將近半個世紀(jì)前，摩托羅拉推出了第一款手機(jī)的原型。它足足有一塊磚那么大，重量也抵得上半塊磚了。這個原型在十年后催生了第一臺商用手機(jī)。它雖顯笨拙，但卻能允許一個人邊走動邊收發(fā)訊息，這在當(dāng)時已經(jīng)是極為新潮。從那時起，手機(jī)逐漸獲得許多其他功能。如今手機(jī)可以處理文本消息、瀏覽網(wǎng)頁、播放音樂、拍攝（以及播放）照片和視頻、地圖定位以及無數(shù)其他應(yīng)用，這些應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們最初的想象。

盡管智能手機(jī)已經(jīng)如此便捷靈活，卻一直在竭力克服一個看上去最基本的問題：顯示屏太小。誠然，一些電話已經(jīng)做的比通常更大以提供更大的顯示空間。但是如果手機(jī)做得過大以至于褲兜都無法容納，這在很多人看來是不能接受的。

顯而易見的解決方案是使屏幕像錢包一樣能夠折疊。多年來，為此開發(fā)合適的技術(shù)一直是首爾國立大學(xué)（Seoul National University）研究人員的目標(biāo)之一。對于智能手機(jī)制造商來說這也是一個重要目標(biāo)，近兩年已經(jīng)有一些廠商具備將該技術(shù)推向市場的能力。

毫無疑問，很快可折疊屏手機(jī)就會大量出現(xiàn)。你或你家人可能就會擁有一臺，你肯定會疑惑：顯示屏在這種情況下怎么可能彎曲？我們將在這里解釋該技術(shù)的奧秘所在，這樣當(dāng)帶有這種寬大明亮、靈活方便的顯示屏出現(xiàn)在你身邊時，你就不會不知所措了。本文甚至還會向你講解一種更加勁爆的電子設(shè)備，它的屏幕不但能夠彎曲甚至還能拉伸！

大約二十年前研究人員就已經(jīng)開始致力于研究如何制作柔性屏，但是多年來仍然停留在科研項(xiàng)目階段。在 2012 年終于有了轉(zhuǎn)機(jī)，Bill Liu 和其他斯坦福大學(xué)的工程專業(yè)畢業(yè)生著手建立柔宇科技有限公司（下簡稱柔宇，Royole Corp.，目前總部分別位于加利福尼亞的弗里蒙特和中國深圳），將柔性顯示屏商業(yè)化。

就像一本合上的書：2018 年底，柔宇開發(fā)了第一款配置可彎曲顯示屏的商用智能手機(jī) FlexPai，屏幕折疊后依然正常顯示。

在 2018 年末，柔宇推出了 FlexPai，其靈活的屏幕使該設(shè)備可以展開成類似于平板電腦的裝置。這種可折疊的顯示屏可以承受 200，000 次彎折，其最低彎折半徑僅為 3 毫米。但是相對于成熟產(chǎn)品來說，F(xiàn)lexPai 手機(jī)更像是原型。發(fā)表在 The Verge 上的一篇評論稱它 “既驚艷又有缺憾”。

此后不久，全球最大的兩家智能手機(jī)制造商三星和華為也推出了自己的可折疊機(jī)型。三星于 2019 年 2 月正式對外宣布其 Galaxy Fold 它配置了雙面可折疊顯示屏，其彎折半徑可以達(dá)到 1 mm，機(jī)身向內(nèi)折疊后可用機(jī)身外部屏幕顯示。當(dāng)月晚些時候，華為也發(fā)布了首款可折疊智能手機(jī) MateX。Mate X 折疊后約 11 毫米厚，其顯示屏在外側(cè)（和 FlexPai 的屏幕一樣），這意味著顯示屏的曲折半徑約為 5 毫米。今年 2 月，這兩家公司又都推出了第二代可折疊機(jī)型：三星的 Galaxy Z Flip 和華為的 Mate Xs / 5G。

當(dāng)然，對這些手機(jī)進(jìn)行工程設(shè)計時最具挑戰(zhàn)性的部分是開發(fā)屏幕本身。關(guān)鍵是要減小柔性顯示面板的厚度，以最小化折疊時所承受的彎曲應(yīng)力。行業(yè)剛剛找到解決方案，像三星顯示和京東方科技集團(tuán)等面板供應(yīng)商就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可折疊屏幕的量產(chǎn)。

