能屈能伸的显示屏

半个世纪前，摩托罗拉展示了第一款手持移动电话。它有一块砖头那么大，但重量是砖的一半。10年后，这个原型孵化出了第一款商用手机。这款手机看起来也很笨拙，但能在用它接打电话时四处走动，这在当时是一件非常新奇的事情。以后，手机拥有了许多其他功能。现在，它们能够处理短信、浏览网页、播放音乐、拍摄和显示照片与视频、在地图上定位，还拥有数不清的其他用途，应用范围远远超出了首次推出手机时所有人的想象。

不过，智能手机虽然很灵活，却一直有难以克服的基本缺点：屏幕很小。当然，有些手机已经做得比正常尺寸大了，以提供更多的显示画面。但是如果手机太大，口袋里放不下，对很多人是不适用的。

显而易见的解决办法是让显示屏像钱包一样折叠起来。多年来，为此开发出合适的技术一直是韩国国立首尔大学研究人员的目标之一，也是智能手机制造商的一个目标。近一两年来，他们已经有能力将这项技术推向市场。

不久以后，屏幕可折叠的手机数量肯定会激增。你或你的家人可能会有一部，这时你肯定会想：为什么屏幕能弯曲成那样？我们想在这里向你解释一下这项技术，这样你就能够提前做好心理准备了，因为以后，你的口袋里一定会装着一部明亮的大显示屏柔性手机，甚至是屏幕可伸展也可弯曲的全新电子设备。

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近20年来，研究人员一直在认真研究如何制作柔性屏。但多年来，他们只是停留在研究项目阶段。2012年，刘自鸿和斯坦福大学工程系的另外几个毕业生成立了柔宇科技（目前总部位于美国加州弗里蒙特和中国深圳），开始了柔性显示屏的商业化。

2018年末，柔宇推出了柔派手机，其柔性显示屏使设备展开后像一台平板电脑。经该公司验证，这款可折叠屏能够经受20万次大幅度弯折，弯折曲率半径仅3毫米。但柔派手机更像是一款原型机，而非一款成熟的产品。比如，发表在The Verge网站上的一篇评论认为它“迷人却很糟糕”。

不久之后，全球两大智能手机制造商三星和华为开始推出自己的折叠机型。2019年2月，三星移动正式宣布推出Galaxy Fold。它的特点是双折叠显示屏，曲率半径小到1毫米，使手机屏幕可以向内折叠。当月晚些时候，华为发布了其首款可折叠智能手机Mate X。折叠后，Mate X的厚度约为11毫米，其显示屏（类似柔派的屏幕）可向外折叠，这意味着屏幕的弯曲半径约为5毫米。2020年2月，这两家公司各自推出了它们的第二款可折叠机型：三星Galaxy Z Flip和华为Mate Xs/5G。

制造这些手机最具挑战性的部分当然是研发屏幕。关键在于如何减小柔性显示屏的厚度，使屏幕在折叠时承受的弯曲应力最小。智能手机行业刚刚能够做到这一点，三星显示器公司和北京的京东方科技集团等面板供应商正在大规模生产可折叠显示屏。

与传统智能手机一样，这些屏幕都是有源矩阵有机发光二极体（AMOLED）显示屏，简称“AMOLED屏”。但这些AMOLED屏并不是像通常那样制造在坚硬的玻璃基层上，而是使用了一种薄而柔韧的聚合物。柔性基层的上层是背板，背板层包含许多控制单个像素所需的薄膜晶体管。这些晶体管含有一个缓冲层，可以防止屏幕在弯折时破裂。

虽然以这些方法制造的柔性显示屏在手机和其他消费品中越来越普遍，但适用这些显示屏的标准，以及如何描述其弯折能力，则可以说仍然在成形过程中。可以根据弯折时所能承受的曲率半径对这些显示屏进行大致划分：“曲面屏”是指弯折幅度不那么大的显示屏，“卷曲屏”是指具有中等柔韧性的显示屏，“折叠屏”是指那些具有很小曲率半径的屏幕。

无论是智能手机屏幕还是钢板，任何材料在弯折时外表面都处于张力状态，而内表面则处于压缩状态，因此组成显示屏的电子元件必须能够抵抗这些应力以及它们所引起的相应变形。减小这些变形力的最简单的办法是使柔性显示屏的外表面靠近内表面，也就是说使设备变得非常薄。

为了使显示屏尽可能薄，设计者省略了通常放置于上层的保护膜和偏振片，以及在这些层之间应用的粘合剂。不过，去除这些元件并不理想，保护膜和抗反射偏振片都是AMOLED屏的可选组件，AMOLED显示屏是从内部产生光，而不是像液晶显示屏那样只是改变LED背光灯透光量。

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柔性显示屏与传统显示屏的另一个区别在于夹在发光有机材料中间、使像素发光的透明导电电极。通常由一层氧化铟锡（ITO）来充当这个角色。但氧化铟锡在张力下非常脆弱，不适合选用于制作柔性屏。更糟糕的是，氧化铟锡不容易粘附在柔性聚合物基层上，受到压缩时会发生屈曲和分层。

10年前，致力于解决这个问题的研究人员发现了改进氧化铟锡与柔性基层粘附的几项策略。一种办法是先用氧等离子体处理基层，然后再在上面沉积氧化铟锡电极。另一种办法是在电极和基层之间插入一层薄薄的金属（如银）。这也有助于将基层的顶部放置在显示屏多层饼的正中间。这种摆放方式将氧化铟锡层的脆弱界面置于显示屏的机械中性面上，当弯曲时，它既不会受到压力也不会受到张力。目前，制造可折叠显示屏的一流电子公司都采用这种策略。

