折叠屏已经不新鲜了，明天你可能会用上“伸缩屏幕”！

出品｜大数据文摘微信

来源｜IEEEelectron

编译｜Hippo、朱科锦布局

将近半个世纪前，摩托罗拉推出了第一款手机的原型。它足足有一块砖那么大，重量也抵得上半块砖了。这个原型在十年后催生了第一台商用手机。它虽显笨拙，但却能容许一我的边走动边收发讯息，这在当时已是极为新潮。从那时起，手机逐渐得到许多其余功能。现在手机能够处理文本消息、浏览网页、播放音乐、拍摄（以及播放）照片和视频、地图定位以及无数其余应用，这些应用远远超出了人们最初的想象。
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尽管智能手机已经如此便捷灵活，却一直在竭力克服一个看上去最基本的问题：显示屏过小。诚然，一些电话已经作的比一般更大以提供更大的显示空间。可是若是手机作得过大以致于裤兜都没法容纳，这在不少人看来是不能接受的。
设计

显而易见的解决方案是使屏幕像钱包同样可以折叠。多年来，为此开发合适的技术一直是首尔国立大学（Seoul National University）研究人员的目标之一。对于智能手机制造商来讲这也是一个重要目标，近两年已经有一些厂商具有将该技术推向市场的能力。3d

毫无疑问，很快可折叠屏手机就会大量出现。你或你家人可能就会拥有一台，你确定会疑惑：显示屏在这种状况下怎么可能弯曲？咱们将在这里解释该技术的奥秘所在，这样当带有这种宽大明亮、灵活方便的显示屏出如今你身边时，你就不会不知所措了。本文甚至还会向你讲解一种更加劲爆的电子设备，它的屏幕不但可以弯曲甚至还能拉伸！视频

大约二十年前研究人员就已经开始致力于研究如何制做柔性屏，可是多年来仍然停留在科研项目阶段。在2012年终于有了起色，Bill Liu和其余斯坦福大学的工程专业毕业生着手创建柔宇科技有限公司（下简称柔宇，Royole Corp.，目前总部分别位于加利福尼亚的弗里蒙特和中国深圳），将柔性显示屏商业化。ip

▲ 就像一本合上的书：2018年末，柔宇开发了第一款配置可弯曲显示屏的商用智能手机FlexPai，屏幕折叠后依然正常显示。开发

在2018年底，柔宇推出了FlexPai，其灵活的屏幕使该设备能够展开成相似于平板电脑的装置。这种可折叠的显示屏能够承受200,000次弯折，其最低弯折半径仅为3毫米。可是相对于成熟产品来讲，FlexPai手机更像是原型。发表在The Verge上的一篇评论称它“既惊艳又有缺憾”。get

此后不久，全球最大的两家智能手机制造商三星和华为也推出了本身的可折叠机型。三星于2019年2月正式对外宣布其Galaxy Fold它配置了双面可折叠显示屏，其弯折半径能够达到1 mm，机身向内折叠后可用机身外部屏幕显示。当月晚些时候，华为也发布了首款可折叠智能手机MateX。Mate X折叠后约11毫米厚，其显示屏在外侧（和FlexPai的屏幕同样），这意味着显示屏的曲折半径约为5毫米。今年2月，这两家公司又都推出了第二代可折叠机型：三星的Galaxy Z Flip和华为的Mate Xs / 5G。

固然，对这些手机进行工程设计时最具挑战性的部分是开发屏幕自己。关键是要减少柔性显示面板的厚度，以最小化折叠时所承受的弯曲应力。行业刚刚找到解决方案，像三星显示和京东方科技集团等面板供应商就已经实现了可折叠屏幕的量产。

像在传统智能手机同样，这些屏幕都属于有源矩阵有机发光二极管显示屏。可是，这些公司没有像一般那样在刚性玻璃基板上制造这些AMOLED，而是使用了纤薄柔软的聚合物。在该柔性基板的顶部是底板，该底板包含不少控制单个像素所需的薄膜晶体管。这些晶体管带有缓冲层，能够防止显示屏弯曲时造成裂纹。

