智能終端折疊技術(shù)難點(diǎn)及問(wèn)題分析

周志偉

（維沃移動(dòng)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(dòng)電話以來(lái)，手機(jī)作為近50年以來(lái)最偉大的發(fā)明之一，深徹地改變了人類社會(huì)的通信方式，極大拉近了信息交互的時(shí)空距離，甚至從一定程度上急劇加速了紙質(zhì)媒體時(shí)代向電子網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的跨越，催熟了由計(jì)算機(jī)引領(lǐng)并光大于手機(jī)通信的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的萬(wàn)億市場(chǎng)。受限于早期的技術(shù)、工藝以及電子元器件體積問(wèn)題，初期的移動(dòng)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(jià)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(jìn)步，以及電子元器件的微型化和密集化發(fā)展，使得移動(dòng)電話得以不斷實(shí)現(xiàn)小型化與輕便化，為后續(xù)的功能機(jī)與智能機(jī)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(duì)于手機(jī)通信的認(rèn)知，人機(jī)交互的大屏幕時(shí)代與智能時(shí)代快速到來(lái)[1]。

經(jīng)過(guò)近10年的高速發(fā)展，手機(jī)、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(guò)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(diǎn)屏”、“瀑布屏”、“水滴屏”以及對(duì)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(shí)，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(jìn)，以滿足消費(fèi)者對(duì)顯示屏高清、超高清、藍(lán)光等不同清晰度的要求。盡管如此，消費(fèi)者對(duì)以智能手機(jī)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(gè)終端產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)超大屏幕的視頻瀏覽、游戲娛樂(lè)，顯然，上述各種類型的顯示屏尺寸無(wú)法完全滿足人們的使用需求。鑒于此，未來(lái)顯示屏在保證高清晰度的同時(shí)，其尺寸必然會(huì)越做越大，值得說(shuō)明的是，受限于人類自身手掌的大小，目前智能手機(jī)約90%的屏占比已近乎達(dá)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(yùn)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(yán)重的智能手機(jī)領(lǐng)域，其酷炫的外表以及十足的科技感給市場(chǎng)帶來(lái)了一場(chǎng)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(dòng)化全新的技術(shù)革命。盡管折疊產(chǎn)品引起了廣泛的市場(chǎng)關(guān)注，但其引發(fā)的市場(chǎng)口碑也褒貶不一，究其原因，主要包括以下幾點(diǎn)：其一，技術(shù)瓶頸點(diǎn)較多，諸如：鉸鏈的耐久性、有機(jī)膜材的抗疲勞特性、無(wú)機(jī)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(dòng)電路的器件電性漂移而引起色偏等等，都會(huì)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(jìn)口，成本非常昂貴，再加上幾十道制備工藝引發(fā)的良率問(wèn)題又進(jìn)一步拉大了制造成本，因此，一款折疊手機(jī)售價(jià)往往動(dòng)輒萬(wàn)元以上，極少有消費(fèi)者愿意為此買單；在本文中，主要針對(duì)AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode)折疊屏中存在的技術(shù)難點(diǎn)以及當(dāng)前解決方案或其發(fā)展方向進(jìn)行探討。

2 智能終端折疊技術(shù)難點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)智能終端完美彎折的技術(shù)難點(diǎn)，最主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(shí)現(xiàn)耐久性折疊的結(jié)構(gòu)。首先，對(duì)于折疊屏就有非常多的技術(shù)難點(diǎn)需要克服。折疊屏是一種基于主動(dòng)式有機(jī)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(duì)極其復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景與運(yùn)動(dòng)環(huán)境，相比于非折疊的AMOLED屏幕，折疊屏對(duì)各種有機(jī)膜材、無(wú)機(jī)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(diǎn)，代表了當(dāng)前面板行業(yè)乃至顯示領(lǐng)域內(nèi)對(duì)各種材料應(yīng)用的最高技術(shù)水平[3]。

2.1 材料性能問(wèn)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(wèn)題。AMOLED是在僅有數(shù)十微米厚的聚酰亞胺薄膜（PI）上通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）的方式進(jìn)行數(shù)十層無(wú)機(jī)薄膜與金屬薄膜的制備，通過(guò)涂布的方式進(jìn)行數(shù)十層有機(jī)薄膜的制備，在這些不同的金屬膜層、有機(jī)膜層與無(wú)機(jī)膜層的制備過(guò)程中，又伴隨著圖形化的要求，一般會(huì)通過(guò)掩膜板進(jìn)行曝光、顯影、刻蝕等半導(dǎo)體制備工藝形成幾百萬(wàn)甚至是上千萬(wàn)個(gè)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(jiǎn)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(wú)機(jī)膜層，在數(shù)十萬(wàn)次乃至二十萬(wàn)次的高頻彎折過(guò)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(kuò)展，最終導(dǎo)致邏輯電路的斷裂而引起控制異常。更為常見(jiàn)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(jìn)一步導(dǎo)致畫面顯示不均[4]。

