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折疊屏手機那麽“脆”,憑啥賣這麽貴?

【摘要】:
折疊屏時代真的到來了嗎?首款折疊屏手機發布至今也有一年多了。人們在談到折疊屏手機時,卻仍覺得這是個未來向的産品。

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。


折疊屏的這種脆弱屬性,更拉遠了它與一般人的距離:當消費者花兩萬塊錢買台折疊屏手機,卻需要在每天早晨,手機鬧鈴響起時,伸手去觸碰屏幕還得先想一想是不是沒剪指甲。這樣的體驗還是令人畏懼的。因此本文將從技術層面去探究,折疊屏手機爲何如此脆弱,及從側面呈現折疊屏手機當前的發展階段。

 

折疊屏:柔性顯示技術的高級階段

 

首先還是需要劃定探討問題的範圍:我們所說的柔性屏、折疊屏究竟說的是什麽。如果按照不同的顯示面板技術來劃分,衆所周知,大方向上LCD和OLED都有自己的柔性發展路線——不過LCD柔性屏相對特殊,也不是我們探討手機折疊屏的主流技術。


从万博体育投注平台(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。


如今在手機、移動産品上相對熱門的柔性屏、折疊屏技術,特指柔性OLED面板。本文在談到折疊屏、柔性屏時,若無特別說明,則特指OLED。討論範圍明確了,另外一個需要解決的問題是,柔性屏和折疊屏這兩者是什麽關系?


通常認爲柔性顯示技術的發展可以分成幾個不同的階段。第一階段是固定曲率的柔性屏,即屏幕已經表現出曲面特性,但在最終産品形態上其曲率是固定的、用戶不可控制的。這早在多年前就已經實現,以三星Galaxy系列手機爲代表,華爲近兩年的旗艦機也都采用這類所謂“3D曲面屏”;很多顯示器、電視産品也有此類設計。


第二階段是可彎曲、可卷曲顯示第三階段是可折疊顯示第四階段爲可任意折疊拉伸的全柔性顯示。其中第二階段的可彎曲、卷曲屏幕,在很多顯示技術展會上都能看到。它與第三階段的重要差異在于,“彎曲半徑”的顯著不同。展會上常能見到的可彎曲屏幕,其彎折半徑是相對較大的(3-15mm)。而第三階段的可折疊,就意味著極小的彎曲半徑(0.5-3mm),技術層面的實現難度相比第二階段要大得多。


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。


由此可見,折疊屏是柔性屏的某個高級階段,即便它並非最終形態。有關折疊屏在實際應用中的價值,這裏不再贅述:至少就移動産品來說,折疊屏本質上是將一個更大屏幕的設備裝進口袋裏,提升便攜性。

 

柔性OLED是怎麽造的?

 

要明白折疊屏爲何如此脆弱,首先需要理解這種屏幕的結構,以及具體是怎麽制造的。


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的發光原理是電致發光(electro-phosphorescence),這裏不再詳述這一機制。在成爲屏幕最終形態時,還需要對面板做封裝。傳統手機AMOLED屏幕的上蓋板即爲密封玻璃。


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。


常規玻璃可彎曲幅度很小,所以起碼這幾層的材料必須更換爲柔性材料——對用戶而言最直觀的就是外層不可能再用康甯的大猩猩玻璃。這就成爲柔性屏制造的第一大挑戰,基板及蓋板等的材料選擇。由于OLED面板的制造流程關系,基板的材料選擇實際上是十分受限的。


OLED面板制造至少需要經曆蝕刻、濺射、蒸鍍、切割等各種工序,材料需要耐受各種高溫、腐蝕環境;在柔性面板制造過程中,還有UV紫外光剝離這樣的流程。所以在材料的選擇上就有最基本的要求。


這裏可以單獨談一談提到的TFT層,這層材料按照開關器件來分,現在相對流行的是LTPS(低溫多晶矽)與IGZO(铟镓鋅氧化物)。LTPS是柔性屏制造中的主流,也是三星、京東方這些面板制造商開發柔性屏時普遍采用的方案。LTPS即低溫多晶矽,相比傳統方案(如a-Si)能夠以相對更低的溫度合成。不過即便是“相對更低”,也可能需要達到600℃(或更低)。


柔宇在此采用的是一種名爲ULT-NSSP(超低溫非晶矽半導體工藝)的技術。按照柔宇的說法,這種更“低溫”的技術能夠進一步降低成本——這似乎是柔宇在柔性面板開發上,相較其他面板廠商走的另一條路,具體成效未知。無論如何,更低的溫度在生産制造商總是更有價值的。


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。

 

每一層都得彎曲折疊

 

實際上,超薄玻璃也是一種可一定程度彎曲的基板備選材料,玻璃畢竟具備更高的熱穩定性和更好的透明性,但仍然受限于可彎曲的程度。而除了基板材料的選擇,柔性面板還有一些需要考慮的問題。


比如說導電層的ITO(铟錫氧化物,或者可能是其他導電聚合物材料),一方面是要求更低溫度的工藝,另一方面在于ITO沈積在塑料基板上,在拉伸應變方面可能導致很大的問題。


再比如說,TFT層也受到可彎曲的影響,不僅是外力可對其産生破壞,還在于其它層的熱膨脹/收縮産生的力,以及它對濕度非常敏感。TFT層除了前文提到如今比較普遍的LTPS,OTFT(有機薄膜晶體管)對柔性面板而言也是某種備選方案。