尽管按照这些思路构造的柔性屏在电话和其余电子产品中正迅速变得愈来愈广泛，但适用于这些屏幕的标准以及描述其弯曲能力的术语仍在造成中。至少这些显示屏能够根据其弯曲时可以承受的曲折半径来大体表征：“合格”是指曲折程度不那么紧密的显示屏，“可卷曲”是指具备中等柔韧性，“可折叠显示器”表明曲折半径极小。

因为任何材料（不管是智能手机显示屏仍是钢板）在弯折的外表面上都会受到拉力，而在内部则受到压缩，所以构成显示屏的电子组件必须抵抗这些应力和它们引发的相应变形。最简单的方法是使柔性屏的外表面更靠近内表面，从而最大程度地减少这些形状变化力，也就是说把设备作的很是薄。

为了使显示屏尽量薄，设计师省略了一般位于顶部的保护膜和偏光片以及在这些层之间施加的粘合剂。虽然去除这些元素并不理想，但因为从内部发光，而不是像在液晶屏中那样改变从LED背光源透射的光量，保护膜和减反射偏光片只是AMOLED显示屏的可选组件。

柔性显示屏和常规显示屏的另外一个区别与透明导电电极有关，该透明导电电极将使像素发光的发光有机材料夹在中间。一般，氧化铟锡（ITO）层可起到这一做用。可是，ITO在张力做用下很是脆，这使其很难成为柔性屏的上佳选择。更糟的是，ITO每每没法很好地粘附到柔性聚合物基板上，致使其在压缩时发生弯曲和分层。

与这个问题斗争了十多年的研究人员发现了几种提升ITO与柔性基板之间粘协力的策略。一种方法是在顶部沉积ITO电极以前，用氧等离子体处理衬底；另外一方法是在电极和基板之间插入一薄层金属（例如银），这样还有助于将基板的顶部放置在构成显示屏夹层的正中间。这种布局将易碎的界面与ITO层放置在显示屏的机械中性面上，弯曲时既不压缩也不拉紧。当前，处于领先地位的电子公司制造可折叠屏时用的就是这种策略。

更简单的是，你能够彻底摆脱ITO电极。虽然这尚未在商业设备中实现，但这种策略颇有吸引力，尽管这种吸引力并非来源于对灵活性的渴望。铟既有毒又昂贵，因此若是不是非用不可，你真的不想用它。幸运的是，这些年来，包括咱们两个在内的研究人员已经发现了其余几种能够做为柔性显示器的透明电极的材料。

一种含有银的纳米线柔性薄膜多是最有前途的候选材料。这些极其细小的金属丝造成了一个能够导电而且基本保持透明的网状物。经过将含有银的纳米线的溶液以相似于在新闻纸上印刷油墨的方式涂抹在基材上，就能够低成本地制做出一层这样的薄膜。

▲ 折叠的世界：2019年，

华为推出了一系列柔性显示屏的手机。

这里展现的是该公司的Mate Xs。

对银的纳米线的大部分研究都集中在寻找下降单个导线之间结点的电阻的方法上。其中一个方法是经过在纳米线网中添加某些其余材料。或者你能够经过在烤箱中加热纳米线层，或者经过焦耳加热送入足够的电流使纳米线结点熔合，对纳米线层进行物理处理。或者能够经过热压、等离子体或用很是明亮的闪光照射来处理纳米线，使其结点熔合。

然而哪一种方法最好在很大程度上取决于纳米线的基材的性质。聚合物基底，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，许多透明塑料食品容器都是由这种材料制成的），在加热时容易大幅度变形。聚酰亚胺对热敏感度较低，但它的颜色偏黄，会影响以这种方式建立的电极的透明度。

但在建立透明导电电极时，金属纳米线并非惟一可能替代ITO的材料。另外一种候选材料是石墨烯，一种碳的形式，其中的原子以二维蜂巢模式排列。石墨烯的超强导电性和光学透明度还不能与ITO相提并论，但它比如今用于柔性显示器的其余候选电极材料更能承受弯曲。石墨烯的导电性不足的问题能够经过与导电聚合物结合或掺入少许硝酸或氯化金来改善。

