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折叠屏已经不新鲜了,明天你可能会用上可拉伸屏幕
作者:Hippo、朱…  文章来源:IEEE  点击数101  更新时间:2020/11/4 13:18:39  文章录入:admin  责任编辑:admin

将近半个世纪前,摩托罗拉推出了第一款手机的原型。它足足有一块砖那么大,重量也抵得上半块砖了。这个原型在十年后催生了第一台商用手机。它虽显笨拙,但却能允许一个人边走动边收发讯息,这在当时已经是极为新潮。从那时起,手机逐渐获得许多其他功能。如今手机可以处理文本消息、浏览网页、播放音乐、拍摄(以及播放)照片和视频、地图定位以及无数其他应用,这些应用远远超出了人们最初的想象。

尽管智能手机已经如此便捷灵活,却一直在竭力克服一个看上去最基本的问题: 显示屏太小。诚然,一些电话已经做的比通常更大以提供更大的显示空间。但是如果手机做得过大以至于裤兜都无法容纳,这在很多人看来是不能接受的。

显而易见的解决方案是使屏幕像钱包一样能够折叠。多年来,为此开发合适的技术一直是首尔国立大学(Seoul National University)研究人员的目标之一。对于智能手机制造商来说这也是一个重要目标,近两年已经有一些厂商具备将该技术推向市场的能力。

毫无疑问,很快可折叠屏手机就会大量出现。你或你家人可能就会拥有一台,你肯定会疑惑:显示屏在这种情况下怎么可能弯曲?我们将在这里解释该技术的奥秘所在,这样当带有这种宽大明亮、灵活方便的显示屏出现在你身边时,你就不会不知所措了。本文甚至还会向你讲解一种更加劲爆的电子设备,它的屏幕不但能够弯曲甚至还能拉伸!

大约二十年前研究人员就已经开始致力于研究如何制作柔性屏,但是多年来仍然停留在科研项目阶段。在2012年终于有了转机,Bill Liu和其他斯坦福大学的工程专业毕业生着手建立柔宇科技有限公司(下简称柔宇,Royole Corp.,目前总部分别位于加利福尼亚的弗里蒙特和中国深圳),将柔性显示屏商业化。

就像一本合上的书:2018年底,柔宇开发了第一款配置可弯曲显示屏的商用智能手机FlexPai,屏幕折叠后依然正常显示。

在2018年末,柔宇推出了FlexPai,其灵活的屏幕使该设备可以展开成类似于平板电脑的装置。这种可折叠的显示屏可以承受200,000次弯折,其最低弯折半径仅为3毫米。但是相对于成熟产品来说,FlexPai手机更像是原型。发表在The Verge上的一篇评论称它“既惊艳又有缺憾”。

此后不久,全球最大的两家智能手机制造商三星和华为也推出了自己的可折叠机型。三星于2019年2月正式对外宣布其Galaxy Fold它配置了双面可折叠显示屏,其弯折半径可以达到1 mm,机身向内折叠后可用机身外部屏幕显示。当月晚些时候,华为也发布了首款可折叠智能手机MateX。Mate X折叠后约11毫米厚,其显示屏在外侧(和FlexPai的屏幕一样),这意味着显示屏的曲折半径约为5毫米。今年2月,这两家公司又都推出了第二代可折叠机型:三星的Galaxy Z Flip和华为的Mate Xs / 5G。

当然,对这些手机进行工程设计时最具挑战性的部分是开发屏幕本身。关键是要减小柔性显示面板的厚度,以最小化折叠时所承受的弯曲应力。行业刚刚找到解决方案,像三星显示和京东方科技集团等面板供应商就已经实现了可折叠屏幕的量产。

像在传统智能手机一样,这些屏幕都属于有源矩阵有机发光二极管显示屏。但是,这些公司没有像通常那样在刚性玻璃基板上制造这些AMOLED,而是使用了纤薄柔软的聚合物。在该柔性基板的顶部是底板,该底板包含很多控制单个像素所需的薄膜晶体管。这些晶体管带有缓冲层,可以防止显示屏弯曲时形成裂纹。

尽管按照这些思路构造的柔性屏在电话和其他电子产品中正迅速变得越来越普遍,但适用于这些屏幕的标准以及描述其弯曲能力的术语仍在形成中。至少这些显示屏可以根据其弯曲时能够承受的曲折半径来大致表征: “合格”是指曲折程度不那么紧密的显示屏,“可卷曲”是指具有中等柔韧性,“可折叠显示器”代表曲折半径极小。

由于任何材料(无论是智能手机显示屏还是钢板)在弯折的外表面上都会受到拉力,而在内部则受到压缩,因此构成显示屏的电子组件必须抵抗这些应力和它们引起的相应变形。最简单的方法是使柔性屏的外表面更靠近内表面,从而最大程度地减小这些形状变化力,也就是说把设备做的非常薄。

为了使显示屏尽可能薄,设计师省略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。虽然去除这些元素并不理想,但由于从内部发光,而不是像在液晶屏中那样改变从LED背光源透射的光量,保护膜和减反射偏光片只是AMOLED显示屏的可选组件。

柔性显示屏和常规显示屏的另一个区别与透明导电电极有关,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,氧化铟锡(ITO)层可起到这一作用。但是,ITO在张力作用下非常脆,这使其很难成为柔性屏的上佳选择。更糟的是,ITO往往无法很好地粘附到柔性聚合物基板上,导致其在压缩时发生弯曲和分层。

