出品｜大數據文摘
來源｜IEEE
編譯｜Hippo、朱科錦
將近半個世紀前，摩托羅拉推出了第一款手機的原型。它足足有一塊磚那麼大，重量也抵得上半塊磚了。這個原型在十年後催生了第一臺商用手機。它雖顯笨拙，但卻能允許一個人邊走動邊收發訊息，這在當時已經是極爲新潮。從那時起，手機逐漸獲得許多其他功能。如今手機可以處理文本消息、瀏覽網頁、播放音樂、拍攝（以及播放）照片和視頻、地圖定位以及無數其他應用，這些應用遠遠超出了人們最初的想象。
儘管智能手機已經如此便捷靈活，卻一直在竭力克服一個看上去最基本的問題：顯示屏太小。誠然，一些電話已經做的比通常更大以提供更大的顯示空間。但是如果手機做得過大以至於褲兜都無法容納，這在很多人看來是不能接受的。
顯而易見的解決方案是使屏幕像錢包一樣能夠摺疊。多年來，爲此開發合適的技術一直是首爾國立大學（Seoul National University）研究人員的目標之一。對於智能手機制造商來說這也是一個重要目標，近兩年已經有一些廠商具備將該技術推向市場的能力。
毫無疑問，很快可摺疊屏手機就會大量出現。你或你家人可能就會擁有一臺，你肯定會疑惑：顯示屏在這種情況下怎麼可能彎曲？我們將在這裏解釋該技術的奧祕所在，這樣當帶有這種寬大明亮、靈活方便的顯示屏出現在你身邊時，你就不會不知所措了。本文甚至還會向你講解一種更加勁爆的電子設備，它的屏幕不但能夠彎曲甚至還能拉伸！
大約二十年前研究人員就已經開始致力於研究如何製作柔性屏，但是多年來仍然停留在科研項目階段。在2012年終於有了轉機，Bill Liu和其他斯坦福大學的工程專業畢業生着手建立柔宇科技有限公司（下簡稱柔宇，Royole Corp.，目前總部分別位於加利福尼亞的弗裏蒙特和中國深圳），將柔性顯示屏商業化。
▲ 就像一本合上的書：2018年底，柔宇開發了第一款配置可彎曲顯示屏的商用智能手機FlexPai，屏幕摺疊後依然正常顯示。
在2018年末，柔宇推出了FlexPai，其靈活的屏幕使該設備可以展開成類似於平板電腦的裝置。這種可摺疊的顯示屏可以承受200,000次彎折，其最低彎折半徑僅爲3毫米。但是相對於成熟產品來說，FlexPai手機更像是原型。發表在The Verge上的一篇評論稱它“既驚豔又有缺憾”。
此後不久，全球最大的兩家智能手機制造商三星和華爲也推出了自己的可摺疊機型。三星於2019年2月正式對外宣佈其Galaxy Fold它配置了雙面可摺疊顯示屏，其彎折半徑可以達到1 mm，機身向內摺疊後可用機身外部屏幕顯示。當月晚些時候，華爲也發佈了首款可摺疊智能手機MateX。Mate X摺疊後約11毫米厚，其顯示屏在外側（和FlexPai的屏幕一樣），這意味着顯示屏的曲折半徑約爲5毫米。今年2月，這兩家公司又都推出了第二代可摺疊機型：三星的Galaxy Z Flip和華爲的Mate Xs / 5G。
當然，對這些手機進行工程設計時最具挑戰性的部分是開發屏幕本身。關鍵是要減小柔性顯示面板的厚度，以最小化摺疊時所承受的彎曲應力。行業剛剛找到解決方案，像三星顯示和京東方科技集團等面板供應商就已經實現了可摺疊屏幕的量產。
像在傳統智能手機一樣，這些屏幕都屬於有源矩陣有機發光二極管顯示屏。但是，這些公司沒有像通常那樣在剛性玻璃基板上製造這些AMOLED，而是使用了纖薄柔軟的聚合物。在該柔性基板的頂部是底板，該底板包含很多控制單個像素所需的薄膜晶體管。這些晶體管帶有緩衝層，可以防止顯示屏彎曲時形成裂紋。
儘管按照這些思路構造的柔性屏在電話和其他電子產品中正迅速變得越來越普遍，但適用於這些屏幕的標準以及描述其彎曲能力的術語仍在形成中。至少這些顯示屏可以根據其彎曲時能夠承受的曲折半徑來大致表徵：“合格”是指曲折程度不那麼緊密的顯示屏，“可捲曲”是指具有中等柔韌性，“可摺疊顯示器”代表曲折半徑極小。
