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折叠手机弯曲技术超越极限

2019/11/1 9:51:42     

作者: KERRY CUNNINGHAM

应用材料公司显示屏柔性技术事业部产品营销经理

 

在移动电子设备上采用可弯折柔性显示屏,是多年来一直讨论的话题。今年,首批技术相对完善的折叠手机将推向市场。但与此同时,该技术仍面临很多尚待解决的问题和挑战。热衷尝鲜者极为欢迎有这种令人激动的新技术推出(图 1)。但是,站在行业整体角度来看,这仍然存在很多疑虑,什么样的手机设计才会赢得消费者的青睐呢?要拓展哪些新技术,克服哪些技术障碍才能实现大规模量产呢?

 

1. 折叠屏设备类型(图片来源,从左上顺时针依次为:Technobezzitechfuturemspoweruser、福布斯)

在发展折叠手机或其他折叠屏电子设备过程 中,有大量问题有待解决,包括电池续航、制造成本和价格等。当然,首要问题莫过于要使显示屏可承受频繁弯折,因为用户会在几年的使用时 间里频繁开合设备。本文将探讨上述所有问题。

电池续航

可折叠类平板手机(phone–tablet) 最酷的双显示屏都要耗电,也是影响电池续航的主要原因。4,380 mAh 典型电池容量的智能手机,电量一般可续航两天,当然具体还要取决于使用频率。但要运行一块7英寸以上的迷你平板显示屏,就需要更大的电量。另外,屏幕的开合操作以及屏幕间的切换也会耗电。因此,带给消费者的很可能是要么续航时间变短,要么因为配备大容量电池而变得更厚重的折叠手机。

外形因素

目前,智能手机市场呈现大屏幕、薄机身的趋势,随着OLED屏的采用和电池技术的进步,这种趋势也在进一步发展。但是,已经习惯轻薄手机的消费者是否愿意让口袋中的手机厚上一倍呢?

成本和价格

根据 OLED 显示屏成本模型 (OLED Display Cost Model),标准 7.3 英寸四倍高清分辨率 (QHD) OLED 显示屏,其成本为 35-50 美元,触摸屏组件 成本为 15 美元。相比之下,可折叠的 7.3 英寸宽屏四倍高清分辨率 (WQHD) OLED 折叠屏,其成本 70-100 美元,触摸屏组件成本为 25 美元。手 机触摸层和封装采用的特殊材料占上述增加的成 本中的大部分。

因工艺不成熟造成生产良率低,会进一步增加成本。智能手机标准OLED显示屏良率为 60– 70%,而可折叠 OLED 显示屏的良率不足 30%。此外,折叠屏移动设备今后是否受欢迎,大众是否乐 于使用,要揣摩消费者的真实想法着实不易。初始预测显示,虽然消费者对这类设备非常感兴趣 (图 2),但初期销量并不佳。这表明消费者对该技 术很有兴趣,但从零售层面来看却持观望态度。

 

2. OLED 折叠屏设备出货量预测。(资料来源:IHS Market

 

挑战弯折极限

目前,在屏幕弯折问题上并没有明确的解决方案,但应用材料公司正在开展大量研究工作,以最终解决这一问题。

折叠手机

可弯折的设备必须基于柔性 OLED 技术,因为标准 LCD 薄膜晶体管 (TFT) 无法承受重复性的弯折操 作。同样原因,屏幕基板必须采用聚酰亚胺材料,而非玻璃。

组成显示屏的整个薄膜叠层要具备超薄、高韧度 的特点,厚度(包括 OLED 器件在内)不超过 1.0mm 显示屏的各层包括:可折叠基板上的 TFT、覆盖 TFT 的绝缘层、绝缘层上的 OLED、基板上的封装层、与 封装层结合的柔性触摸屏面板、以及保持显示薄膜 光学特性的硬涂层膜,同时(可能)帮助屏幕抵抗 磨损、擦伤或撞击。屏幕弯折时,必须保证上述各 层的正常功能。

