周志偉

（維沃移動通信有限公司 廣東省東莞市 523003）

1 引言

自1973年摩托羅拉推出歷史上第一款真正意義上的移動電話以來，手機作為近50年以來最偉大的發(fā)明之一，深徹地改變了人類社會的通信方式，極大拉近了信息交互的時空距離，甚至從一定程度上急劇加速了紙質(zhì)媒體時代向電子網(wǎng)絡(luò)時代的跨越，催熟了由計算機引領(lǐng)并光大于手機通信的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算的萬億市場。受限于早期的技術(shù)、工藝以及電子元器件體積問題，初期的移動電話主要是以“大哥大”為代表的一類產(chǎn)品，其重量與體積均十分龐大，而且價格十分昂貴，普及率非常低。隨著大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路不斷取得技術(shù)突破，PCB布板技術(shù)與工藝的進步，以及電子元器件的微型化和密集化發(fā)展，使得移動電話得以不斷實現(xiàn)小型化與輕便化，為后續(xù)的功能機與智能機的普及奠定了有力的基礎(chǔ)。尤其，以蘋果公司為代表，不斷推出大屏幕系列產(chǎn)品，直接顛覆了人類對于手機通信的認知，人機交互的大屏幕時代與智能時代快速到來[1]。

經(jīng)過近10年的高速發(fā)展，手機、平板電腦等智能終端的屏幕尺寸不斷經(jīng)歷著由直板大屏到全面屏的快速增加的過程，其屏占比不斷刷新至目前的90%以上，并由此衍生出的“劉海屏”、“極點屏”、“瀑布屏”、“水滴屏”以及對應(yīng)的屏下指紋技術(shù)、屏下攝像頭技術(shù)、屏下打孔技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。與此同時，各類顯示屏也由最初的720P不斷向FHD、WQHD、2K、4K等高分辨率、高PPI等方向前進，以滿足消費者對顯示屏高清、超高清、藍光等不同清晰度的要求。盡管如此，消費者對以智能手機為代表的智能終端的功能需求絕不僅僅局限于日常的通訊，還希望能在同一個終端產(chǎn)品上實現(xiàn)超大屏幕的視頻瀏覽、游戲娛樂，顯然，上述各種類型的顯示屏尺寸無法完全滿足人們的使用需求。鑒于此，未來顯示屏在保證高清晰度的同時，其尺寸必然會越做越大，值得說明的是，受限于人類自身手掌的大小，目前智能手機約90%的屏占比已近乎達到了二維形態(tài)極致，因此，三維折疊形態(tài)的智能終端自然應(yīng)運而生[2]。

截至目前，三星、華為等一線大廠已發(fā)布了多款智能終端折疊產(chǎn)品，在當(dāng)前外觀同質(zhì)化非常嚴重的智能手機領(lǐng)域，其酷炫的外表以及十足的科技感給市場帶來了一場熱烈的討論，并引領(lǐng)了一輪涵蓋材料科學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、色度學(xué)、半導(dǎo)體器件以及配套的工程自動化全新的技術(shù)革命。盡管折疊產(chǎn)品引起了廣泛的市場關(guān)注，但其引發(fā)的市場口碑也褒貶不一，究其原因，主要包括以下幾點：其一，技術(shù)瓶頸點較多，諸如：鉸鏈的耐久性、有機膜材的抗疲勞特性、無機材料的耐彎折特性、封裝破損引起發(fā)光材料失效、彎折后驅(qū)動電路的器件電性漂移而引起色偏等等，都會導(dǎo)致其可靠性難以全面保證；其二，成本太高，由于智能終端所采用的折疊屏上游原材料大多進口，成本非常昂貴，再加上幾十道制備工藝引發(fā)的良率問題又進一步拉大了制造成本，因此，一款折疊手機售價往往動輒萬元以上，極少有消費者愿意為此買單；在本文中，主要針對AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode)折疊屏中存在的技術(shù)難點以及當(dāng)前解決方案或其發(fā)展方向進行探討。

2 智能終端折疊技術(shù)難點

實現(xiàn)智能終端完美彎折的技術(shù)難點，最主要體現(xiàn)在兩個方面，其一，一塊能夠不斷彎折的柔性顯示設(shè)備，其二，輔助屏幕實現(xiàn)耐久性折疊的結(jié)構(gòu)。首先，對于折疊屏就有非常多的技術(shù)難點需要克服。折疊屏是一種基于主動式有機發(fā)光二極管（AMOLED）為技術(shù)原理的柔性顯示，是一種全新的產(chǎn)品外觀形態(tài)，面對極其復(fù)雜的應(yīng)用場景與運動環(huán)境，相比于非折疊的AMOLED屏幕，折疊屏對各種有機膜材、無機膜材、金屬膜材、粘彈性材料的光電特性與力學(xué)特性都提出了更深層次的要求，并產(chǎn)生了諸多難以完全克服的瓶頸點，代表了當(dāng)前面板行業(yè)乃至顯示領(lǐng)域內(nèi)對各種材料應(yīng)用的最高技術(shù)水平[3]。