由於任何材料（無論是智能手機顯示屏還是鋼板）在彎折的外表面上都會受到拉力，而在內部則受到壓縮，因此構成顯示屏的電子組件必須抵抗這些應力和它們引起的相應變形。最簡單的方法是使柔性屏的外表面更靠近內表面，從而最大程度地減小這些形狀變化力，也就是說把設備做的非常薄。
爲了使顯示屏儘可能薄，設計師省略了通常位於頂部的保護膜和偏光片以及在這些層之間施加的粘合劑。雖然去除這些元素並不理想，但由於從內部發光，而不是像在液晶屏中那樣改變從LED背光源透射的光量，保護膜和減反射偏光片只是AMOLED顯示屏的可選組件。
柔性顯示屏和常規顯示屏的另一個區別與透明導電電極有關，該透明導電電極將使像素髮光的發光有機材料夾在中間。通常，氧化銦錫（ITO）層可起到這一作用。但是，ITO在張力作用下非常脆，這使其很難成爲柔性屏的上佳選擇。更糟的是，ITO往往無法很好地粘附到柔性聚合物基板上，導致其在壓縮時發生彎曲和分層。
與這個問題鬥爭了十多年的研究人員發現了幾種提高ITO與柔性基板之間粘合力的策略。一種方法是在頂部沉積ITO電極之前，用氧等離子體處理襯底；另一方法是在電極和基板之間插入一薄層金屬（例如銀），這樣還有助於將基板的頂部放置在構成顯示屏夾層的正中間。這種佈局將易碎的界面與ITO層放置在顯示屏的機械中性面上，彎曲時既不壓縮也不拉緊。當前，處於領先地位的電子公司製造可摺疊屏時用的就是這種策略。
更簡單的是，你可以完全擺脫ITO電極。雖然這還沒有在商業設備中實現，但這種策略很有吸引力，儘管這種吸引力並不是來源於對靈活性的渴望。銦既有毒又昂貴，所以如果不是非用不可，你真的不想用它。幸運的是，這些年來，包括我們兩個在內的研究人員已經發現了其他幾種可以作爲柔性顯示器的透明電極的材料。
一種含有銀的納米線柔性薄膜可能是最有前途的候選材料。這些極其細小的金屬絲形成了一個可以導電並且基本保持透明的網狀物。通過將含有銀的納米線的溶液以類似於在新聞紙上印刷油墨的方式塗抹在基材上，就可以低成本地製作出一層這樣的薄膜。
▲ 摺疊的世界：2019年，
華爲推出了一系列柔性顯示屏的手機。
這裏展示的是該公司的Mate Xs。
對銀的納米線的大部分研究都集中在尋找降低單個導線之間結點的電阻的方法上。其中一個方法是通過在納米線網中添加某些其他材料。或者你可以通過在烤箱中加熱納米線層，或者通過焦耳加熱送入足夠的電流使納米線結點熔合，對納米線層進行物理處理。或者可以通過熱壓、等離子體或用非常明亮的閃光照射來處理納米線，使其結點熔合。
然而哪種方法最好在很大程度上取決於納米線的基材的性質。聚合物基底，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，許多透明塑料食品容器都是由這種材料製成的），在加熱時容易大幅度變形。聚酰亞胺對熱敏感度較低，但它的顏色偏黃，會影響以這種方式創建的電極的透明度。
但在創建透明導電電極時，金屬納米線並不是唯一可能替代ITO的材料。另一種候選材料是石墨烯，一種碳的形式，其中的原子以二維蜂巢模式排列。石墨烯的超強導電性和光學透明度還不能與ITO相提並論，但它比現在用於柔性顯示器的其他候選電極材料更能承受彎曲。石墨烯的導電性不足的問題可以通過與導電聚合物結合或摻入少量硝酸或氯化金來改善。
還有一種可能性是使用導電聚合物。例如聚3,4-乙氧基噻吩：聚苯乙烯磺酸， 也被稱爲PEDOT:PSS。這種聚合物可以溶解在水中，從而可以通過印刷或旋塗（一種類似於製作旋塗藝術的工業工藝）輕鬆製造出薄而透明的電極。正確的化學添加劑可以顯著提高這種導電聚合物薄膜的彎曲甚至拉伸能力。精心選擇添加劑還可以提高顯示器在給定電流下的發光量，使其比使用ITO電極製造的顯示器更亮。
