折疊屏時代真的到來了嗎？甭管誰爭得了“全球首款折疊屏手機”稱號，首款折疊屏手機發(fā)布至今也有一年多了。人們在談到折疊屏手機時，卻仍覺得這是個未來向的產(chǎn)品。市面上已有的折疊屏手機至少包括了三星Galaxy Fold、華為Mate X、三星Galaxy Z Flip、摩托羅拉Moto Razr 2019、柔宇FlexPai等，似乎能細數(shù)的型號也不算少了，不過價格多少以及能不能買得到，那就是另一回事了。折疊屏產(chǎn)品似乎依舊遙遠。NSCesmc

伴隨折疊屏這種科幻向技術到來的，還有如今折疊屏手機脆弱的名聲。三星在柔性屏技術上投入已經(jīng)超過10年，卻在Galaxy Fold推出不久即面臨屏幕顯示不正常、膜層分離之類的問題。像華為Mate X這樣的初代折疊屏設備，也是僅需輕輕用指甲在屏幕上摳一下，就能留下永久、不可修復的凹痕。即便三星二代折疊屏設備Galaxy Z Flip宣稱改進工藝，從硬度測試來看，要在其屏幕表面留下劃痕也相當輕而易舉；而且折疊處甚至可能因為室溫過低而碎裂。NSCesmc

折疊屏的這種脆弱屬性，更拉遠了它與一般人的距離：當我們花兩萬塊錢買臺折疊屏手機，卻需要在每天早晨，手機鬧鈴響起時，伸手去觸碰屏幕還得先想一想是不是沒剪指甲。這樣的體驗還是令人畏懼的。我們期望嘗試通過這篇文章，從技術層面去探究，折疊屏手機為何如此脆弱，及從側面呈現(xiàn)折疊屏手機當前的發(fā)展階段。NSCesmc

柔性顯示技術的高級階段

首先還是需要劃定探討問題的范圍：我們所說的柔性屏、折疊屏究竟說的是什么。如果按照不同的顯示面板技術來劃分，眾所周知，大方向上LCD和OLED都有自己的柔性發(fā)展路線——不過LCD柔性屏相對特殊，也不是我們探討手機折疊屏的主流技術，未來我們將針對LCD柔性屏技術另外撰文探討。NSCesmc

從光電材料（electro-optic materials）的角度來說，實際上不僅有LCD、OLED，電泳顯示技術（electrophoretic，即E-Ink）、Gyricon也都能做到柔性化，多見于電子書、電子紙。市面上也已經(jīng)存在不少此類柔性屏產(chǎn)品，大多主打閱讀、書寫。但這也不是本文要探討的主體。NSCesmc

如今在手機、移動產(chǎn)品上相對熱門的柔性屏、折疊屏技術，特指柔性OLED面板。本文在談到折疊屏、柔性屏時，若無特別說明，則特指OLED。討論范圍明確了，另外一個需要解決的問題是，柔性屏和折疊屏這兩者是什么關系？NSCesmc

通常認為柔性顯示技術的發(fā)展可以分成幾個不同的階段。第一階段是固定曲率的柔性屏，即屏幕已經(jīng)表現(xiàn)出曲面特性，但在最終產(chǎn)品形態(tài)上其曲率是固定的、用戶不可控制的。這早在多年前就已經(jīng)實現(xiàn)，以三星Galaxy系列手機為代表，華為近兩年的旗艦機也都采用這類所謂“3D曲面屏”；很多顯示器、電視產(chǎn)品也有此類設計。NSCesmc

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來源：wikipediaNSCesmc

第二階段是可彎曲、可卷曲顯示；第三階段是可折疊顯示；第四階段為可任意折疊拉伸的全柔性顯示。其中第二階段的可彎曲、卷曲屏幕，在很多顯示技術展會上都能看到。它與第三階段的重要差異在于，“彎曲半徑”的顯著不同。展會上常能見到的可彎曲屏幕，其彎折半徑是相對較大的（3-15mm）。而第三階段的可折疊，就意味著極小的彎曲半徑（0.5-3mm），技術層面的實現(xiàn)難度相比第二階段要大得多。NSCesmc

就彎曲半徑的角度來看，像三星Galaxy Fold這樣的內折屏，在面板技術難度上要大于華為Mate X的外折屏方案。因為前者的彎曲半徑是比后者明顯更小的。不過就整個產(chǎn)品的角度來說，后者在鉸鏈、結構設計方面有著更大的難度——這就不在本文的探討范圍內了。NSCesmc