2.1 材料性能問題

AMOLED作為可折疊的柔性顯示屏，有諸多技術(shù)障礙需要克服。首當(dāng)其沖的就是各類材料的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能相匹配問題。AMOLED是在僅有數(shù)十微米厚的聚酰亞胺薄膜（PI）上通過化學(xué)氣相沉積（CVD）的方式進行數(shù)十層無機薄膜與金屬薄膜的制備，通過涂布的方式進行數(shù)十層有機薄膜的制備，在這些不同的金屬膜層、有機膜層與無機膜層的制備過程中，又伴隨著圖形化的要求，一般會通過掩膜板進行曝光、顯影、刻蝕等半導(dǎo)體制備工藝形成幾百萬甚至是上千萬個薄膜晶體管的邏輯控制電路及其旁路。顯然，基于圖1的控制電路部分簡易原理圖可知，該部分包含高楊氏模量的金屬鉬以及SiNx/SiO2等脆性無機膜層，在數(shù)十萬次乃至二十萬次的高頻彎折過程中，極易從材料本征缺陷處或者工藝造成的缺陷處產(chǎn)生微裂紋的不斷擴展，最終導(dǎo)致邏輯電路的斷裂而引起控制異常。更為常見的是，當(dāng)數(shù)量眾多的晶體管在不斷彎折下，MOS管不斷累積應(yīng)力導(dǎo)致器件的電特性出現(xiàn)異常，諸如：閾值電壓Vth漂移，關(guān)斷電流Ioff增大而出現(xiàn)漏電流等等，又進一步導(dǎo)致畫面顯示不均[4]。

圖1：AMOLED屏驅(qū)動電路部分、發(fā)光層部分以及薄膜封裝部分原理簡圖

其次，AMOLED是通過三重態(tài)的磷光發(fā)光與單重態(tài)的熒光發(fā)光實現(xiàn)有機材料的電致發(fā)光，這類發(fā)光材料對環(huán)境中的水汽與氧氣非常敏感，極易因水氧入侵發(fā)生猝滅而導(dǎo)致大面積黑斑，一般要求環(huán)境的濕度小于10-6以上，因此必須采用SiNx/SiO2等針孔極小的無機膜層作為封裝層。與此同時，不管是屏幕內(nèi)彎或者外彎，總有一部分無機膜層與金屬膜層偏離中性層距離較遠而受到較大的拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力，進一步增大了材料開裂的風(fēng)險（如圖2所示）。

圖2：AMOLED無模組結(jié)構(gòu)在不同彎折狀態(tài)下的受力情況示意圖

再次，由于薄膜封裝后的顯示屏需要進一步完成模組工藝后才能正常使用，而在模組階段需要大量使用2-3層具有粘彈性的OCA（Optically Clear Adhesive）光學(xué)膠，這些膠材在經(jīng)歷多次彎折后，其彈性顯著降低，黏性顯著增大，導(dǎo)致OCA在彎折軸線附近出現(xiàn)不同程度的隆起，造成顯示屏平整度的降低，更為嚴重的是，OCA的隆起會影響自發(fā)光材料的光線出光率，導(dǎo)致彎折區(qū)與非彎折區(qū)的亮度出現(xiàn)差異。與此同時，模組階段中，還有其他有機膜材，諸如：偏光片（POL），背底膜（BF, back film）等等，盡管有機膜材具備非常好的柔韌性，但是其抗疲勞特性非常差，高頻彎折后，這些有機膜層會出現(xiàn)塑性變形而在彎折區(qū)產(chǎn)生不同程度的銀紋，進一步影響出光率，造成色不均與亮度不均等問題。

顯然，盡管上述材料在其中某一項性能指標(biāo)上都非常優(yōu)異，但是要滿足二十萬次的彎折后，仍然能兼顧材料的強度與柔韌性，保持材料的抗疲勞特性與抗冷熱沖擊特性是非常困難的，尤其是隨著彎折半徑的不斷減小以及環(huán)境溫度的不同（比如：在冬季的東北地區(qū)或者在夏季的南方地區(qū)使用），就使得當(dāng)前的各種材料更加難以滿足嚴苛的要求。