弯折这些薄膜叠层时,叠层中有个位置称为中轴 或中性曲面,此处应变力为零。找到中性曲面中显 示模块的位置,使之承受最小的应力和压力。

这一点很重要,向内弯折屏幕时,如果该显示模块承受过大的压应力,可能造成其屈曲和剥离;而过大的张应力则会导致其碎裂和剥离(图 3)。虽然 当显示屏各层薄膜单独弯曲时,可达到相对较小的弯曲半径 (小于5mm),然而当各层之间通过粘合力附着在一起并弯曲的情况下,机械应力在各粘合层间转移,因为夹合薄膜叠层中的压应力和张应力, 造成夹层剥离和屈曲。

因此,工程师对粘合进行改良,使粘合后的各薄膜层依然保持原有的独立机械性能,而不受相邻薄膜层的影响。其目的就在于,显示屏叠层弯曲时,防止各薄膜层剥离和屈曲,尤其当弯曲半径小于5mm 时。

 

3. 弯曲测试失败形式。(资料来源:Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials, Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015

 

付诸试验

应用材料公司的显示屏柔性技术 (DFT) 实验室 小组对聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 薄膜进行了薄膜封装测试,以评估该薄膜的可靠性,确定其作为空气和湿气阻隔材料,是否可保持其固有特性,充分保护 OLED 材料。

总临界应力目标 <1% 为一个杨氏模量函数,或 者说机械特性,它定义了材料压应力和张应力与基 板总厚度的关系(图 4)。

 

4. 可折叠基板临界应力公式。(资料来源:Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials, Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015

显示屏柔性技术事业部的工程师们测试了50μm PEN基板上的多层薄膜封装膜。这项测试包括在专门的弯曲 测试机器上,将基板以半径2.5mm 弯曲200,000 次(图 5)。初步结果显示,1% 的应力系数下没有 明显可见屏幕裂纹。

 

5. 弯曲测试条件和弯曲测试工具固定装置。(资料来源:应用材料公司显示屏柔性技术事业部)

 

然后,工程师们测试了PEN 薄膜,以确定在满足 1% 目标应力标准下,不同厚度的PEN 薄膜可达到的最小可弯曲半径。125μm PEN 基板弯曲半径可达到 6mm50μm 可达到 2.5mm15μm 可达到 1mm(图 6)。

6. 测试结果;1% 目标应力标准下,弯曲半径与 PEN 基板厚度的关系。(资料来源:应用材料公司显示屏柔性技术事业部)

弯曲测试之后,工程师们在 40° C 温度和 100% 相对湿度条件下,测量了150多个小时的水蒸气透过率 (WVTR)。测试结果达到了1.89E-5 g/m2/日的WVTR,这表明,OLED TFT 即便经过 200,000 次弯曲测试,仍能保证可靠的阻隔性能( 7)!

 

7. 弯曲测试后,阻隔薄膜的水蒸气透过率测试结果。(资料来源:应用材料公司显示屏柔性技术事业部)

 

另一主要问题:折痕

屏幕对折时会产生折痕,完全打开显示屏后,仍会看到它。目前,这种折痕无法避免,且短期内也没有完美的解决方案。目前尚不可知已经习惯于明亮高清显示屏的手机消费者,是否能接纳并不那么完美的折叠屏电子设备(参见图 8)。

8. 左侧的两张图片显示了折叠手机的屏幕折痕,右侧图片显示了因重复折叠造成的显示屏边框损坏。(资料来源:Phone Arena the Verge

与此相关的问题也必须要解决,在折痕处,显示屏边框会出现缝隙,会让异物进入显示屏,造 OLED 材料劣化,缩短设备的总寿命。

 

结论

克服技术难题,消费者对外形特征的接纳程度,降低成本,如何从高端市场细分市场,这些都将对这一新技术的市场推广起到重要作用。不过,折叠手机并非即将出现,而是已经到来,应用材料公司正协助客户,让这类产品由可能变成现实。

 

 

作者简介:

Kerry Cunningham 

应用材料公司

显示屏柔性技术事业部产品营销经理


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