到目前爲止，手機、電腦顯示器和電視機中使用的有機LED顯示屏主要是通過將基板置於真空狀態下，蒸發任何你想添加到其中的有機材料，然後使用金屬膜來控制這些物質的沉積位置來製造的。你可以把它看成是一種高科技的模板操作。不過那些帶有非常精細圖案的金屬膜很難製造，而且很多應用材料都被浪費了，這些導致了大型顯示面板的高成本。
不過，現在已經出現了一種有趣的替代方法：噴墨打印。爲此，你要把應用的有機材料溶解在溶劑中，然後噴射到需要形成許多像素的基材上，接着進行後續的加熱步驟來驅除任何殘留的溶劑。杜邦公司（DuPont）、默克公司（Merck）、尼桑化學公司（Nissan Chemical Corp）和住友公司（Sumitomo）都在研究這種方法。儘管生產設備的效率和可靠性仍然遠遠低於所需。但如果有一天這些公司成功了，顯示器的製造成本應該會大大降低。
▲ 互相競爭的摺疊手機：三星也在2019年推出了自己的柔性顯示屏手機系列。這裏展示的是該公司的Galaxy Fold。
對於智能手機用小型顯示器的製造商來說，比降低成本更優先的是要降低功耗。有機LED（OLED）的耗電量越來越小，OLED產業越發成熟，就越難從目前每平方釐米約6毫瓦（每平方英寸約40毫瓦）的數值上進一步縮減功耗。這對於可摺疊手機來說，是一個更大的問題，因爲可摺疊手機擁有比普通手機大得多的顯示屏。因此，可以肯定的是，至少短期內，你小巧的可摺疊手機都將擁有一個特別巨大的電池。
在柔性顯示器允許我們的智能手機摺疊後，下一步是什麼？考慮到現在人們對手機的依賴程度，我們預計在不遠的將來，人們將開始佩戴直接貼在皮膚上的顯示屏。他們最初可能會用這些設備來可視化各種生物識別數據，但毫無疑問其他應用會出現。也許有一天，這種可穿戴式顯示器將僅僅成爲一個高科技的時尚配飾。
當然，製作這種顯示屏的材料應該足夠柔軟，不會在貼在皮膚上時造成困擾。更重要的是，它們必須是可拉伸的。不過，製造本質上可拉伸的導體和半導體是一個巨大的挑戰。因此，幾年來，研究人員一直在探索替代品：幾何學上可拉伸的顯示器。這些顯示器將剛性但微小的電子元件連接在可拉伸的基板上，並通過可承受拉伸變形的導電通路連接。
不過，最近在開發本性可拉伸顯示器方面取得了進展 —— 在這種顯示器中，導體、半導體和基底都可以被拉伸。當然，這種顯示器需要一些新型材料，但最大的障礙可能是如何設計出可拉伸的材料來封裝這些設備，並保護它們免受溼氣和氧氣的破壞性影響。我們的研究團隊最近在這方面取得了良好的進展，成功地開發出了不需要可拉伸保護塗層的空氣穩定、本性可拉伸的發光器件。這些器件可以被拉伸到接近正常長度的兩倍而不會失效。
目前爲止，只有非常粗糙的可拉伸顯示器原型被製造了出來，這些原型只是提供了一個粗糙的發光元件網格。但業界對可拉伸顯示器的興趣是巨大的。今年6月，韓國貿易，工業和能源部指派LG Display領導一個由工業和學術研究人員組成的聯盟以開發可拉伸顯示器。
只要稍加想象，你就能看到未來的發展：運動員的手臂或腿上貼着生物識別顯示器，我們戴在手掌上的智能手機，以及可順勢垂掛在各種曲面上的顯示器。現在正在努力開發這種未來顯示器的人，肯定會從多年來爲創造今天的智能手機可摺疊顯示器所做的研究中受益。毫無疑問，不僅可彎曲，還可拉伸的電子產品的時代很快就會到來。
相關報道：
https://spectrum.ieee.org/consumer-electronics/portable-devices/from-foldable-phones-to-stretchy-screens
RECOMMEND
“
網易智能有12個不同垂直領域社羣等你來
添加智能菌微信：kaiwu_club
”
掃碼瞭解更多