2.2 模組彎折問題

折疊屏在全模組狀態(tài)下，其模組結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，通常有數(shù)十道膜層通過各種膠材進行貼合固定，對于平鋪狀態(tài)下，并不會出現(xiàn)什么問題，但是，一旦對其進行彎折，距離中性層不同位置的膜層分別會受到拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的作用而出現(xiàn)材料的拉伸與壓縮，如圖3所示。顯然，由于不同膜材之間的形變量是不同的，導(dǎo)致不同膜層之間會出現(xiàn)不同程度的滑移現(xiàn)象，造成膜層間的撕離力顯著增大，尤其是當(dāng)膠材經(jīng)過上萬次的拉壓后，其理化性質(zhì)會出現(xiàn)嚴重變化，導(dǎo)致膜層開裂，顯示出現(xiàn)異常。

圖3：AMOLED模組狀態(tài)彎折膜層滑移示意圖

與此同時，作為與虛擬世界進行信息交互的媒介，人們需要通過一定的信息輸入方式來給智能終端發(fā)送指令，人機交互的信息輸入方式從鍵盤、鼠標(biāo)、觸控、聲控不斷發(fā)生著變化，而折疊屏在人機交互的方式中主要采用的是手指觸控或者筆觸控等方式。顯然，不管是折疊屏與否，必然要求智能手機等終端產(chǎn)品的最外層蓋板具有良好的硬度以及耐摩擦性能，一方面保證人們在使用過程中不至于因為高頻次的滑動產(chǎn)生蓋板磨損，另一方面防止人們因操作失誤導(dǎo)致跌落而導(dǎo)致產(chǎn)品失效，是產(chǎn)品可靠性的保證。與其他屏幕有顯著差異的是，折疊屏不僅僅要考慮屏幕的耐摩擦性能與硬度性能，同時還要兼顧良好的柔韌性以便完成折疊，這對蓋板提出了全新的使用要求。

2.3 智能終端折疊機構(gòu)問題

眾所周知，一款折疊手機，除了一塊完美的柔性屏之外，還需要輔助屏幕彎折并實現(xiàn)回彈的機構(gòu)，該機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)劣在很大程度上決定了折疊屏攤開后的平整度，并有效弱化折疊屏的折痕，進而增加折疊屏的使用壽命。目前，關(guān)于折疊機構(gòu)的設(shè)計方案幾乎都采用了鉸鏈的設(shè)計方式，其原理就是利用鉸鏈的鏈條沿著導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動進而拉動其他元器件做整體運動，在屏幕閉合時，鉸鏈拉著屏幕使其整體長度拉長，進而緩慢變形，形成水滴狀或者半圓狀，當(dāng)屏幕緩慢展開時，鉸鏈轉(zhuǎn)軸又從水滴狀或者半圓狀慢慢變形縮短，進而使屏幕平攤成為平面。實際上，要想設(shè)計開發(fā)一款優(yōu)異的鉸鏈是非常困難的，因為它不僅僅與其結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)，還與加工精度以及配合精度相關(guān)，其中任何一個環(huán)節(jié)出問題都會導(dǎo)致屏幕開合時出現(xiàn)凸起與明顯的折痕。

鉸鏈加工中的難點主要包括以下幾點：

（1）成型工藝復(fù)雜；

（2）精度要求極高；

（3）后續(xù)噴丸拋光處理工藝復(fù)雜；

（4）鉸鏈組裝工序繁多，公差累計偏位大。

與此同時，由于屏幕折疊過程中對鉸鏈的回轉(zhuǎn)精度以及鉸鏈的摩擦系數(shù)等參數(shù)都要求極高，甚至，由于過于精密，鉸鏈在長時間使用中的落灰、異物等都可能造成機構(gòu)的故障。

3 折疊屏發(fā)展趨勢

針對上述折疊屏中存在的諸多技術(shù)難點，各大面板廠與終端廠紛紛采取了不同的技術(shù)手段，對其中的一些技術(shù)難點進行克服改善，取得了較好的效果，但如果從長遠來看，隨著基礎(chǔ)學(xué)科的進步，折疊屏中現(xiàn)存的問題依舊有較大空間做根本性的優(yōu)化。

