折叠屏手机那么“脆”,凭啥卖这么贵?

折叠屏时代真的到来了吗?首款折叠屏手机发布至今也有一年多了。人们在谈到折叠屏手机时,却仍觉得这是个未来向的产品。

 

市面上已有的折叠屏手机至少包括了三星Galaxy Fold、华为Mate X、三星Galaxy Z Flip、摩托罗拉Moto Razr 2019、柔宇FlexPai等,似乎能细数的型号也不算少了,不过价格多少以及能不能买得到,折叠屏产品似乎依旧遥远。


伴随折叠屏这种科幻向技术到来的,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这样的初代折叠屏设备,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设备Galaxy Z Flip宣称改进工艺,从硬度测试来看,要在其屏幕表面留下划痕也相当轻而易举;而且折叠处甚至可能因为室温过低而碎裂。


折叠屏的这种脆弱属性,更拉远了它与一般人的距离:当消费者花两万块钱买台折叠屏手机,却需要在每天早晨,手机闹铃响起时,伸手去触碰屏幕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。因此本文将从技术层面去探究,折叠屏手机为何如此脆弱,及从侧面呈现折叠屏手机当前的发展阶段。

三星Galaxy Fold

 

  • 折叠屏:柔性显示技术的高级阶段

 

首先还是需要划定探讨问题的范围:我们所说的柔性屏、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柔性屏相对特殊,也不是我们探讨手机折叠屏的主流技术。


从光电材料(electro-optic materials)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。市面上也已经存在不少此类柔性屏产品,大多主打阅读、书写。


如今在手机、移动产品上相对热门的柔性屏、折叠屏技术,特指柔性OLED面板。本文在谈到折叠屏、柔性屏时,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,柔性屏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其曲率是固定的、用户不可控制的。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。

图片来源:电子工程专辑


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。它与第三阶段的重要差异在于,“弯曲半径”的显著不同。展会上常能见到的可弯曲屏幕,其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得多。


就弯曲半径的角度来看,像三星Galaxy Fold这样的内折屏,在面板技术难度上要大于华为Mate X的外折屏方案。因为前者的弯曲半径是比后者明显更小的。


由此可见,折叠屏是柔性屏的某个高级阶段,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:至少就移动产品来说,折叠屏本质上是将一个更大屏幕的设备装进口袋里,提升便携性。

  • 柔性OLED是怎么造的?


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,以及具体是怎么制造的。


如今手机、电视常见的OLED显示屏为AMOLED(Active Matrix OLED)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、导电层)、阳极层(anode)——这些总体构成了OLED frontplane(如图1);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屏幕结构


OLED的发光原理是电致发光(electro-phosphorescence),这里不再详述这一机制。在成为屏幕最终形态时,还需要对面板做封装。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——对用户而言最直观的就是外层不可能再用康宁的大猩猩玻璃。这就成为柔性屏制造的第一大挑战,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提到的TFT层,这层材料按照开关器件来分,现在相对流行的是LTPS(低温多晶硅)与IGZO(铟镓锌氧化物)。LTPS是柔性屏制造中的主流,也是三星、京东方这些面板制造商开发柔性屏时普遍采用的方案。LTPS即低温多晶硅,相比传统方案(如a-Si)能够以相对更低的温度合成。不过即便是“相对更低”,也可能需要达到600℃(或更低)。


柔宇在此采用的是一种名为ULT-NSSP(超低温非晶硅半导体工艺)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面板开发上,相较其他面板厂商走的另一条路,具体成效未知。无论如何,更低的温度在生产制造商总是更有价值的。

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),如图,只是最终有一个激光剥离的过程:即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)——说白了就是某种塑料薄膜,这在图中已经有体现。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。

 

  • 每一层都得弯曲折叠

 

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。


比如说导电层的ITO(铟锡氧化物,或者可能是其他导电聚合物材料),一方面是要求更低温度的工艺,另一方面在于ITO沉积在塑料基板上,在拉伸应变方面可能导致很大的问题。


再比如说,TFT层也受到可弯曲的影响,不仅是外力可对其产生破坏,还在于其它层的热膨胀/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。

图片来源: 电子工程专辑


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、工艺都有差异,可形变、热膨胀特性等都有差异。这会给折叠动作产生不小的阻碍。