由此可見，折疊屏是柔性屏的某個高級階段，即便它并非最終形態(tài)。有關折疊屏在實際應用中的價值，這里不再贅述：至少就移動產(chǎn)品來說，折疊屏本質上是將一個更大屏幕的設備裝進口袋里，提升便攜性。NSCesmc

柔性OLED屏是怎么造出來的？

要明白折疊屏為何如此脆弱，首先需要理解這種屏幕的結構，以及具體是怎么制造的。NSCesmc

如今手機、電視常見的OLED顯示屏為AMOLED（Active Matrix OLED）面板，它在結構上包括了基板（substrate），陰極層（cathode）、有機分子層（包括發(fā)射層、導電層）、陽極層（anode）——這些總體構成了OLED frontplane（如圖1）；當然還需要TFT陣列層（薄膜晶體管）——這部分就是我們常說的backplane，本質上就是控制電路。NSCesmc

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圖1，OLED屏幕結構NSCesmc

OLED的發(fā)光原理是電致發(fā)光（electro-phosphorescence），這里不再詳述這一機制。在成為屏幕最終形態(tài)時，還需要對面板做封裝。傳統(tǒng)手機AMOLED屏幕的上蓋板即為密封玻璃。NSCesmc

要將這樣的屏幕做成柔性形態(tài)，也就是要求每一層都是可彎曲、可折疊的。這里還沒有涉及到觸控面板、最外層保護材料之類的構成層級，它們也都需要可彎曲、可折疊。在大方向上，OLED frontplane和TFT backplane要做成可彎曲、可折疊形態(tài)，問題可能還不算特別大。但傳統(tǒng)AMOLED顯示屏的基板，以及上蓋板，外加屏幕最外層的保護層都是玻璃材料。NSCesmc

常規(guī)玻璃可彎曲幅度很小，所以起碼這幾層的材料必須更換為柔性材料——對用戶而言最直觀的就是外層不可能再用康寧的大猩猩玻璃。這就成為柔性屏制造的第一大挑戰(zhàn)，基板及蓋板等的材料選擇。由于OLED面板的制造流程關系，基板的材料選擇實際上是十分受限的。NSCesmc

OLED面板制造至少需要經(jīng)歷蝕刻、濺射、蒸鍍、切割等各種工序，材料需要耐受各種高溫、腐蝕環(huán)境；在柔性面板制造過程中，還有UV紫外光剝離這樣的流程。所以在材料的選擇上就有最基本的要求。NSCesmc

這里可以單獨談一談前文提到的TFT層，這層材料按照開關器件來分，現(xiàn)在相對流行的是LTPS（低溫多晶硅）與IGZO（銦鎵鋅氧化物）。LTPS是柔性屏制造中的主流，也是三星、京東方這些面板制造商開發(fā)柔性屏時普遍采用的方案。LTPS即低溫多晶硅，相比傳統(tǒng)方案（如a-Si）能夠以相對更低的溫度合成。不過即便是“相對更低”，也可能需要達到600℃（或更低）。NSCesmc

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相對來說，柔性面板的制造流程與傳統(tǒng)剛性OLED面板在前期階段是比較類似的，前期一樣需要玻璃支撐層（Carrier Glass Panel），如圖2，只是最終有一個激光剝離的過程：即將整個面板與玻璃支撐層分離。NSCesmc

在經(jīng)過這么多道工序，如前文提到TFT制造時的高溫（或相對高溫），仍可屹立不倒的材料著實不多。既然難以選擇玻璃作為基板材料，卻仍需確保透光性，外加可彎曲、可折疊屬性，業(yè)界普遍采用的是PI（Polyimide，聚酰亞胺）——說白了就是某種塑料薄膜，這在圖2中已經(jīng)有體現(xiàn)。當然其中還有一些技術細節(jié)這里無法細數(shù)，比如說玻璃基板可能需要采用PI鍍膜方案、支撐層與PI基板之間需要一個剝離層（debonding layer）等。NSCesmc

折疊屏：每一層都得彎曲折疊

實際上，超薄玻璃也是一種可一定程度彎曲的基板備選材料，玻璃畢竟具備更高的熱穩(wěn)定性和更好的透明性，但仍然受限于可彎曲的程度。而除了基板材料的選擇，柔性面板還有一些需要考慮的問題。NSCesmc

