也許在未來的某，人們可以“穿”著屏幕來彰顯自己的時(shí)尚品味。

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編者按：2019年，三星和華為都陸續(xù)發(fā)布了他們的款折疊屏手機(jī)，折疊屏幕終于從科幻電影走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，折疊屏幕已經(jīng)沒有那么新奇了，因?yàn)榭缮炜s屏幕正在向我們逐漸走來。本文翻譯自Fast Company，作者Huanyu Zhou, Tae-woo Lee，原文標(biāo)題：From Foldable Phones to Stretchy Screens。

半個(gè)世紀(jì)前，摩托羅拉展示了款手機(jī)，它有一塊磚頭那么大，卻只有磚頭的一半重。十年后，根據(jù)這款原型機(jī)，臺(tái)商用手機(jī)誕生了。雖然這款手機(jī)很笨拙，但它可以讓人做到一邊走動(dòng)一邊接打電話，在當(dāng)時(shí)是已經(jīng)非常轟動(dòng)了。從那時(shí)起，手機(jī)逐漸被賦予更多其他的功能?，F(xiàn)在的手機(jī)可以用來處理短信、瀏覽網(wǎng)頁、播放音樂、拍攝、看照片和視頻、地圖定位等等，這些應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了剛問世時(shí)人們對手機(jī)的想象。

智能手機(jī)很靈活，卻一直有一個(gè)“硬傷”:顯示器太小。為了擁有更大的屏幕，有些手機(jī)的個(gè)頭做得很大。但如果手機(jī)過大，就無法完全裝進(jìn)衣服口袋，這對很多人來說是難以接受的。

最顯而易見的解決方案就是讓屏幕像錢包一樣折疊起來。因此，屏幕折疊技術(shù)是首爾國立大學(xué)多年來的研究目標(biāo)之一。當(dāng)然，這同時(shí)也是手機(jī)制造商們的目標(biāo)。不過一直到前兩年這一技術(shù)才被推向市場。

帶折疊屏的手機(jī)數(shù)量無疑將激增，也許你的親朋或者你自己正打算買一個(gè)。當(dāng)你拿著折疊屏手機(jī)的時(shí)候，你肯定會(huì)想:這個(gè)顯示器是怎么彎曲成這樣的? 我們將在這篇文章中向你解釋這項(xiàng)技術(shù)背后的原理是什么，這樣，當(dāng)那個(gè)巨大的、閃耀著光芒的、靈巧的折疊屏手機(jī)（或更先進(jìn)的電子產(chǎn)品）被你裝進(jìn)口袋里時(shí)，你是有所準(zhǔn)備的。

近二十年來，研究人員一直在研究如何制造柔性顯示器，但在很長的一段時(shí)間內(nèi)它們只停留在研究階段。不過，2012年，Bill Liu和一些斯坦福大學(xué)工程專業(yè)的畢業(yè)生成立了柔宇公司(Royole Corp.)，開始將柔性顯示器商業(yè)化，目前在加州弗里蒙特和中國深圳都設(shè)有總部。

一本不為人知的書:2018年底，柔宇公司開發(fā)了帶有可彎曲顯示屏的商用智能手機(jī)FlexPai。圖片來源: ROBYN BECK/GETTY IMAGES

2018年底，柔宇推出了FlexPai，其柔性顯示屏可以讓產(chǎn)品展開成類似平板電腦的設(shè)備。該公司向人們演示了這款折疊屏可承受20萬次折疊的耐用度，而且它的彎曲半徑僅為3毫米，彎曲度也相當(dāng)小。不過，F(xiàn)lexPai更像是一款原型機(jī)而不是成熟的產(chǎn)品，但發(fā)表在The Verge雜志上的一篇評論依舊稱它“迷人得可怕”。