首先，對于材料性能問題。相比于非折疊屏，折疊屏中對材料最大的挑戰(zhàn)主要是因為外部力學(xué)的作用引起各類材料的一系列失效，一般而言，針對此類由應(yīng)力引起的問題主要是從降低應(yīng)力的方向去做改善。比如，通過在無機膜層中設(shè)計一些應(yīng)力松弛結(jié)構(gòu)來減小應(yīng)力集中，進而提高材料的耐彎折性能[5]。同時，鑒于折疊屏中無機材料本征缺陷引起的缺陷并在外力作用下發(fā)生裂紋擴展的事實，也可通過在裂紋起始的位置設(shè)計一些阻擋裂紋擴展的結(jié)構(gòu)。若從材料本身的角度出發(fā)，可以通過對脆性材料進行一系列的顯微結(jié)構(gòu)改善與增韌處理，進而增強脆性材料的韌性，提高其耐彎折性能。更進一步地，隨著材料科學(xué)的進步以及高分子材料的發(fā)展，導(dǎo)電聚合物是替換高彈性模量的金屬線路的理想替代物。主要是因為：第一，由于聚合物基本都是由碳氫氧等具有長鏈狀的分子聚合而成，具有十分優(yōu)異的彈塑性，完全可以滿足折疊屏高頻率、小半徑的彎折需求；第二，高分子導(dǎo)電聚合物是一類具有導(dǎo)電功能的材料（包括半導(dǎo)電性、金屬導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性），且其導(dǎo)電能力可根據(jù)摻雜進行調(diào)整，進而實現(xiàn)導(dǎo)電與絕緣。因此，通過利用高分子導(dǎo)電聚合物的性能優(yōu)勢，將AMOLED中較為硬、脆的金屬走線與無機膜層換成具有優(yōu)異耐彎折性能以及優(yōu)良導(dǎo)電性能與電絕緣性能的高分子導(dǎo)電聚合物，完全有希望實現(xiàn)全柔性AMOLED屏在高頻率、小半徑等極限彎折條件下而不出現(xiàn)線路斷裂、亮線、暗線等缺陷，引領(lǐng)未來顯示行業(yè)的又一次概念革新。

其次，對于模組彎折問題，總而言之，大體方向是朝著模組厚度減薄的方向進行。對于模組各膜層之間彎折產(chǎn)生滑移的現(xiàn)象，其主要思路是通過不斷減薄各膜層的厚度進而降低整個模組的厚度，顯然，總厚度與單層厚度均下降了，在彎折中相比較更厚的模組而言，偏離中性層最遠的膜層變形量會大大下降，就好比一本薄的書與一本厚的書進行彎折，更薄的書折疊后封面的滑移量肯定是小于更厚的書的滑移量。與此同時，模組厚度越小就越容易變形彎折，對鉸鏈的要求也會相應(yīng)的降低。對于蓋板的硬度與柔韌性兼顧問題，其大體思路也是通過減薄剛性材料并搭配柔性材料組合成復(fù)合膜層來實現(xiàn)。我們知道玻璃蓋板是屬于硬度高、耐摩擦的脆性材料，但其缺點是韌性太差，常規(guī)的玻璃根本無法彎折，鑒于此，解決該問題的主要方式就是通過制備幾十微米厚度的超薄玻璃，并將其黏附在柔韌性優(yōu)異的有機膜材上，在滿足蓋板耐摩擦的要求下，又能實現(xiàn)彎折[6]。

再次，對于折疊屏的彎折機構(gòu)問題，其具體發(fā)展方向主要是采用水滴形鉸鏈設(shè)計，通過多維相控聯(lián)動機制，在彎折變形處形成一個水滴式的容屏空間，屏幕中間只是彎曲并不是完全折疊，該設(shè)計使得屏幕可以緩慢進入一個變形區(qū)，而不是發(fā)生突變，因此在實現(xiàn)折疊的同時又保證了展開后屏幕的平整性。與此同時，由于該水滴形機構(gòu)的設(shè)計，僅僅是將屏幕進行變形彎曲，而不是直接沿著彎折軸線進行折疊，因此，經(jīng)過數(shù)十萬次彎折后，模組材料也不容易發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生折痕、銀紋等失效。為了更好地解決折痕問題，當(dāng)前的鉸鏈設(shè)計往往還會引入兩片彈片，一方面，當(dāng)屏幕折疊后會壓住機框內(nèi)部的兩根金屬彈片而不影響屏幕的閉合，另一方面，當(dāng)屏幕展開時，得益于兩片彈片的彈性并配合鉸鏈的轉(zhuǎn)軸形成有效的支撐面，大大減輕了折疊后屏幕的折痕影響。

4 小結(jié)

基于上述討論分析，具備折疊形態(tài)的智能終端，其難點主要集中在兩個方面，其一是折疊屏幕本身，其二是輔助屏幕彎折的鉸鏈結(jié)構(gòu)。對于這兩大方面問題中出現(xiàn)的諸多技術(shù)難點，其改善方向主要包括顯示屏內(nèi)部的抗彎折結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料本征的顯微增韌、折疊屏幕的整體厚度減薄、“剛?cè)岵辈捎脧?fù)合膜層方案以及機構(gòu)的設(shè)計改善等幾個方面，為后續(xù)不同彎折形態(tài)的產(chǎn)品開發(fā)（如：卷軸屏）與技術(shù)研究提供借鑒。