不难想象,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。

在应对这样的问题时,不同的面板制造商也有各自不同的解决方案。比如说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(如图)。这是前些年台湾工业技术研究院就开始尝试的方案。当然,这部分内容实际上已经和下文要提的封装相关了。


今年3月份的柔宇发布会上,柔宇提到建立“智能力学仿真模型”,形成材料力学参数数据库——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。通过这个仿真模型中,就能找到更好的堆叠方案和材料选择。

 

  • 探索中的封装技术


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——虽然本文的前一个段落也相关封装,但前一部分的重点在针对折叠的“缓冲”,而这部分主要相关“隔离”和“延缓”。如前文所述,传统OLED屏幕和柔性屏在封装要求上存在很大差异,前者的形态是固定的,而且在应用于手机、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。


这也是很多已经在售的折叠屏手机,在使用过程中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,则水氧阻隔性提升3-4个数量级,WVTR(水蒸气透过量)也能相应提升;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工艺。


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镀膜的塑料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,封装成为总体成本中占很大比例的组成部分。

Moto Razr 2019在折叠设计上,相对讨巧地让弯曲半径变大

图片来源:摩托罗拉


即便有着10年以上的研发投入,初代折叠屏手机依然面临各种各样的问题。毕竟如今的折叠屏本身厚度要小于1mm,弯曲半径也仅1.5mm。考虑其间包含晶体管、半导体材料、化学层、光学薄膜层,屏幕制造挑战自然是可想而知的。另外还要在意可靠性问题:20万次折叠是如今的基本使用保障。


加上生产的良率控制,折叠屏总体成本目前仍然是比较高的。IHS的OLED Display Cost Model数据显示,传统7.3英寸QHD OLED屏幕,显示部分的成本是50-35美元,触控组件则需15美元。相较而言,可折叠7.3英寸WQHD OLED屏幕成本在100-70美元区间,触控组件为25美元。这里我们还没有探讨触控层相关的柔性技术——这也是门道颇多的,三星的Y-Octa触控解决方案即是一个典型。


从偏终端产品的角度来看,折叠屏手机的转轴所需投入的成本也是巨大的,另外还要加上手机内部的布局设计为折叠屏做出的让步,以及系统、软件层面为折叠形态做出的UI和功能开发。如今的折叠屏手机价格昂贵,自然容易理解。

 

  • 一步步走向成熟

 

以上我们就把柔性屏如此脆弱的原因大致解释清楚了。最后我们再来简单谈谈消费用户非常关心的,折叠屏的硬度问题:这里的硬度指的实际上是屏幕最外层覆盖材料的硬度。这个问题非常关乎用户体验,毕竟谁都不希望手机用了没几天,屏幕上就一堆凹痕、印迹。


已经上市的初代折叠屏手机普遍存在这样的问题,这些手机的外层盖板也都是PI材料——毕竟透明度、可弯折都需要保证。在表层覆盖材料的选择上,三星的二代折叠屏手机Galaxy Z Flip开始改用一种超薄玻璃盖板——这种被三星命名为UTG的玻璃盖板实际是由韩国的Dowoo Insys生产的。


就用户反馈来看,这种超薄玻璃的耐久度表现的确要显著优于PI,但那也只是相对而言。其硬度同样不高,且存在碎裂风险。韩国媒体此前报道称,三星期望开发自己的UTG盖板,因为Dowoo Insys的方案仍然不够强韧。后者目前的方案,玻璃厚度为30μm,三星则准备开发一种60μm厚度的盖板,在确保可折叠性的前提下,令其可靠性更佳。


无论如何,从折叠屏手机表层玻璃盖板的这种迭代,观众一窥就不难发现折叠屏在技术层面仍有极大的完善和发展空间:但它正在走向成熟,是技术厚积薄发的某种体现。

图片来源:DSCC


针对柔性屏、折叠屏的市场前景,从来没有一家分析机构质疑过其潜力。DSCC去年预计到2022年,可折叠OLED的出货量会达到6300万,2019年这个数字还是300万,复合年增长率173%。预计2025年的市场规模为80亿美元。而技术的持续完善,促成折叠屏成本的进一步下降,再过1-2年,市面上的折叠屏手机大概就能以平价的姿态存在了,而且可靠性还会比现如今的折叠屏手机好得多,那个时候折叠屏时代才是真正的到来了。

 

*内容摘自电子工程专辑

关键词:折叠手机展、触控展、显示展