更简单的办法是，你可以完全抛掉氧化铟锡电极。这还没有在商业设备上实现，但这种策略有吸引力的原因与柔性无关。我们知道，铟有毒又昂贵，所以如果不是必须要用，真的不想用它。幸运的是，经过多年研究，研究人员（包括两位作者在内）已经找到了可作为柔性屏透明电极的其他几种材料。

含银纳米线的柔性薄膜可能是最有希望的候选材料。这些几乎不可见的细线可形成一个透明的导电网。准备这层的成本很低。可用类似于油墨印刷报纸的方式将含有银纳米线的溶液涂于基层。

大多数关于银纳米线的研究都集中在寻找方法降低单线接头的电阻上。例如，可以在纳米线网中添加某些其他材料；或者用设备加热纳米线层或者发送强大的电流，利用焦耳热来熔化纳米线连头；还可以通过热压、用等离子或非常明亮的闪光照射来熔化这些接头。至于哪一种处理方法最佳，很大程度上取决于敷涂纳米线的基层性质。聚合物基层，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，许多透明塑料食品容器是用这种材料制成）在加热时易产生不确定的大范围变形。聚酰亚胺对热不太敏感，但它呈淡黄色，会影响以这种方式产生的电极的透明度。

但金属纳米线不是唯一能代替氧化铟锡制造透明导电电极的材料。另一种是石墨烯，它是碳的一种形式，其原子排列成二维蜂窝状。虽然石墨烯没有氧化铟锡那么卓越的导电性和光透性，但它比目前考虑用于柔性屏的任何其他电极材料都能更好地承受弯曲。改进石墨烯导电性的方法有结合导电聚合物，以及掺杂少量硝酸或氯化金。

还有一种办法是使用导电聚合物。最主要的例子是聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐，通常简称为PEDOT:PSS。这种聚合物可以溶解在水里，这样就可以通过印刷或旋涂（一种类似于制作旋转艺术spin art的工业生产方法）制出薄而透明的电极。正确的化学添加剂可以显著提高这种导电聚合物薄膜的弯曲能力甚至拉伸性能。仔细选择添加剂还可以提高显示屏在特定电流下的发光量，使它们比使用氧化铟锡电极制作的显示屏更亮。

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到目前为止，要想制造手机、电脑显示器和电视中使用的OLED显示屏，其主要方法是将基层置于真空中，蒸发你想要添加的有机材料，并用金属掩模来控制这些物质的沉积位置。可以把它看作是高技术的制版操作。但那些图案非常精细的金属掩模很难制造，且会浪费大部分使用的材料，导致大型显示面板的生产成本很高。

不过，一种有趣替代方式出现了：喷墨打印制造这种显示屏。为此，需要将要敷涂的有机材料溶解在溶剂中，然后喷射到需要形成许多像素的基层上，再进行后续加热步骤除去残留的溶剂。杜邦、默克、日产化学和住友都在追逐这一策略，尽管用这种方式生产的设备的效率和可靠性仍远低于所需水平。但如果有一天这些公司成功了，显示屏制造的成本应该会大大降低。

对于智能手机用小型显示屏制造商来说，比降低成本更重要的是降低功耗。OLED的耗电量正在不断减小。但OLED产业越是成熟，就越难从目前每平方厘米约6毫瓦（约每平方英寸40兆瓦）的耗电量基础上进一步削减。这收效减少对可折叠手机尤其成问题，因为它的显示屏比普通手机大得多，可以肯定地说，折叠手机虽然很轻巧，但必须有一块特别大的电池。至少短期内是这样。

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实现了智能手机折叠后，柔性显示屏的下一步是什么？考虑到现在人们对手机的依赖程度，我们预计在不久的将来，人们会开始将佩戴的显示屏直接贴在皮肤上。最初他们可能会用这些设备实现各种生物特征数据的可视化，但毫无疑问，其他应用也会出现。也许有一天，这种可穿戴显示屏将被作为高技术的时尚宣言。

当然，用于制作这种显示屏的材料应该足够柔软，附着在皮肤上时不会令人烦恼。另外，它们必须可伸缩。不过，制造内在可伸缩的导体和半导体是一项巨大的挑战。因此，多年来，研究人员一直在退而求其次：几何伸缩显示屏。这种显示屏含有刚性但微小的电子元件，附着在可伸缩基层上，并通过能够承受拉伸变形的导电通路连接。

不过，就在最近，开发内在可伸缩的显示屏取得了进展，其导体、半导体以及基层都可以拉伸。这种显示屏固然需要一些新型材料，但最大的障碍是如何设计可伸缩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。我们的研究团队最近在这方面取得了很好的进展，成功开发出了空气稳定好、可伸缩的发光器件，且这些器件不需要可伸缩的保护涂层。这些器件可以不失效地拉伸到它们正常长度的近2倍。

目前，研究人员只制造出了非常粗糙的可伸缩显示屏原型，仅有一个粗糙的发光元件网格。但行业对可伸缩显示屏有巨大的兴趣。2020年6月，韩国贸易、工业和能源部指定LG显示公司领导一个由行业和学术界研究人员组成的联盟，开发可伸缩显示屏。

只要稍加想象，你能想象出未来会发生什么：运动员的胳膊或腿上挂着生物计量显示屏，我们手掌上戴着智能手机，显示屏可适应各种曲面。那些正在努力开发这种未来显示屏的人，肯定会从制作可折叠智能手机显示屏的多年研究中获益。毫无疑问，不仅可弯折而且可伸缩的电子产品的时代即将到来。