比如說導電層的ITO（銦錫氧化物，或者可能是其他導電聚合物材料），一方面是要求更低溫度的工藝，另一方面在于ITO沉積在塑料基板上，在拉伸應變方面可能導致很大的問題。NSCesmc

再比如說，TFT層也受到可彎曲的影響，不僅是外力可對其產(chǎn)生破壞，還在于其它層的熱膨脹/收縮產(chǎn)生的力，以及它對濕度非常敏感。TFT層除了前文提到如今比較普遍的LTPS，OTFT（有機薄膜晶體管）對柔性面板而言也是某種備選方案。NSCesmc

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像彎曲這樣的動作，尤其當彎曲半徑小到“對折”的程度，想象將一本書，沿著封面中間位置對折：對折后內圈的書頁和外圈的書頁的形變狀態(tài)就有差異。所有書頁為了適應這種彎曲對折，整本書不同位置一定會產(chǎn)生不同程度的形變。屏幕也是多層結構，當然屏幕面板沒有書那么厚，但面板各層材料、工藝都有差異，可形變、熱膨脹特性等都有差異。這會給折疊動作產(chǎn)生不小的阻礙。NSCesmc

不難想象，使用折疊屏手機時，折疊次數(shù)一多便很容易產(chǎn)生膜層分離、膜層滑移，甚至直接脆裂的問題——就像一本書對折后，不同書頁的位置關系與平整狀態(tài)下相比已經(jīng)大不相同。于是折痕的問題便不難理解，即已產(chǎn)生的形變難以恢復——可能是表層材料無法恢復，也可能是其他層的材料。NSCesmc

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圖3NSCesmc

在應對這樣的問題時，不同的面板制造商也有各自不同的解決方案。比如說鈍化結構加入緩沖層（BL）、無機防水層、粘合層（AIL）等。軟性的緩沖層能夠很大程度抵消彎折過程中產(chǎn)生的力，并且縮小彎曲半徑（如圖3）。這是前些年臺灣工業(yè)技術研究院就開始嘗試的方案。當然，這部分內容實際上已經(jīng)和下文要提的封裝相關了。NSCesmc

今年3月份的柔宇發(fā)布會上，柔宇提到建立“智能力學仿真模型”，形成材料力學參數(shù)數(shù)據(jù)庫——不同材料層的各種參數(shù)，并對材料物理特性進行模擬，配合實驗對比。通過這個仿真模型中，就能找到更好的堆疊方案和材料選擇。NSCesmc

探索中的封裝技術

不過在折疊屏手機使用過程中，除了折疊動作本身帶來的破壞性，顯示、觸控故障很多時候又來自水、氧入侵面板內部，導致的嚴重問題。因為有機材料很容易發(fā)生氧化和水解。所以對水氧的阻隔，對于柔性面板而言顯得尤為重要。NSCesmc

這就涉及到封裝技術了——雖然本文的前一個段落也相關封裝，但前一部分的重點在針對折疊的“緩沖”，而這部分主要相關“隔離”和“延緩”。如前文所述，傳統(tǒng)OLED屏幕和柔性屏在封裝要求上存在很大差異，前者的形態(tài)是固定的，而且在應用于手機、電視這類終端產(chǎn)品后，面對的環(huán)境相對穩(wěn)定；而后者由于柔性形態(tài)，封裝需要做到多方位的防護，尤其對于水氧的阻隔。NSCesmc

這也是很多已經(jīng)在售的折疊屏手機，在使用過程中出現(xiàn)屏幕部分顯示區(qū)域失效的主要原因。至少就現(xiàn)狀來看，柔性面板的封裝技術似乎還沒有那么成熟。NSCesmc

多層薄膜封裝是比較常見的方案：多層薄膜通常會將無機層和有機層交替疊加，每個有機/無機層堆疊構成一對；超過三對多層薄膜，則水氧阻隔性提升3-4個數(shù)量級，WVTR（水蒸氣透過量）也能相應提升；有機層越薄，形成統(tǒng)一均勻的層才越有利；與此同時這種有機/無機對不應超過5對?？偟膩碚f，實際表現(xiàn)還是要看材料和工藝。NSCesmc

三星采用一種名為Barix的多層薄膜封裝技術——這是美國Vitex公司商用的一種技術，如今在柔性薄膜封裝上的應用還是比較廣泛的。Barix多層薄膜能夠很大程度滿足一些規(guī)格需求。Barix鍍膜的塑料薄膜還可用作透明基板。NSCesmc

