或者你自己正打算买一个。当你拿着折叠屏手机的时候，你肯定会想:这个显示器是怎么弯曲成这样的? 我们将在这篇文章中向你解释这项技术背后的原理是什么，这样，当那个巨大的、闪耀着光芒的、灵巧的折叠屏手机（或更先进的电子产品）被你装进口袋里时，你是有所准备的。

近二十年来，研究人员一直在研究如何制造柔性显示器，但在很长的一段时间内它们只停留在研究阶段。不过，2012年，Bill Liu和一些斯坦福大学工程专业的毕业生成立了柔宇公司(Royole Corp.)，开始将柔性显示器商业化，目前在加州弗里蒙特和中国深圳都设有总部。

一本不为人知的书:2018年底，柔宇公司开发了首款带有可弯曲显示屏的商用智能手机FlexPai。图片来源: ROBYN BECK/GETTY IMAGES

2018年底，柔宇推出了FlexPai，其柔性显示屏可以让产品展开成类似平板电脑的设备。该公司向人们演示了这款折叠屏可承受20万次折叠的耐用度，而且它的弯曲半径仅为3毫米，弯曲度也相当小。不过，FlexPai更像是一款原型机而不是成熟的产品，但发表在The Verge杂志上的一篇评论依旧称它“迷人得可怕”。

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折叠手机。三星移动于2019年2月正式发布了Galaxy Fold。这款手机具有双折叠显示屏，弯曲半径最小可达1毫米，并且可以与内置显示屏一起折叠。当月，华为也发布了首款可折叠手机Mate X。Mate X折叠时厚度约为11mm，显示屏与FlexPai一样在外侧，显示屏弯曲半径约为5毫米。今年2月，两家公司都推出了第二款可折叠手机:三星的Galaxy Z Flip和华为的Mate Xs/5G。

设计这些手机最具挑战的部分是显示屏的开发，设计的关键是要减少柔性显示面板的厚度，使其在折叠时所承受的弯曲应力最小化。智能手机行业在最近已经找到了实现这一目标的方法，三星显示器和北京京东方科技集团有限公司等面板供应商目前正在量产可折叠显示屏。

和传统智能手机上的显示器一样，这些折叠屏也都是AMOLED（有源矩阵有机发光二极管）显示器。不过这些公司使用的是一种薄而灵活的聚合物，而不是像通常那样在坚硬的玻璃基板上制造这些AMOLED。在柔性衬底的顶部是背板，这一层里包含了许多薄膜晶体管来控制单个像素，这些晶体管还包含一个缓冲层，可以防止显示器弯曲时产生裂缝。

图片来源：Andorid Authority

尽管用这种方法制作的柔性显示器在手机和其他消费品中越来越普遍，但适用于这些显示器的标准，以及描述它们弯曲能力的语言，仍在成形过程中。这些显示器目前大体可以根据承受弯曲时的曲率半径来进行划分:“整合”是指显示器不弯,“可弯曲”是指的中级水平的灵活性，而“折叠”则用来描述曲率半径很小的屏幕。

因为任何材料，无论是智能手机显示屏还是钢板，在弯曲时外部表面都处于张力状态，而内部此时则处于压缩状态，构成显示屏的电子元件必须抵抗这些应力及其引起的相应变形。最简单的方法就是让弯曲显示器的外表面尽量靠近内表面，从而最大限度地减少变形力，也就是说要让设备变得非常薄。

为了使显示器尽可能薄，设计师省略了通常放在显示器顶部的保护膜和偏光器，以及这些部分之间的粘合剂。虽然去除这些元件会导致显示质量的下降，但保护膜和防反射偏振器都是AMOLED显示器的可选组件，它们在内部产生光，而不是像在液晶显示器中那样调整LED背光传输量。

柔性显示器与传统显示器的另一个不同之处在于，传统显示器会有一个透明导电电极夹在发光有机材料中间，使像素发光。一般情况下，一层氧化铟锡(ITO)可以填补这一空缺。但ITO在张力作用下相当脆弱，而且ITO不易粘附在柔性聚合物基片上，导致它在压缩时会发生弯曲和分层，因此它不能作为柔性显示器的选择。

十年前，研究人员解决了这个问题，他们找到了一些改善ITO和柔性基片之间粘合的策略。一种方法是先用氧等离子体处理衬底，然后在上面沉积ITO电极。另一种方法是在电极和基板之间插入一层薄金属(如银)。它还有助于将基片的顶部精确地放置在构成显示器的层饼中间，将易碎的界面与ITO层放在显示器的机械中性平面上，使它在弯曲时既不会被压缩也不会受张力。目前，制造可折叠显示器的领先电子企业都在使用这一方式。

而更简单的办法是把ITO电极完全去掉。虽然这个方法在商业设备中还没有实现，但这个方法很有吸引力。与对灵活性的追求无关，这个方法之所以如此吸引人是因为铟既有毒又昂贵，所以如果不是必须的话，能不用就不用。幸运的是，多年来，包括我们两个人在内的研究人员已经想出了几种其他材料，可以作为柔性显示器的透明电极。

含有银纳米线的柔性薄膜可能是最有希望的候选者。这些极小的电线形成了一个网，既能导电，又能保持很大的透明度，通过将含有银纳米线的溶液应用到基材上，就可以以类似报纸墨水的方式，低成本制备出这一层级。

