Question

让三星和华为都犯难的折叠屏手机，需要什么样的柔性显示技术？

Answer 1

从第一款折叠屏手机发布至今已经有一年多的时间，在市面上已有的折叠屏手机，例如三星的Galaxy Fold、华为的Mate X、三星的Galaxy Z Flip、摩托罗拉的Moto Razr 2019、柔宇 科技 的FlexPai等产品。似乎能细数的型号不算少，不过售价的多少，消费者能不能买得到，就要另当别论了；对广大消费者而言，折叠屏产品似乎依旧遥远。

伴随折叠屏技术到来的，还有如今折叠屏手机脆弱的名声。 三星在柔性屏技术上投入已经超过10年，却在Galaxy Fold推出不久即面临屏幕显示不正常、膜层分离之类的问题。像华为Mate X这样的初代折叠屏产品，也是仅需轻轻用指甲在屏幕上抠一下，就能留下永久、不可修复的凹痕。即便三星二代折叠屏产品Galaxy Z Flip宣称改善了制程技术，从硬度测试来看，要在屏幕表面留下划痕其实相当轻而易举，折叠处甚至可能因为室温过低而碎裂。

像折叠屏这种脆弱属性更拉远了它与一般人的距离：当人们花两万元买了一部折叠屏手机，却需要在每天早晨手机闹铃响起、伸手去触碰屏幕时，还得先想一想是不是没剪指甲…这样的体验还是令人畏惧的。

首先还是需要划定探讨问题的范围：我们所说的柔性显示器或折叠屏究竟说的是什么？如果按照不同的显示面板技术来划分，众所周知，大方向上LCD和OLED都有自己的柔性发展路线——不过LCD柔性显示器相对特殊，也不是我们探讨手机折叠屏的主流技术。

从光电材料的角度来说，实际上不仅有LCD、OLED，电泳显示技术（electrophoretic，即E-Ink）、Gyricon也都能做到柔性化，多见于电子书、电子纸。市面上已经存在不少此类柔性显示产品，大多主打阅读、书写。但这也不是本文要探讨的主体。

如今在手机、移动设备上相对热门的柔性显示、折叠屏技术，特指柔性OLED面板。 本文在谈到折叠屏、柔性显示时，若无特别说明则特指OLED。讨论范围明确了，另外一个需要解决的问题是，柔性显示和折叠屏这两者是什么关系？

通常认为柔性显示技术的发展可以分成几个不同的阶段。第一阶段是固定曲率的柔性屏，即屏幕已经表现出曲面特性，但在最终产品形态上曲率是固定的、使用者不可控制的。这早在多年前就已经实现，以三星Galaxy系列手机为代表，华为近两年的旗舰机也都采用这类所谓“3D曲面屏”；很多显示器、电视产品也有此类设计。

第二阶段是可弯曲、可卷曲显示；第三阶段是可折叠显示；第四阶段为可任意折叠拉伸的全柔性显示。其中第二阶段的可弯曲、卷曲屏幕，在很多显示技术展会上都能看到，与第三阶段的重要差异在于“弯曲半径”明显不同。展会上常能见到的可弯曲屏幕，弯折半径是相对较大的（3~15mm）。而第三阶段的可折叠，就意味着极小的弯曲半径（0.5~3mm），技术层面的实现难度相比第二阶段要大很多。

就弯曲半径的角度来看，像三星Galaxy Fold这样的内折屏幕，在面板技术难度上要大于华为Mate X的 外折 屏幕方案，因为前者的弯曲半径是比后者明显更小的。不过就整个产品的角度来说，后者在铰链、结构设计方面有着更大的难度 ——这就不在本文的探讨范围内了。

由此可见，折叠屏是柔性显示的某个高级阶段，即便它并非最终形态。有关折叠屏在实际应用中的价值，这里不再赘述：至少就移动设备产品来说，折叠屏本质上是将一个屏幕更大的装置放进口袋，提升可携带性。

要明白折叠屏为何如此脆弱，首先需要理解这种屏幕的结构，以及具体的制造方法。如今手机、电视常见的OLED显示器为AMOLED面板，它在结构上包括了基板（substrate），阴极层（cathode）、有机分子层（包括发射层和导电层）、阳极层（anode）——这些整体构成了OLED frontplane；当然还需要TFT阵列层（薄膜晶体管）——这部分就是我们常说的backplane，本质上就是控制电路。

OLED的发光原理是电致发光（electro-phosphorescence）。在成为屏幕最终形态时，还需要对面板进行封装；传统手机AMOLED屏幕的上盖板即为密封玻璃。

要将这样的屏幕做成柔性形态，也就是要求每一层都是可弯曲、可折叠的。这里还没有涉及到触控面板、最外层保护材料之类的构成层级，它们也都需要可弯曲、可折叠。在大方向上，OLED frontplane和TFT backplane要做成可弯曲、可折叠形态，问题可能还不算特别大。但传统AMOLED显示屏的基板，以及上盖板，外加屏幕最外层的保护层都是玻璃材料。

常规玻璃可弯曲幅度很小，所以起码这几层的材料必须更换为柔性材料——对使用者而言最直观的就是外层不可能再用康宁的“大猩猩”（Goriall）玻璃。这也成为柔性显示器制造的第一大挑战──基板及盖板等的材料选择；由于OLED面板的制造流程关系，基板的材料选择实际上是十分受限的。

OLED面板制造至少需要经历蚀刻、溅射、蒸镀、切割等各种工序，材料需要耐受各种高温、腐蚀环境；在柔性面板制造过程中，还有UV紫外光剥离这样的流程，所以在材料的选择上就有最基本的要求。