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

其次，AMOLED是通過(guò)三重態(tài)的磷光發(fā)光與單重態(tài)的熒光發(fā)光實(shí)現(xiàn)有機(jī)材料的電致發(fā)光，這類發(fā)光材料對(duì)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(wú)機(jī)膜層作為封裝層。與此同時(shí)，不管是屏幕內(nèi)彎或者外彎，總有一部分無(wú)機(jī)膜層與金屬膜層偏離中性層距離較遠(yuǎn)而受到較大的拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力，進(jìn)一步增大了材料開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)（如圖2所示）。

圖2：AMOLED無(wú)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(jìn)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(yán)重的是，OCA的隆起會(huì)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(shí)，模組階段中，還有其他有機(jī)膜材，諸如：偏光片（POL），背底膜（BF, back film）等等，盡管有機(jī)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(jī)膜層會(huì)出現(xiàn)塑性變形而在彎折區(qū)產(chǎn)生不同程度的銀紋，進(jìn)一步影響出光率，造成色不均與亮度不均等問(wèn)題。

顯然，盡管上述材料在其中某一項(xiàng)性能指標(biāo)上都非常優(yōu)異，但是要滿足二十萬(wàn)次的彎折后，仍然能兼顧材料的強(qiáng)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(yán)苛的要求。

2.2 模組彎折問(wèn)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(guò)各種膠材進(jìn)行貼合固定，對(duì)于平鋪狀態(tài)下，并不會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題，但是，一旦對(duì)其進(jìn)行彎折，距離中性層不同位置的膜層分別會(huì)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(huì)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(guò)上萬(wàn)次的拉壓后，其理化性質(zhì)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變化，導(dǎo)致膜層開(kāi)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(shí)，作為與虛擬世界進(jìn)行信息交互的媒介，人們需要通過(guò)一定的信息輸入方式來(lái)給智能終端發(fā)送指令，人機(jī)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(jī)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(jī)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?cè)谑褂眠^(guò)程中不至于因?yàn)楦哳l次的滑動(dòng)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(shí)還要兼顧良好的柔韌性以便完成折疊，這對(duì)蓋板提出了全新的使用要求。

2.3 智能終端折疊機(jī)構(gòu)問(wèn)題

眾所周知，一款折疊手機(jī)，除了一塊完美的柔性屏之外，還需要輔助屏幕彎折并實(shí)現(xiàn)回彈的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣在很大程度上決定了折疊屏攤開(kāi)后的平整度，并有效弱化折疊屏的折痕，進(jìn)而增加折疊屏的使用壽命。目前，關(guān)于折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案幾乎都采用了鉸鏈的設(shè)計(jì)方式，其原理就是利用鉸鏈的鏈條沿著導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而拉動(dòng)其他元器件做整體運(yùn)動(dòng)，在屏幕閉合時(shí)，鉸鏈拉著屏幕使其整體長(zhǎng)度拉長(zhǎng)，進(jìn)而緩慢變形，形成水滴狀或者半圓狀，當(dāng)屏幕緩慢展開(kāi)時(shí)，鉸鏈轉(zhuǎn)軸又從水滴狀或者半圓狀慢慢變形縮短，進(jìn)而使屏幕平攤成為平面。實(shí)際上，要想設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款優(yōu)異的鉸鏈?zhǔn)欠浅＠щy的，因?yàn)樗粌H僅與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)，還與加工精度以及配合精度相關(guān)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致屏幕開(kāi)合時(shí)出現(xiàn)凸起與明顯的折痕。

鉸鏈加工中的難點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：

（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(jì)偏位大。

與此同時(shí)，由于屏幕折疊過(guò)程中對(duì)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(guò)于精密，鉸鏈在長(zhǎng)時(shí)間使用中的落灰、異物等都可能造成機(jī)構(gòu)的故障。