像在傳統(tǒng)智能手機(jī)一樣，這些屏幕都屬于有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏。但是，這些公司沒有像通常那樣在剛性玻璃基板上制造這些 AMOLED，而是使用了纖薄柔軟的聚合物。在該柔性基板的頂部是底板，該底板包含很多控制單個像素所需的薄膜晶體管。這些晶體管帶有緩沖層，可以防止顯示屏彎曲時形成裂紋。

盡管按照這些思路構(gòu)造的柔性屏在電話和其他電子產(chǎn)品中正迅速變得越來越普遍，但適用于這些屏幕的標(biāo)準(zhǔn)以及描述其彎曲能力的術(shù)語仍在形成中。至少這些顯示屏可以根據(jù)其彎曲時能夠承受的曲折半徑來大致表征：“合格”是指曲折程度不那么緊密的顯示屏，“可卷曲”是指具有中等柔韌性，“可折疊顯示器”代表曲折半徑極小。

由于任何材料（無論是智能手機(jī)顯示屏還是鋼板）在彎折的外表面上都會受到拉力，而在內(nèi)部則受到壓縮，因此構(gòu)成顯示屏的電子組件必須抵抗這些應(yīng)力和它們引起的相應(yīng)變形。最簡單的方法是使柔性屏的外表面更靠近內(nèi)表面，從而最大程度地減小這些形狀變化力，也就是說把設(shè)備做的非常薄。

為了使顯示屏盡可能薄，設(shè)計師省略了通常位于頂部的保護(hù)膜和偏光片以及在這些層之間施加的粘合劑。雖然去除這些元素并不理想，但由于從內(nèi)部發(fā)光，而不是像在液晶屏中那樣改變從 LED 背光源透射的光量，保護(hù)膜和減反射偏光片只是 AMOLED 顯示屏的可選組件。

柔性顯示屏和常規(guī)顯示屏的另一個區(qū)別與透明導(dǎo)電電極有關(guān)，該透明導(dǎo)電電極將使像素發(fā)光的發(fā)光有機(jī)材料夾在中間。通常，氧化銦錫（ITO）層可起到這一作用。但是，ITO 在張力作用下非常脆，這使其很難成為柔性屏的上佳選擇。更糟的是，ITO 往往無法很好地粘附到柔性聚合物基板上，導(dǎo)致其在壓縮時發(fā)生彎曲和分層。

與這個問題斗爭了十多年的研究人員發(fā)現(xiàn)了幾種提高 ITO 與柔性基板之間粘合力的策略。一種方法是在頂部沉積 ITO 電極之前，用氧等離子體處理襯底；另一方法是在電極和基板之間插入一薄層金屬（例如銀），這樣還有助于將基板的頂部放置在構(gòu)成顯示屏夾層的正中間。這種布局將易碎的界面與 ITO 層放置在顯示屏的機(jī)械中性面上，彎曲時既不壓縮也不拉緊。當(dāng)前，處于領(lǐng)先地位的電子公司制造可折疊屏?xí)r用的就是這種策略。

更簡單的是，你可以完全擺脫 ITO 電極。雖然這還沒有在商業(yè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，但這種策略很有吸引力，盡管這種吸引力并不是來源于對靈活性的渴望。銦既有毒又昂貴，所以如果不是非用不可，你真的不想用它。幸運(yùn)的是，這些年來，包括我們兩個在內(nèi)的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他幾種可以作為柔性顯示器的透明電極的材料。

一種含有銀的納米線柔性薄膜可能是最有前途的候選材料。這些極其細(xì)小的金屬絲形成了一個可以導(dǎo)電并且基本保持透明的網(wǎng)狀物。通過將含有銀的納米線的溶液以類似于在新聞紙上印刷油墨的方式涂抹在基材上，就可以低成本地制作出一層這樣的薄膜。

折疊的世界：2019 年，華為推出了一系列柔性顯示屏的手機(jī)。這里展示的是該公司的 Mate Xs。

對銀的納米線的大部分研究都集中在尋找降低單個導(dǎo)線之間結(jié)點(diǎn)的電阻的方法上。其中一個方法是通過在納米線網(wǎng)中添加某些其他材料。或者你可以通過在烤箱中加熱納米線層，或者通過焦耳加熱送入足夠的電流使納米線結(jié)點(diǎn)熔合，對納米線層進(jìn)行物理處理。或者可以通過熱壓、等離子體或用非常明亮的閃光照射來處理納米線，使其結(jié)點(diǎn)熔合。

然而哪種方法最好在很大程度上取決于納米線的基材的性質(zhì)。聚合物基底，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，許多透明塑料食品容器都是由這種材料制成的），在加熱時容易大幅度變形。聚酰亞胺對熱敏感度較低，但它的顏色偏黃，會影響以這種方式創(chuàng)建的電極的透明度。