此后不久，全球更大的兩家智能手機(jī)制造商三星和華為也開始推出自己的折疊手機(jī)。三星移動(dòng)于2019年2月正式發(fā)布了Galaxy Fold。這款手機(jī)具有雙折疊顯示屏，彎曲半徑最小可達(dá)1毫米，并且可以與內(nèi)置顯示屏一起折疊。當(dāng)月，華為也發(fā)布了可折疊手機(jī)Mate X。Mate X折疊時(shí)厚度約為11mm，顯示屏與FlexPai一樣在外側(cè)，顯示屏彎曲半徑約為5毫米。今年2月，兩家公司都推出了第二款可折疊手機(jī):三星的Galaxy Z Flip和華為的Mate Xs/5G。

設(shè)計(jì)這些手機(jī)更具挑戰(zhàn)的部分是顯示屏的開發(fā)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要減少柔性顯示面板的厚度，使其在折疊時(shí)所承受的彎曲應(yīng)力最小化。智能手機(jī)行業(yè)在最近已經(jīng)找到了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法，三星顯示器和北京京東方科技集團(tuán)有限公司等面板供應(yīng)商目前正在量產(chǎn)可折疊顯示屏。

和傳統(tǒng)智能手機(jī)上的顯示器一樣，這些折疊屏也都是AMOLED（有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管）顯示器。不過這些公司使用的是一種薄而靈活的聚合物，而不是像通常那樣在堅(jiān)硬的玻璃基板上制造這些AMOLED。在柔性襯底的頂部是背板，這一層里包含了許多薄膜晶體管來控制單個(gè)像素，這些晶體管還包含一個(gè)緩沖層，可以防止顯示器彎曲時(shí)產(chǎn)生裂縫。

盡管用這種方法制作的柔性顯示器在手機(jī)和其他消費(fèi)品中越來越普遍，但適用于這些顯示器的標(biāo)準(zhǔn)，以及描述它們彎曲能力的語言，仍在成形過程中。這些顯示器目前大體可以根據(jù)承受彎曲時(shí)的曲率半徑來進(jìn)行劃分:“整合”是指顯示器不彎,“可彎曲”是指的中級水平的靈活性，而“折疊”則用來描述曲率半徑很小的屏幕。

因?yàn)槿魏尾牧?，無論是智能手機(jī)顯示屏還是鋼板，在彎曲時(shí)外部表面都處于張力狀態(tài)，而內(nèi)部此時(shí)則處于壓縮狀態(tài)，構(gòu)成顯示屏的電子元件必須抵抗這些應(yīng)力及其引起的相應(yīng)變形。最簡單的方法就是讓彎曲顯示器的外表面盡量靠近內(nèi)表面，從而更大限度地減少變形力，也就是說要讓設(shè)備變得非常薄。

為了使顯示器盡可能薄，設(shè)計(jì)師省略了通常放在顯示器頂部的保護(hù)膜和偏光器，以及這些部分之間的粘合劑。雖然去除這些元件會(huì)導(dǎo)致顯示質(zhì)量的下降，但保護(hù)膜和防反射偏振器都是AMOLED顯示器的可選組件，它們在內(nèi)部產(chǎn)生光，而不是像在液晶顯示器中那樣調(diào)整LED背光傳輸量。

柔性顯示器與傳統(tǒng)顯示器的另一個(gè)不同之處在于，傳統(tǒng)顯示器會(huì)有一個(gè)透明導(dǎo)電電極夾在發(fā)光有機(jī)材料中間，使像素發(fā)光。一般情況下，一層氧化銦錫(ITO)可以填補(bǔ)這一空缺。但I(xiàn)TO在張力作用下相當(dāng)脆弱，而且ITO不易粘附在柔性聚合物基片上，導(dǎo)致它在壓縮時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲和分層，因此它不能作為柔性顯示器的選擇。