像彎曲這樣的動作,尤其當彎曲半徑小到“對折”的程度,想象將一本書,沿著封面中間位置對折:對折後內圈的書頁和外圈的書頁的形變狀態就有差異。所有書頁爲了適應這種彎曲對折,整本書不同位置一定會産生不同程度的形變。屏幕也是多層結構,當然屏幕面板沒有書那麽厚,但面板各層材料、工藝都有差異,可形變、熱膨脹特性等都有差異。這會給折疊動作産生不小的阻礙。


不難想象,使用折疊屏手機時,折疊次數一多便很容易産生膜層分離、膜層滑移,甚至直接脆裂的問題——就像一本書對折後,不同書頁的位置關系與平整狀態下相比已經大不相同。于是折痕的問題便不難理解,即已産生的形變難以恢複——可能是表層材料無法恢複,也可能是其他層的材料。

 

在應對這樣的問題時,不同的面板制造商也有各自不同的解決方案。比如說鈍化結構加入緩沖層(BL)、無機防水層、粘合層(AIL)等。軟性的緩沖層能夠很大程度抵消彎折過程中産生的力,並且縮小彎曲半徑(如圖)。這是前些年台灣工業技術研究院就開始嘗試的方案。當然,這部分內容實際上已經和下文要提的封裝相關了。


今年3月份的柔宇發布會上,柔宇提到建立“智能力學仿真模型”,形成材料力學參數數據庫——不同材料層的各種參數,並對材料物理特性進行模擬,配合實驗對比。通過這個仿真模型中,就能找到更好的堆疊方案和材料選擇。

 

探索中的封裝技術

 

不過在折疊屏手機使用過程中,除了折疊動作本身帶來的破壞性,顯示、觸控故障很多時候又來自水、氧入侵面板內部,導致的嚴重問題。因爲有機材料很容易發生氧化和水解。所以對水氧的阻隔,對于柔性面板而言顯得尤爲重要。


這就涉及到封裝技術了——雖然本文的前一個段落也相關封裝,但前一部分的重點在針對折疊的“緩沖”,而這部分主要相關“隔離”和“延緩”。如前文所述,傳統OLED屏幕和柔性屏在封裝要求上存在很大差異,前者的形態是固定的,而且在應用于手機、電視這類終端産品後,面對的環境相對穩定;而後者由于柔性形態,封裝需要做到多方位的防護,尤其對于水氧的阻隔。


這也是很多已經在售的折疊屏手機,在使用過程中出現屏幕部分顯示區域失效的主要原因。至少就現狀來看,柔性面板的封裝技術似乎還沒有那麽成熟。


多層薄膜封裝是比較常見的方案:多層薄膜通常會將無機層和有機層交替疊加,每個有機/無機層堆疊構成一對;超過三對多層薄膜,則水氧阻隔性提升3-4個數量級,WVTR(水蒸氣透過量)也能相應提升;有機層越薄,形成統一均勻的層才越有利;與此同時這種有機/無機對不應超過5對。總的來說,實際表現還是要看材料和工藝。


三星采用一種名爲Barix的多層薄膜封裝技術——這是美國Vitex公司商用的一種技術,如今在柔性薄膜封裝上的應用還是比較廣泛的。Barix多層薄膜能夠很大程度滿足一些規格需求。Barix鍍膜的塑料薄膜還可用作透明基板。


不過Barix技術也面臨一些挑戰,比如早前存在濺射AlOx薄膜的一些固有缺陷。這種技術還要求面板進出沈積室多達6次,而且成本也是比較高的。氧化物沈積是整個流程中極大限制了速度的一個步驟——當然針對這一問題的技術開發也一直在持續中。在柔性OLED制造過程中,封裝成爲總體成本中占很大比例的組成部分。


即便有著10年以上的研發投入,初代折疊屏手機依然面臨各種各樣的問題。畢竟如今的折疊屏本身厚度要小于1mm,彎曲半徑也僅1.5mm。考慮其間包含晶體管、半導體材料、化學層、光學薄膜層,屏幕制造挑戰自然是可想而知的。另外還要在意可靠性問題:20萬次折疊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。


從偏終端産品的角度來看,折疊屏手機的轉軸所需投入的成本也是巨大的,另外還要加上手機內部的布局設計爲折疊屏做出的讓步,以及系統、軟件層面爲折疊形態做出的UI和功能開發。如今的折疊屏手機價格昂貴,自然容易理解。

一步步走向成熟

 

以上我們就把柔性屏如此脆弱的原因大致解釋清楚了。最後我們再來簡單談談消費用戶非常關心的,折疊屏的硬度問題:這裏的硬度指的實際上是屏幕最外層覆蓋材料的硬度。這個問題非常關乎用戶體驗,畢竟誰都不希望手機用了沒幾天,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。


無論如何,從折疊屏手機表層玻璃蓋板的這種叠代,觀衆一窺就不難發現折疊屏在技術層面仍有極大的完善和發展空間:但它正在走向成熟,是技術厚積薄發的某種體現。


針對柔性屏、折疊屏的市場前景,從來沒有一家分析機構質疑過其潛力。DSCC去年預計到2022年,可折疊OLED的出貨量會達到6300萬,2019年這個數字還是300萬,複合年增長率173%。預計2025年的市場規模爲80億美元。而技術的持續完善,促成折疊屏成本的進一步下降,再過1-2年,市面上的折疊屏手機大概就能以平價的姿態存在了,而且可靠性還會比現如今的折疊屏手機好得多,那個時候折疊屏時代才是真正的到來了。

 

*內容摘自電子工程專輯