与这个问题斗争了十多年的研究人员发现了几种提高ITO与柔性基板之间粘合力的策略。一种方法是在顶部沉积ITO电极之前,用氧等离子体处理衬底;另一方法是在电极和基板之间插入一薄层金属(例如银),这样还有助于将基板的顶部放置在构成显示屏夹层的正中间。这种布局将易碎的界面与ITO层放置在显示屏的机械中性面上,弯曲时既不压缩也不拉紧。当前,处于领先地位的电子公司制造可折叠屏时用的就是这种策略。

更简单的是,你可以完全摆脱ITO电极。虽然这还没有在商业设备中实现,但这种策略很有吸引力,尽管这种吸引力并不是来源于对灵活性的渴望。铟既有毒又昂贵,所以如果不是非用不可,你真的不想用它。幸运的是,这些年来,包括我们两个在内的研究人员已经发现了其他几种可以作为柔性显示器的透明电极的材料。

一种含有银的纳米线柔性薄膜可能是最有前途的候选材料。这些极其细小的金属丝形成了一个可以导电并且基本保持透明的网状物。通过将含有银的纳米线的溶液以类似于在新闻纸上印刷油墨的方式涂抹在基材上,就可以低成本地制作出一层这样的薄膜。

折叠的世界:2019年,华为推出了一系列柔性显示屏的手机。这里展示的是该公司的Mate Xs。

对银的纳米线的大部分研究都集中在寻找降低单个导线之间结点的电阻的方法上。其中一个方法是通过在纳米线网中添加某些其他材料。或者你可以通过在烤箱中加热纳米线层,或者通过焦耳加热送入足够的电流使纳米线结点熔合,对纳米线层进行物理处理。或者可以通过热压、等离子体或用非常明亮的闪光照射来处理纳米线,使其结点熔合。

然而哪种方法最好在很大程度上取决于纳米线的基材的性质。聚合物基底,如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,许多透明塑料食品容器都是由这种材料制成的),在加热时容易大幅度变形。聚酰亚胺对热敏感度较低,但它的颜色偏黄,会影响以这种方式创建的电极的透明度。

但在创建透明导电电极时,金属纳米线并不是唯一可能替代ITO的材料。另一种候选材料是石墨烯,一种碳的形式,其中的原子以二维蜂巢模式排列。石墨烯的超强导电性和光学透明度还不能与ITO相提并论,但它比现在用于柔性显示器的其他候选电极材料更能承受弯曲。石墨烯的导电性不足的问题可以通过与导电聚合物结合或掺入少量硝酸或氯化金来改善。

还有一种可能性是使用导电聚合物。 例如聚3,4-乙氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸, 也被称为PEDOT:PSS。这种聚合物可以溶解在水中,从而可以通过印刷或旋涂(一种类似于制作旋涂艺术的工业工艺)轻松制造出薄而透明的电极。正确的化学添加剂可以显著提高这种导电聚合物薄膜的弯曲甚至拉伸能力。精心选择添加剂还可以提高显示器在给定电流下的发光量,使其比使用ITO电极制造的显示器更亮。

到目前为止,手机、电脑显示器和电视机中使用的有机LED显示屏主要是通过将基板置于真空状态下,蒸发任何你想添加到其中的有机材料,然后使用金属膜来控制这些物质的沉积位置来制造的。你可以把它看成是一种高科技的模板操作。不过那些带有非常精细图案的金属膜很难制造,而且很多应用材料都被浪费了,这些导致了大型显示面板的高成本。

不过,现在已经出现了一种有趣的替代方法:喷墨打印。为此,你要把应用的有机材料溶解在溶剂中,然后喷射到需要形成许多像素的基材上,接着进行后续的加热步骤来驱除任何残留的溶剂。杜邦公司(DuPont)、默克公司(Merck)、尼桑化学公司(Nissan Chemical Corp)和住友公司(Sumitomo)都在研究这种方法。尽管生产设备的效率和可靠性仍然远远低于所需。但如果有一天这些公司成功了,显示器的制造成本应该会大大降低。

 互相竞争的折叠手机:三星也在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。

对于智能手机用小型显示器的制造商来说,比降低成本更优先的是要降低功耗。有机LED(OLED)的耗电量越来越小,OLED产业越发成熟,就越难从目前每平方厘米约6毫瓦(每平方英寸约40毫瓦)的数值上进一步缩减功耗。这对于可折叠手机来说,是一个更大的问题,因为可折叠手机拥有比普通手机大得多的显示屏。因此,可以肯定的是,至少短期内,你小巧的可折叠手机都将拥有一个特别巨大的电池。

当然, 制作这种显示屏的材料应该足够柔软,不会在贴在皮肤上时造成困扰。更重要的是,它们必须是可拉伸的。不过,制造本质上可拉伸的导体和半导体是一个巨大的挑战。因此,几年来,研究人员一直在探索替代品:几何学上可拉伸的显示器。这些显示器将刚性但微小的电子元件连接在可拉伸的基板上,并通过可承受拉伸变形的导电通路连接。

不过, 最近在开发本性可拉伸显示器方面取得了进展 —— 在这种显示器中,导体、半导体和基底都可以被拉伸。当然,这种显示器需要一些新型材料,但最大的障碍可能是如何设计出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性影响。我们的研究团队最近在这方面取得了良好的进展,成功地开发出了不需要可拉伸保护涂层的空气稳定、本性可拉伸的发光器件。这些器件可以被拉伸到接近正常长度的两倍而不会失效。

目前为止,只有非常粗糙的可拉伸显示器原型被制造了出来,这些原型只是提供了一个粗糙的发光元件网格。但业界对可拉伸显示器的兴趣是巨大的。今年6月,韩国贸易,工业和能源部指派LG Display领导一个由工业和学术研究人员组成的联盟以开发可拉伸显示器。

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