十年前，研究人員解決了這個(gè)問題，他們找到了一些改善ITO和柔性基片之間粘合的策略。一種方法是先用氧等離子體處理襯底，然后在上面沉積ITO電極。另一種方法是在電極和基板之間插入一層薄金屬(如銀)。它還有助于將基片的頂部地放置在構(gòu)成顯示器的層餅中間，將易碎的界面與ITO層放在顯示器的機(jī)械中性平面上，使它在彎曲時(shí)既不會(huì)被壓縮也不會(huì)受張力。目前，制造可折疊顯示器的領(lǐng)先電子企業(yè)都在使用這一方式。

而更簡單的辦法是把ITO電極完全去掉。雖然這個(gè)方法在商業(yè)設(shè)備中還沒有實(shí)現(xiàn)，但這個(gè)方法很有吸引力。與對靈活性的追求無關(guān)，這個(gè)方法之所以如此吸引人是因?yàn)殂熂扔卸居职嘿F，所以如果不是必須的話，能不用就不用。幸運(yùn)的是，多年來，包括我們兩個(gè)人在內(nèi)的研究人員已經(jīng)想出了幾種其他材料，可以作為柔性顯示器的透明電極。

含有銀納米線的柔性薄膜可能是最有希望的候選者。這些極小的電線形成了一個(gè)網(wǎng)，既能導(dǎo)電，又能保持很大的透明度，通過將含有銀納米線的溶液應(yīng)用到基材上，就可以以類似報(bào)紙墨水的方式，低成本制備出這一層級。

大多數(shù)關(guān)于銀納米線的研究都集中在尋找降低單個(gè)線之間接點(diǎn)電阻的方法上。例如，你可以通過向納米線網(wǎng)格中添加某些其他材料來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：或者你可以在烤箱中加熱納米線層，或者通過發(fā)送足夠的電流，通過焦耳加熱來熔合納米線結(jié)：或者你也可以通過熱壓，等離子體，或者用非常明亮的閃光來融合結(jié)點(diǎn)。哪一種處理的方法更好在很大程度上取決于納米線所應(yīng)用的襯底的性質(zhì)。聚合物基質(zhì)，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET，許多透明塑料食品容器的材料)在加熱時(shí)容易變形，而聚酰亞胺對熱不太敏感，但它的顏色偏黃，會(huì)影響電極的透明度。

但在制造透明導(dǎo)電電極時(shí)，金屬納米線并不是可替代ITO的材料?？梢蕴娲牟牧线€有石墨烯，它是碳的一種形式，其原子呈二維蜂巢狀排列。石墨烯的導(dǎo)電性和光學(xué)透明度不如ITO，但它比目前正在考慮用于柔性顯示器的任何其他電極材料都更能承受彎曲。通過將石墨烯與導(dǎo)電聚合物結(jié)合，或在石墨烯中摻入少量硝酸或氯化金，石墨烯的導(dǎo)電性會(huì)有所改善。

還有一種是使用導(dǎo)電聚合物。最主要的例子是聚(3,4-乙二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽，它通常被簡稱為PEDOT:PSS。這種聚合物可以溶解在水中，使薄而透明的電極很容易通過印刷或旋轉(zhuǎn)涂層(一種類似于制造旋轉(zhuǎn)藝術(shù)的工業(yè)過程)的方式被制造出來。正確的化學(xué)添加劑可以顯著提高這種導(dǎo)電聚合物的薄膜彎曲甚至拉伸的能力。仔細(xì)選擇添加劑還可以在給定電流的條件下提高顯示器發(fā)出的光量，使它們比使用ITO電極制作的顯示器更亮。

到目前為止，用于手機(jī)、電腦和電視的有機(jī)LED顯示器主要是通過將基板置于真空中，蒸發(fā)任何添加到基板上的有機(jī)材料，然后使用金屬掩模來控制這些物質(zhì)的沉積位置來制作的，可以把它想象成一個(gè)高科技的模板操作。然而，那些有著非常精細(xì)圖案的金屬掩模很難制造，而且大部分應(yīng)用材料都被浪費(fèi)了，所以導(dǎo)致了大型顯示面板的成本驚人。