还有一种可能性是使用导电聚合物。例如聚3,4-乙氧基噻吩：聚苯乙烯磺酸，也被称为PEDOT:PSS。这种聚合物能够溶解在水中，从而能够经过印刷或旋涂（一种相似于制做旋涂艺术的工业工艺）轻松制造出薄而透明的电极。正确的化学添加剂能够显著提升这种导电聚合物薄膜的弯曲甚至拉伸能力。精心选择添加剂还能够提升显示器在给定电流下的发光量，使其比使用ITO电极制造的显示器更亮。

到目前为止，手机、电脑显示器和电视机中使用的有机LED显示屏主要是经过将基板置于真空状态下，蒸发任何你想添加到其中的有机材料，而后使用金属膜来控制这些物质的沉积位置来制造的。你能够把它当作是一种高科技的模板操做。不过那些带有很是精细图案的金属膜很难制造，并且不少应用材料都被浪费了，这些致使了大型显示面板的高成本。

不过，如今已经出现了一种有趣的替代方法：喷墨打印。为此，你要把应用的有机材料溶解在溶剂中，而后喷射到须要造成许多像素的基材上，接着进行后续的加热步骤来驱除任何残留的溶剂。杜邦公司（DuPont）、默克公司（Merck）、尼桑化学公司（Nissan Chemical Corp）和住友公司（Sumitomo）都在研究这种方法。尽管生产设备的效率和可靠性仍然远远低于所需。但若是有一天这些公司成功了，显示器的制形成本应该会大大下降。

▲ 互相竞争的折叠手机：三星也在2019年推出了本身的柔性显示屏手机系列。这里展现的是该公司的Galaxy Fold。

对于智能手机用小型显示器的制造商来讲，比下降成本更优先的是要下降功耗。有机LED（OLED）的耗电量愈来愈小，OLED产业愈加成熟，就越难从目前每平方厘米约6毫瓦（每平方英寸约40毫瓦）的数值上进一步缩减功耗。这对于可折叠手机来讲，是一个更大的问题，由于可折叠手机拥有比普通手机大得多的显示屏。所以，能够确定的是，至少短时间内，你小巧的可折叠手机都将拥有一个特别巨大的电池。

在柔性显示器容许咱们的智能手机折叠后，下一步是什么？考虑到如今人们对手机的依赖程度，咱们预计在不远的未来，人们将开始佩戴直接贴在皮肤上的显示屏。他们最初可能会用这些设备来可视化各类生物识别数据，但毫无疑问其余应用会出现。也许有一天，这种可穿戴式显示器将仅仅成为一个高科技的时尚配饰。

固然，制做这种显示屏的材料应该足够柔软，不会在贴在皮肤上时形成困扰。更重要的是，它们必须是可拉伸的。不过，制造本质上可拉伸的导体和半导体是一个巨大的挑战。所以，几年来，研究人员一直在探索替代品：几何学上可拉伸的显示器。这些显示器将刚性但微小的电子元件链接在可拉伸的基板上，并经过可承受拉伸变形的导电通路链接。

不过，最近在开发本性可拉伸显示器方面取得了进展 —— 在这种显示器中，导体、半导体和基底均可以被拉伸。固然，这种显示器须要一些新型材料，但最大的障碍多是如何设计出可拉伸的材料来封装这些设备，并保护它们免受湿气和氧气的破坏性影响。咱们的研究团队最近在这方面取得了良好的进展，成功地开发出了不须要可拉伸保护涂层的空气稳定、本性可拉伸的发光器件。这些器件能够被拉伸到接近正常长度的两倍而不会失效。

目前为止，只有很是粗糙的可拉伸显示器原型被制造了出来，这些原型只是提供了一个粗糙的发光元件网格。但业界对可拉伸显示器的兴趣是巨大的。今年6月，韩国贸易，工业和能源部指派LG Display领导一个由工业和学术研究人员组成的联盟以开发可拉伸显示器。

只要稍加想象，你就能看到将来的发展：运动员的手臂或腿上贴着生物识别显示器，咱们戴在手掌上的智能手机，以及可顺势垂挂在各类曲面上的显示器。如今正在努力开发这种将来显示器的人，确定会从多年来为创造今天的智能手机可折叠显示器所作的研究中受益。毫无疑问，不只可弯曲，还可拉伸的电子产品的时代很快就会到来。