进入折叠领域:2019年，华为推出了一系列带有柔性显示屏的手机。这里展示的是该公司的Mate Xs。图片来源: TOLGA AKMEN/GETTY IMAGES

大多数关于银纳米线的研究都集中在寻找降低单个线之间接点电阻的方法上。例如，你可以通过向纳米线网格中添加某些其他材料来实现这一点：或者你可以在烤箱中加热纳米线层，或者通过发送足够的电流，通过焦耳加热来熔合纳米线结：或者你也可以通过热压，等离子体，或者用非常明亮的闪光来融合结点。哪一种处理的方法最好在很大程度上取决于纳米线所应用的衬底的性质。聚合物基质，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，许多透明塑料食品容器的材料)在加热时容易变形，而聚酰亚胺对热不太敏感，但它的颜色偏黄，会影响电极的透明度。

但在制造透明导电电极时，金属纳米线并不是唯一可替代ITO的材料。可以替代的材料还有石墨烯，它是碳的一种形式，其原子呈二维蜂巢状排列。石墨烯的导电性和光学透明度不如ITO，但它比目前正在考虑用于柔性显示器的任何其他电极材料都更能承受弯曲。通过将石墨烯与导电聚合物结合，或在石墨烯中掺入少量硝酸或氯化金，石墨烯的导电性会有所改善。

还有一种是使用导电聚合物。最主要的例子是聚(3,4-乙二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐，它通常被简称为PEDOT:PSS。这种聚合物可以溶解在水中，使薄而透明的电极很容易通过印刷或旋转涂层(一种类似于制造旋转艺术的工业过程)的方式被制造出来。正确的化学添加剂可以显著提高这种导电聚合物的薄膜弯曲甚至拉伸的能力。仔细选择添加剂还可以在给定电流的条件下提高显示器发出的光量，使它们比使用ITO电极制作的显示器更亮。

到目前为止，用于手机、电脑和电视的有机LED显示器主要是通过将基板置于真空中，蒸发任何添加到基板上的有机材料，然后使用金属掩模来控制这些物质的沉积位置来制作的，可以把它想象成一个高科技的模板操作。然而，那些有着非常精细图案的金属掩模很难制造，而且大部分应用材料都被浪费了，所以导致了大型显示面板的成本惊人。

因此，制造这种显示器的另一种有趣的选择出现了:喷墨打印。你要把要用的有机材料溶解在一种溶剂中，然后喷射到需要形成许多像素的基材上，然后进行后续的加热步骤来清除任何残留的溶剂。杜邦、默克、日产化学和住友都在采用这种策略，尽管这样制作出来的设备的效率和可靠性仍远远低于所需水平，但如果有一天这些公司成功了，显示器制造的成本会大大降低。

致力于竞争:三星在2019年推出了自己的柔性显示屏手机系列。这里展示的是该公司的Galaxy Fold。图片来源: JUNG YEON-JE/AFP/GETTY IMAGES

对于应用于手机的小型显示器制造商来说，比降低成本更重要的是降低能耗。有机发光二极管(OLED)变得越来越耗电，随着OLED行业的成熟，进一步削减目前约6毫瓦/平方厘米(约40兆瓦/平方英寸)的功耗将变得越来越困难，而这种收益的下降对于可折叠手机来说尤其成问题，因为它的显示屏比普通手机大得多。因此，可以肯定的是，尽管你的可折叠手机非常小巧，但至少在短期内，它必须配备一个特别大的电池。

在我们的智能手机可以折叠之后，柔性显示器的下一步是什么?考虑到现在人们对手机的依赖程度，我们预计在不久的将来，人们将开始佩戴直接附着在皮肤上的显示器。最初他们可以用来可视化各种生物特征数据，但毫无疑问，其他的应用方式将会出现。也许有一天，这种可穿戴的显示器将被用来表达高科技的时尚宣言。

当然，用于制作这种显示器的材料应该足够柔软，这样贴在皮肤上时才不会造成麻烦。更重要的是，它们必须具有延展性。然而，制造本质上可伸缩的导体和半导体是一个巨大的挑战。因此，几年来，研究人员决定退而求其次:研究几何可伸缩显示器。这些电子元件包含刚性的但微小的电子元件，连接在可拉伸的基板上，并通过导电通道来连接，从而承受拉伸带来的变形。

最近在开发具有本质可拉伸性的显示器方面取得了很大的进展，这种显示器的导体、半导体以及衬底都可以拉伸。当然，这样的显示器需要一些新型材料，但更大的障碍是如何设计出可伸缩的材料来封装这些设备，保护它们免受湿气和氧气的破坏。我们的研究团队最近在这方面取得了良好的进展，成功开发了空气稳定、本质上可伸缩的发光器件，不需要可伸缩的保护涂层，这些设备可以无损坏地被拉伸到正常长度的近两倍。

如今，人们只制造了非常粗糙的可伸缩显示器原型，它们只是提供了一个粗糙的发光元件网格。但业界对可伸缩显示器的兴趣是巨大的。今年6月，韩国贸易、工业和能源部指定LG Display来牵头一个由产业和学术研究人员组成的联盟，开发可伸缩显示器。

只要动用一点想象力，你就可以想象未来会发生什么:运动员的手臂或腿上挂满了生物识别显示屏，我们的手掌上戴着智能手机，显示屏整齐地悬挂在各种曲面上。那些现在正在努力开发这种未来显示器的人，肯定会从多年来对今天的折叠手机屏的研究受益。毫无疑问，可弯曲的、甚至可伸缩的电子产品的时代即将到来。

译者：扣人心