不過Barix技術也面臨一些挑戰(zhàn)，比如早前存在濺射AlOx薄膜的一些固有缺陷。這種技術還要求面板進出沉積室多達6次，而且成本也是比較高的。氧化物沉積是整個流程中極大限制了速度的一個步驟——當然針對這一問題的技術開發(fā)也一直在持續(xù)中。在柔性OLED制造過程中，封裝成為總體成本中占很大比例的組成部分。NSCesmc

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Moto Razr 2019在折疊設計上，相對討巧地讓彎曲半徑變大，來源：摩托羅拉NSCesmc

即便有著10年以上的研發(fā)投入，初代折疊屏手機依然面臨各種各樣的問題。畢竟如今的折疊屏本身厚度要小于1mm，彎曲半徑也僅1.5mm?？紤]其間包含晶體管、半導體材料、化學層、光學薄膜層，屏幕制造挑戰(zhàn)自然是可想而知的。另外還要在意可靠性問題：20萬次折疊是如今的基本使用保障。NSCesmc

加上生產(chǎn)的良率控制，折疊屏總體成本目前仍然是比較高的。IHS的OLED Display Cost Model數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)7.3英寸QHD OLED屏幕，顯示部分的成本是50-35美元，觸控組件則需15美元。相較而言，可折疊7.3英寸WQHD OLED屏幕成本在100-70美元區(qū)間，觸控組件為25美元。這里我們還沒有探討觸控層相關的柔性技術——這也是門道頗多的，三星的Y-Octa觸控解決方案即是一個典型。NSCesmc

從偏終端產(chǎn)品的角度來看，折疊屏手機的轉軸所需投入的成本也是巨大的，另外還要加上手機內部的布局設計為折疊屏做出的讓步，以及系統(tǒng)、軟件層面為折疊形態(tài)做出的UI和功能開發(fā)。如今的折疊屏手機價格昂貴，自然容易理解。NSCesmc

技術逐漸走向成熟

以上我們就把柔性屏如此脆弱的原因大致解釋清楚了。最后我們再來簡單談談消費用戶非常關心的，折疊屏的硬度問題：這里的硬度指的實際上是屏幕最外層覆蓋材料的硬度。這個問題非常關乎用戶體驗，畢竟誰都不希望手機用了沒幾天，屏幕上就一堆凹痕、印跡。NSCesmc

已經(jīng)上市的初代折疊屏手機普遍存在這樣的問題，這些手機的外層蓋板也都是PI材料——畢竟透明度、可彎折都需要保證。在表層覆蓋材料的選擇上，三星的二代折疊屏手機Galaxy Z Flip開始改用一種超薄玻璃蓋板——這種被三星命名為UTG的玻璃蓋板實際是由韓國的Dowoo Insys生產(chǎn)的。NSCesmc

就用戶反饋來看，這種超薄玻璃的耐久度表現(xiàn)的確要顯著優(yōu)于PI，但那也只是相對而言。其硬度同樣不高，且存在碎裂風險。韓國媒體此前報道稱，三星期望開發(fā)自己的UTG蓋板，因為Dowoo Insys的方案仍然不夠強韌。后者目前的方案，玻璃厚度為30μm，三星則準備開發(fā)一種60μm厚度的蓋板，在確?？烧郫B性的前提下，令其可靠性更佳。NSCesmc

無論如何，從折疊屏手機表層玻璃蓋板的這種迭代，觀眾一窺就不難發(fā)現(xiàn)折疊屏在技術層面仍有極大的完善和發(fā)展空間：但它正在走向成熟，是技術厚積薄發(fā)的某種體現(xiàn)。NSCesmc

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圖4，來源：DSCCNSCesmc

針對柔性屏、折疊屏的市場前景，從來沒有一家分析機構質疑過其潛力。DSCC去年預計到2022年，可折疊OLED的出貨量會達到6300萬，2019年這個數(shù)字還是300萬，復合年增長率173%。預計2025年的市場規(guī)模為80億美元。而技術的持續(xù)完善，促成折疊屏成本的進一步下降，再過1-2年，市面上的折疊屏手機大概就能以平價的姿態(tài)存在了，而且可靠性還會比現(xiàn)如今的折疊屏手機好得多，那個時候折疊屏時代才是真正的到來了。NSCesmc

原文發(fā)表于ASPENCORE旗下ESMC姊妹網(wǎng)站EETC（ 本文為《電子工程專輯》2020年7月刊雜志文章 ） 責任編輯：Elaine LinNSCesmc