智能终端折叠技术难点及问题分析

周志伟

（维沃移动通信有限公司 广东省东莞市 523003）

1 引言

自1973年摩托罗拉推出历史上第一款真正意义上的移动电话以来，手机作为近50年以来最伟大的发明之一，深彻地改变了人类社会的通信方式，极大拉近了信息交互的时空距离，甚至从一定程度上急剧加速了纸质媒体时代向电子网络时代的跨越，催熟了由计算机引领并光大于手机通信的互联网、大数据、云计算的万亿市场。受限于早期的技术、工艺以及电子元器件体积问题，初期的移动电话主要是以“大哥大”为代表的一类产品，其重量与体积均十分庞大，而且价格十分昂贵，普及率非常低。随着大规模集成电路、超大规模集成电路不断取得技术突破，PCB布板技术与工艺的进步，以及电子元器件的微型化和密集化发展，使得移动电话得以不断实现小型化与轻便化，为后续的功能机与智能机的普及奠定了有力的基础。尤其，以苹果公司为代表，不断推出大屏幕系列产品，直接颠覆了人类对于手机通信的认知，人机交互的大屏幕时代与智能时代快速到来[1]。

经过近10年的高速发展，手机、平板电脑等智能终端的屏幕尺寸不断经历着由直板大屏到全面屏的快速增加的过程，其屏占比不断刷新至目前的90%以上，并由此衍生出的“刘海屏”、“极点屏”、“瀑布屏”、“水滴屏”以及对应的屏下指纹技术、屏下摄像头技术、屏下打孔技术等相关技术。与此同时，各类显示屏也由最初的720P不断向FHD、WQHD、2K、4K等高分辨率、高PPI等方向前进，以满足消费者对显示屏高清、超高清、蓝光等不同清晰度的要求。尽管如此，消费者对以智能手机为代表的智能终端的功能需求绝不仅仅局限于日常的通讯，还希望能在同一个终端产品上实现超大屏幕的视频浏览、游戏娱乐，显然，上述各种类型的显示屏尺寸无法完全满足人们的使用需求。鉴于此，未来显示屏在保证高清晰度的同时，其尺寸必然会越做越大，值得说明的是，受限于人类自身手掌的大小，目前智能手机约90%的屏占比已近乎达到了二维形态极致，因此，三维折叠形态的智能终端自然应运而生[2]。

截至目前，三星、华为等一线大厂已发布了多款智能终端折叠产品，在当前外观同质化非常严重的智能手机领域，其酷炫的外表以及十足的科技感给市场带来了一场热烈的讨论，并引领了一轮涵盖材料科学、光学、电学、力学、色度学、半导体器件以及配套的工程自动化全新的技术革命。尽管折叠产品引起了广泛的市场关注，但其引发的市场口碑也褒贬不一，究其原因，主要包括以下几点：其一，技术瓶颈点较多，诸如：铰链的耐久性、有机膜材的抗疲劳特性、无机材料的耐弯折特性、封装破损引起发光材料失效、弯折后驱动电路的器件电性漂移而引起色偏等等，都会导致其可靠性难以全面保证；其二，成本太高，由于智能终端所采用的折叠屏上游原材料大多进口，成本非常昂贵，再加上几十道制备工艺引发的良率问题又进一步拉大了制造成本，因此，一款折叠手机售价往往动辄万元以上，极少有消费者愿意为此买单；在本文中，主要针对AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode)折叠屏中存在的技术难点以及当前解决方案或其发展方向进行探讨。

2 智能终端折叠技术难点

实现智能终端完美弯折的技术难点，最主要体现在两个方面，其一，一块能够不断弯折的柔性显示设备，其二，辅助屏幕实现耐久性折叠的结构。首先，对于折叠屏就有非常多的技术难点需要克服。折叠屏是一种基于主动式有机发光二极管（AMOLED）为技术原理的柔性显示，是一种全新的产品外观形态，面对极其复杂的应用场景与运动环境，相比于非折叠的AMOLED屏幕，折叠屏对各种有机膜材、无机膜材、金属膜材、粘弹性材料的光电特性与力学特性都提出了更深层次的要求，并产生了诸多难以完全克服的瓶颈点，代表了当前面板行业乃至显示领域内对各种材料应用的最高技术水平[3]。

2.1 材料性能问题

AMOLED作为可折叠的柔性显示屏，有诸多技术障碍需要克服。首当其冲的就是各类材料的光学、电学、力学性能相匹配问题。AMOLED是在仅有数十微米厚的聚酰亚胺薄膜（PI）上通过化学气相沉积（CVD）的方式进行数十层无机薄膜与金属薄膜的制备，通过涂布的方式进行数十层有机薄膜的制备，在这些不同的金属膜层、有机膜层与无机膜层的制备过程中，又伴随着图形化的要求，一般会通过掩膜板进行曝光、显影、刻蚀等半导体制备工艺形成几百万甚至是上千万个薄膜晶体管的逻辑控制电路及其旁路。显然，基于图1的控制电路部分简易原理图可知，该部分包含高杨氏模量的金属钼以及SiNx/SiO2等脆性无机膜层，在数十万次乃至二十万次的高频弯折过程中，极易从材料本征缺陷处或者工艺造成的缺陷处产生微裂纹的不断扩展，最终导致逻辑电路的断裂而引起控制异常。更为常见的是，当数量众多的晶体管在不断弯折下，MOS管不断累积应力导致器件的电特性出现异常，诸如：阈值电压Vth漂移，关断电流Ioff增大而出现漏电流等等，又进一步导致画面显示不均[4]。