因此，制造這種顯示器的另一種有趣的選擇出現(xiàn)了:噴墨打印。你要把要用的有機(jī)材料溶解在一種溶劑中，然后噴射到需要形成許多像素的基材上，然后進(jìn)行后續(xù)的加熱步驟來清除任何殘留的溶劑。杜邦、默克、日產(chǎn)化學(xué)和住友都在采用這種策略，盡管這樣制作出來的設(shè)備的效率和可靠性仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所需水平，但如果有這些公司成功了，顯示器制造的成本會(huì)大大降低。

對于應(yīng)用于手機(jī)的小型顯示器制造商來說，比降低成本更重要的是降低能耗。有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)變得越來越耗電，隨著OLED行業(yè)的成熟，進(jìn)一步削減目前約6毫瓦/平方厘米(約40兆瓦/平方英寸)的功耗將變得越來越困難，而這種收益的下降對于可折疊手機(jī)來說尤其成問題，因?yàn)樗娘@示屏比普通手機(jī)大得多。因此，可以肯定的是，盡管你的可折疊手機(jī)非常小巧，但至少在短期內(nèi)，它必須配備一個(gè)特別大的電池。

在我們的智能手機(jī)可以折疊之后，柔性顯示器的下一步是什么?考慮到現(xiàn)在人們對手機(jī)的依賴程度，我們預(yù)計(jì)在不久的將來，人們將開始佩戴直接附著在皮膚上的顯示器。最初他們可以用來可視化各種生物特征數(shù)據(jù)，但毫無疑問，其他的應(yīng)用方式將會(huì)出現(xiàn)。也許有，這種可穿戴的顯示器將被用來表達(dá)高科技的時(shí)尚宣言。

當(dāng)然，用于制作這種顯示器的材料應(yīng)該足夠柔軟，這樣貼在皮膚上時(shí)才不會(huì)造成麻煩。更重要的是，它們必須具有延展性。然而，制造本質(zhì)上可伸縮的導(dǎo)體和半導(dǎo)體是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，幾年來，研究人員決定退而求其次:研究幾何可伸縮顯示器。這些電子元件包含剛性的但微小的電子元件，連接在可拉伸的基板上，并通過導(dǎo)電通道來連接，從而承受拉伸帶來的變形。

最近在開發(fā)具有本質(zhì)可拉伸性的顯示器方面取得了很大的進(jìn)展，這種顯示器的導(dǎo)體、半導(dǎo)體以及襯底都可以拉伸。當(dāng)然，這樣的顯示器需要一些新型材料，但更大的障礙是如何設(shè)計(jì)出可伸縮的材料來封裝這些設(shè)備，保護(hù)它們免受濕氣和氧氣的破壞。我們的研究團(tuán)隊(duì)最近在這方面取得了良好的進(jìn)展，成功開發(fā)了空氣穩(wěn)定、本質(zhì)上可伸縮的發(fā)光器件，不需要可伸縮的保護(hù)涂層，這些設(shè)備可以無損壞地被拉伸到正常長度的近兩倍。

如今，人們只制造了非常粗糙的可伸縮顯示器原型，它們只是提供了一個(gè)粗糙的發(fā)光元件網(wǎng)格。但業(yè)界對可伸縮顯示器的興趣是巨大的。今年6月，韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部指定LG Display來牽頭一個(gè)由產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)研究人員組成的聯(lián)盟，開發(fā)可伸縮顯示器。

只要?jiǎng)佑靡稽c(diǎn)想象力，你就可以想象未來會(huì)發(fā)生什么:運(yùn)動(dòng)員的手臂或腿上掛滿了生物識(shí)別顯示屏，我們的手掌上戴著智能手機(jī)，顯示屏整齊地懸掛在各種曲面上。那些現(xiàn)在正在努力開發(fā)這種未來顯示器的人，肯定會(huì)從多年來對今天的折疊手機(jī)屏的研究受益。毫無疑問，可彎曲的、甚至可伸縮的電子產(chǎn)品的時(shí)代即將到來。