这里可以单独谈一谈前文提到的TFT层，这层材料按照开关元件来分，现在相对流行的是LTPS（低温多晶硅）与IGZO （铟镓锌氧化物）。LTPS是柔性显示制造技术的主流，也是三星、京东方这些面板制造商开发柔性显示器时普遍采用的方案。LTPS相比传统方案（如a-Si）能够以更低的温度合成；不过即便是相对更低的温度，也可能需要达到600℃ ，或者更低。

柔宇 科技 在此采用的是一种名为ULT-NSSP （超低温非晶硅半导体制程）的技术。按照柔宇的说法，这种更低温的技术能够进一步降低成本——这似乎是柔宇在柔性显示器开发上不同于其他面板厂商的路线，具体效果怎样则是未知。无论如何，更低的温度对生产制造商而言总是更有价值的。

相对来说，柔性面板的制造流程与传统刚性OLED面板在前期阶段是比较类似的；前期一样需要玻璃支撑层（Carrier Glass Panel），只是最终有一个雷射剥离的过程，也就是将整个面板与玻璃支撑层分离。

在经过这么多道工序，如前文提到TFT制造时的高温，或相对高温，仍可屹立不倒的材料着实不多。 既然难以选择玻璃作为基板材料，却仍需确保透光性，外加可弯曲、可折叠属性，业界普遍采用的是PI （Polyimide，聚酰亚胺）——就是某种塑胶薄膜。当然其中还有一些技术细节这里无法细数，比如说玻璃基板可能需要采用PI镀膜方案、支撑层与PI基板之间需要一个剥离层（debonding layer）等。

实际上，超薄玻璃也是一种可一定程度弯曲的基板备选材料，玻璃毕竟具备更高的热稳定性和更好的透明性，但仍然受限于可弯曲的程度。而除了基板材料的选择，柔性面板还有一些需要考虑的问题。

例如导电层的ITO （铟锡氧化物或其他导电聚合物材料），一方面是要求更低温度的制程，另一方面在于ITO沉积在塑胶基板上，在拉伸应变方面可能导致很大的问题。再者TFT层也会受到可弯曲的影响，不仅外力可对其产生破坏，还在于其他层的热膨胀/收缩产生的力，以及它对湿度非常敏感。TFT层除了前文提到如今比较普遍的LTPS，OTFT （有机薄膜晶体管）对柔性面板而言也是某种备选方案。

像弯曲这样的动作，尤其当弯曲半径小到对折的程度──想象将一本书，沿着封面中间位置对折，对折后内圈的书页和外圈的书页的形变状态就有差异；所有书页为了适应这种弯曲对折，整本书不同位置一定会产生不同程度的形变。屏幕也是多层结构，当然屏幕面板没有书那么厚，但面板各层材料、制程都有差异，可形变、热膨胀特性等都有差异，这会为折叠动作产生不小的阻碍。

不难想像， 使用折叠屏手机时，折叠次数一多便很容易产生膜层分离、膜层滑移，甚至直接脆裂的问题——就像一本书对折后，不同书页的位置关系与平整状态下相比已经大不相同。于是折痕的问题便不难理解，即已产生的形变难以恢复——可能是表层材料无法恢复，也可能是其他层的材料。

在应对这些问题时，不同的面板制造商也有各自不同的解决方案。例如钝化结构加入缓冲层（BL）、无机防水层、粘合层（AIL）等。软性的缓冲层能够很大程度抵消弯折过程中产生的力，并且缩小弯曲半径。

在2020年3月份的柔宇发表会上，该公司提到建立智能力学模拟模型，形成材料力学参数资料库——不同材料层的各种参数，并对材料物理特性进行模拟，配合实验对比；通过这个模拟模型，就能找到更好的堆叠方案和材料选择。

不过在折叠屏手机使用过程中，除了折叠动作本身带来的破坏性，显示、触控故障很多时候又来自水、氧入侵面板内部，导致的严重问题。因为有机材料很容易发生氧化和水解。 所以对水氧的阻隔，对于柔性面板而言显得尤为重要。

这就涉及到封装技术了。如上文所述，传统OLED屏幕和柔性屏幕在封装要求上存在很大差异，前者的形态是固定的，而且应用于手机、电视这类终端产品后，面对的环境相对稳定；而后者由于柔性形态，封装需要做到多方位的防护，尤其对于水、氧的阻隔。

这是 目前市面上贩售的折叠屏手机，在使用过程中会出现屏幕部分显示区域失效的主要原因；至少就现状来看，柔性面板的封装技术似乎还没有那么成熟。

多层薄膜封装是比较常见的方案：多层薄膜通常会将无机层和有机层交替叠加，每个有机/无机层堆叠构成一对；超过三对多层薄膜，则水氧阻隔性可提升3~4个等级，WVTR （水蒸气透过量）也能相对应提升。有机层越薄，形成统一均匀的层才越有利；与此同时，这种有机/无机对不应超过5对。总的来说，实际表现还是要看材料和制程。

三星采用一种名为Barix的多层薄膜封装技术——这是美国Vitex公司商用的一种技术，如今在柔性薄膜封装上的应用还是比较广泛的。Barix多层薄膜能够很大程度满足一些规格需求。Barix镀膜的塑胶薄膜还可用作透明基板。

不过Barix技术也面临一些挑战，比如早前存在溅射AlOx薄膜的一些固有缺陷。这种技术还要求面板进出沉积室多达6次，而且成本也是比较高的。氧化物沉积是整个流程中极大限制了速度的一个步骤——当然针对这一问题的技术开发也一直在持续中。在柔性OLED制造过程中，封装成为占据整体成本很大比例的部分。

作者：黄烨锋