图1：AMOLED屏驱动电路部分、发光层部分以及薄膜封装部分原理简图

其次，AMOLED是通过三重态的磷光发光与单重态的荧光发光实现有机材料的电致发光，这类发光材料对环境中的水汽与氧气非常敏感，极易因水氧入侵发生猝灭而导致大面积黑斑，一般要求环境的湿度小于10-6以上，因此必须采用SiNx/SiO2等针孔极小的无机膜层作为封装层。与此同时，不管是屏幕内弯或者外弯，总有一部分无机膜层与金属膜层偏离中性层距离较远而受到较大的拉应力或者压应力，进一步增大了材料开裂的风险（如图2所示）。

图2：AMOLED无模组结构在不同弯折状态下的受力情况示意图

再次，由于薄膜封装后的显示屏需要进一步完成模组工艺后才能正常使用，而在模组阶段需要大量使用2-3层具有粘弹性的OCA（Optically Clear Adhesive）光学胶，这些胶材在经历多次弯折后，其弹性显著降低，黏性显著增大，导致OCA在弯折轴线附近出现不同程度的隆起，造成显示屏平整度的降低，更为严重的是，OCA的隆起会影响自发光材料的光线出光率，导致弯折区与非弯折区的亮度出现差异。与此同时，模组阶段中，还有其他有机膜材，诸如：偏光片（POL），背底膜（BF, back film）等等，尽管有机膜材具备非常好的柔韧性，但是其抗疲劳特性非常差，高频弯折后，这些有机膜层会出现塑性变形而在弯折区产生不同程度的银纹，进一步影响出光率，造成色不均与亮度不均等问题。

显然，尽管上述材料在其中某一项性能指标上都非常优异，但是要满足二十万次的弯折后，仍然能兼顾材料的强度与柔韧性，保持材料的抗疲劳特性与抗冷热冲击特性是非常困难的，尤其是随着弯折半径的不断减小以及环境温度的不同（比如：在冬季的东北地区或者在夏季的南方地区使用），就使得当前的各种材料更加难以满足严苛的要求。

2.2 模组弯折问题

折叠屏在全模组状态下，其模组结构是非常复杂的，通常有数十道膜层通过各种胶材进行贴合固定，对于平铺状态下，并不会出现什么问题，但是，一旦对其进行弯折，距离中性层不同位置的膜层分别会受到拉应力与压应力的作用而出现材料的拉伸与压缩，如图3所示。显然，由于不同膜材之间的形变量是不同的，导致不同膜层之间会出现不同程度的滑移现象，造成膜层间的撕离力显著增大，尤其是当胶材经过上万次的拉压后，其理化性质会出现严重变化，导致膜层开裂，显示出现异常。

图3：AMOLED模组状态弯折膜层滑移示意图

与此同时，作为与虚拟世界进行信息交互的媒介，人们需要通过一定的信息输入方式来给智能终端发送指令，人机交互的信息输入方式从键盘、鼠标、触控、声控不断发生着变化，而折叠屏在人机交互的方式中主要采用的是手指触控或者笔触控等方式。显然，不管是折叠屏与否，必然要求智能手机等终端产品的最外层盖板具有良好的硬度以及耐摩擦性能，一方面保证人们在使用过程中不至于因为高频次的滑动产生盖板磨损，另一方面防止人们因操作失误导致跌落而导致产品失效，是产品可靠性的保证。与其他屏幕有显著差异的是，折叠屏不仅仅要考虑屏幕的耐摩擦性能与硬度性能，同时还要兼顾良好的柔韧性以便完成折叠，这对盖板提出了全新的使用要求。

2.3 智能终端折叠机构问题

众所周知，一款折叠手机，除了一块完美的柔性屏之外，还需要辅助屏幕弯折并实现回弹的机构，该机构的设计优劣在很大程度上决定了折叠屏摊开后的平整度，并有效弱化折叠屏的折痕，进而增加折叠屏的使用寿命。目前，关于折叠机构的设计方案几乎都采用了铰链的设计方式，其原理就是利用铰链的链条沿着导轨转动进而拉动其他元器件做整体运动，在屏幕闭合时，铰链拉着屏幕使其整体长度拉长，进而缓慢变形，形成水滴状或者半圆状，当屏幕缓慢展开时，铰链转轴又从水滴状或者半圆状慢慢变形缩短，进而使屏幕平摊成为平面。实际上，要想设计开发一款优异的铰链是非常困难的，因为它不仅仅与其结构设计相关，还与加工精度以及配合精度相关，其中任何一个环节出问题都会导致屏幕开合时出现凸起与明显的折痕。