3 折疊屏發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)上述折疊屏中存在的諸多技術(shù)難點(diǎn)，各大面板廠與終端廠紛紛采取了不同的技術(shù)手段，對(duì)其中的一些技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行克服改善，取得了較好的效果，但如果從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著基礎(chǔ)學(xué)科的進(jìn)步，折疊屏中現(xiàn)存的問(wèn)題依舊有較大空間做根本性的優(yōu)化。

首先，對(duì)于材料性能問(wèn)題。相比于非折疊屏，折疊屏中對(duì)材料最大的挑戰(zhàn)主要是因?yàn)橥獠苛W(xué)的作用引起各類材料的一系列失效，一般而言，針對(duì)此類由應(yīng)力引起的問(wèn)題主要是從降低應(yīng)力的方向去做改善。比如，通過(guò)在無(wú)機(jī)膜層中設(shè)計(jì)一些應(yīng)力松弛結(jié)構(gòu)來(lái)減小應(yīng)力集中，進(jìn)而提高材料的耐彎折性能[5]。同時(shí)，鑒于折疊屏中無(wú)機(jī)材料本征缺陷引起的缺陷并在外力作用下發(fā)生裂紋擴(kuò)展的事實(shí)，也可通過(guò)在裂紋起始的位置設(shè)計(jì)一些阻擋裂紋擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)。若從材料本身的角度出發(fā)，可以通過(guò)對(duì)脆性材料進(jìn)行一系列的顯微結(jié)構(gòu)改善與增韌處理，進(jìn)而增強(qiáng)脆性材料的韌性，提高其耐彎折性能。更進(jìn)一步地，隨著材料科學(xué)的進(jìn)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?yàn)椋旱谝唬捎诰酆衔锘径际怯商細(xì)溲醯染哂虚L(zhǎng)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(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電與絕緣。因此，通過(guò)利用高分子導(dǎo)電聚合物的性能優(yōu)勢(shì)，將AMOLED中較為硬、脆的金屬走線與無(wú)機(jī)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(shí)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(lái)顯示行業(yè)的又一次概念革新。

其次，對(duì)于模組彎折問(wèn)題，總而言之，大體方向是朝著模組厚度減薄的方向進(jìn)行。對(duì)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(guò)不斷減薄各膜層的厚度進(jìn)而降低整個(gè)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(yuǎn)的膜層變形量會(huì)大大下降，就好比一本薄的書與一本厚的書進(jìn)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(shí)，模組厚度越小就越容易變形彎折，對(duì)鉸鏈的要求也會(huì)相應(yīng)的降低。對(duì)于蓋板的硬度與柔韌性兼顧問(wèn)題，其大體思路也是通過(guò)減薄剛性材料并搭配柔性材料組合成復(fù)合膜層來(lái)實(shí)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(diǎn)是韌性太差，常規(guī)的玻璃根本無(wú)法彎折，鑒于此，解決該問(wèn)題的主要方式就是通過(guò)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(jī)膜材上，在滿足蓋板耐摩擦的要求下，又能實(shí)現(xiàn)彎折[6]。

再次，對(duì)于折疊屏的彎折機(jī)構(gòu)問(wèn)題，其具體發(fā)展方向主要是采用水滴形鉸鏈設(shè)計(jì)，通過(guò)多維相控聯(lián)動(dòng)機(jī)制，在彎折變形處形成一個(gè)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(jì)使得屏幕可以緩慢進(jìn)入一個(gè)變形區(qū)，而不是發(fā)生突變，因此在實(shí)現(xiàn)折疊的同時(shí)又保證了展開(kāi)后屏幕的平整性。與此同時(shí)，由于該水滴形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，僅僅是將屏幕進(jìn)行變形彎曲，而不是直接沿著彎折軸線進(jìn)行折疊，因此，經(jīng)過(guò)數(shù)十萬(wàn)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(wèn)題，當(dāng)前的鉸鏈設(shè)計(jì)往往還會(huì)引入兩片彈片，一方面，當(dāng)屏幕折疊后會(huì)壓住機(jī)框內(nèi)部的兩根金屬?gòu)椘挥绊懫聊坏拈]合，另一方面，當(dāng)屏幕展開(kāi)時(shí)，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(diǎn)主要集中在兩個(gè)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(duì)于這兩大方面問(wèn)題中出現(xiàn)的諸多技術(shù)難點(diǎn)，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(jì)、材料本征的顯微增韌、折疊屏幕的整體厚度減薄、“剛?cè)岵?jì)”采用復(fù)合膜層方案以及機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)改善等幾個(gè)方面，為后續(xù)不同彎折形態(tài)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)（如：卷軸屏）與技術(shù)研究提供借鑒。