铰链加工中的难点主要包括以下几点：

（1）成型工艺复杂；

（2）精度要求极高；

（3）后续喷丸抛光处理工艺复杂；

（4）铰链组装工序繁多，公差累计偏位大。

与此同时，由于屏幕折叠过程中对铰链的回转精度以及铰链的摩擦系数等参数都要求极高，甚至，由于过于精密，铰链在长时间使用中的落灰、异物等都可能造成机构的故障。

3 折叠屏发展趋势

针对上述折叠屏中存在的诸多技术难点，各大面板厂与终端厂纷纷采取了不同的技术手段，对其中的一些技术难点进行克服改善，取得了较好的效果，但如果从长远来看，随着基础学科的进步，折叠屏中现存的问题依旧有较大空间做根本性的优化。

首先，对于材料性能问题。相比于非折叠屏，折叠屏中对材料最大的挑战主要是因为外部力学的作用引起各类材料的一系列失效，一般而言，针对此类由应力引起的问题主要是从降低应力的方向去做改善。比如，通过在无机膜层中设计一些应力松弛结构来减小应力集中，进而提高材料的耐弯折性能[5]。同时，鉴于折叠屏中无机材料本征缺陷引起的缺陷并在外力作用下发生裂纹扩展的事实，也可通过在裂纹起始的位置设计一些阻挡裂纹扩展的结构。若从材料本身的角度出发，可以通过对脆性材料进行一系列的显微结构改善与增韧处理，进而增强脆性材料的韧性，提高其耐弯折性能。更进一步地，随着材料科学的进步以及高分子材料的发展，导电聚合物是替换高弹性模量的金属线路的理想替代物。主要是因为：第一，由于聚合物基本都是由碳氢氧等具有长链状的分子聚合而成，具有十分优异的弹塑性，完全可以满足折叠屏高频率、小半径的弯折需求；第二，高分子导电聚合物是一类具有导电功能的材料（包括半导电性、金属导电性和超导电性），且其导电能力可根据掺杂进行调整，进而实现导电与绝缘。因此，通过利用高分子导电聚合物的性能优势，将AMOLED中较为硬、脆的金属走线与无机膜层换成具有优异耐弯折性能以及优良导电性能与电绝缘性能的高分子导电聚合物，完全有希望实现全柔性AMOLED屏在高频率、小半径等极限弯折条件下而不出现线路断裂、亮线、暗线等缺陷，引领未来显示行业的又一次概念革新。

其次，对于模组弯折问题，总而言之，大体方向是朝着模组厚度减薄的方向进行。对于模组各膜层之间弯折产生滑移的现象，其主要思路是通过不断减薄各膜层的厚度进而降低整个模组的厚度，显然，总厚度与单层厚度均下降了，在弯折中相比较更厚的模组而言，偏离中性层最远的膜层变形量会大大下降，就好比一本薄的书与一本厚的书进行弯折，更薄的书折叠后封面的滑移量肯定是小于更厚的书的滑移量。与此同时，模组厚度越小就越容易变形弯折，对铰链的要求也会相应的降低。对于盖板的硬度与柔韧性兼顾问题，其大体思路也是通过减薄刚性材料并搭配柔性材料组合成复合膜层来实现。我们知道玻璃盖板是属于硬度高、耐摩擦的脆性材料，但其缺点是韧性太差，常规的玻璃根本无法弯折，鉴于此，解决该问题的主要方式就是通过制备几十微米厚度的超薄玻璃，并将其黏附在柔韧性优异的有机膜材上，在满足盖板耐摩擦的要求下，又能实现弯折[6]。

再次，对于折叠屏的弯折机构问题，其具体发展方向主要是采用水滴形铰链设计，通过多维相控联动机制，在弯折变形处形成一个水滴式的容屏空间，屏幕中间只是弯曲并不是完全折叠，该设计使得屏幕可以缓慢进入一个变形区，而不是发生突变，因此在实现折叠的同时又保证了展开后屏幕的平整性。与此同时，由于该水滴形机构的设计，仅仅是将屏幕进行变形弯曲，而不是直接沿着弯折轴线进行折叠，因此，经过数十万次弯折后，模组材料也不容易发生塑性变形而产生折痕、银纹等失效。为了更好地解决折痕问题，当前的铰链设计往往还会引入两片弹片，一方面，当屏幕折叠后会压住机框内部的两根金属弹片而不影响屏幕的闭合，另一方面，当屏幕展开时，得益于两片弹片的弹性并配合铰链的转轴形成有效的支撑面，大大减轻了折叠后屏幕的折痕影响。

4 小结

基于上述讨论分析，具备折叠形态的智能终端，其难点主要集中在两个方面，其一是折叠屏幕本身，其二是辅助屏幕弯折的铰链结构。对于这两大方面问题中出现的诸多技术难点，其改善方向主要包括显示屏内部的抗弯折结构设计、材料本征的显微增韧、折叠屏幕的整体厚度减薄、“刚柔并济”采用复合膜层方案以及机构的设计改善等几个方面，为后续不同弯折形态的产品开发（如：卷轴屏）与技术研究提供借鉴。