但在創(chuàng)建透明導(dǎo)電電極時，金屬納米線并不是唯一可能替代 ITO 的材料。另一種候選材料是石墨烯，一種碳的形式，其中的原子以二維蜂巢模式排列。石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電性和光學(xué)透明度還不能與 ITO 相提并論，但它比現(xiàn)在用于柔性顯示器的其他候選電極材料更能承受彎曲。石墨烯的導(dǎo)電性不足的問題可以通過與導(dǎo)電聚合物結(jié)合或摻入少量硝酸或氯化金來改善。

還有一種可能性是使用導(dǎo)電聚合物。 例如聚 3，4 - 乙氧基噻吩：聚苯乙烯磺酸，也被稱為 PEDOT:PSS。這種聚合物可以溶解在水中，從而可以通過印刷或旋涂（一種類似于制作旋涂藝術(shù)的工業(yè)工藝）輕松制造出薄而透明的電極。正確的化學(xué)添加劑可以顯著提高這種導(dǎo)電聚合物薄膜的彎曲甚至拉伸能力。精心選擇添加劑還可以提高顯示器在給定電流下的發(fā)光量，使其比使用 ITO 電極制造的顯示器更亮。

到目前為止，手機(jī)、電腦顯示器和電視機(jī)中使用的有機(jī) LED 顯示屏主要是通過將基板置于真空狀態(tài)下，蒸發(fā)任何你想添加到其中的有機(jī)材料，然后使用金屬膜來控制這些物質(zhì)的沉積位置來制造的。你可以把它看成是一種高科技的模板操作。不過那些帶有非常精細(xì)圖案的金屬膜很難制造，而且很多應(yīng)用材料都被浪費(fèi)了，這些導(dǎo)致了大型顯示面板的高成本。

不過，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一種有趣的替代方法：噴墨打印。為此，你要把應(yīng)用的有機(jī)材料溶解在溶劑中，然后噴射到需要形成許多像素的基材上，接著進(jìn)行后續(xù)的加熱步驟來驅(qū)除任何殘留的溶劑。杜邦公司（DuPont）、默克公司（Merck）、尼桑化學(xué)公司（Nissan Chemical Corp）和住友公司（Sumitomo）都在研究這種方法。盡管生產(chǎn)設(shè)備的效率和可靠性仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所需。但如果有一天這些公司成功了，顯示器的制造成本應(yīng)該會大大降低。

互相競爭的折疊手機(jī)：三星也在 2019 年推出了自己的柔性顯示屏手機(jī)系列。這里展示的是該公司的 Galaxy Fold。

對于智能手機(jī)用小型顯示器的制造商來說，比降低成本更優(yōu)先的是要降低功耗。有機(jī) LED（OLED）的耗電量越來越小，OLED 產(chǎn)業(yè)越發(fā)成熟，就越難從目前每平方厘米約 6 毫瓦（每平方英寸約 40 毫瓦）的數(shù)值上進(jìn)一步縮減功耗。這對于可折疊手機(jī)來說，是一個更大的問題，因?yàn)榭烧郫B手機(jī)擁有比普通手機(jī)大得多的顯示屏。因此，可以肯定的是，至少短期內(nèi)，你小巧的可折疊手機(jī)都將擁有一個特別巨大的電池。

在柔性顯示器允許我們的智能手機(jī)折疊后，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)計在不遠(yuǎn)的將來，人們將開始佩戴直接貼在皮膚上的顯示屏。他們最初可能會用這些設(shè)備來可視化各種生物識別數(shù)據(jù)，但毫無疑問其他應(yīng)用會出現(xiàn)。也許有一天，這種可穿戴式顯示器將僅僅成為一個高科技的時尚配飾。

當(dāng)然，制作這種顯示屏的材料應(yīng)該足夠柔軟，不會在貼在皮膚上時造成困擾。更重要的是，它們必須是可拉伸的。不過，制造本質(zhì)上可拉伸的導(dǎo)體和半導(dǎo)體是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，幾年來，研究人員一直在探索替代品：幾何學(xué)上可拉伸的顯示器。這些顯示器將剛性但微小的電子元件連接在可拉伸的基板上，并通過可承受拉伸變形的導(dǎo)電通路連接。

不過，最近在開發(fā)本性可拉伸顯示器方面取得了進(jìn)展 —— 在這種顯示器中，導(dǎo)體、半導(dǎo)體和基底都可以被拉伸。當(dāng)然，這種顯示器需要一些新型材料，但最大的障礙可能是如何設(shè)計出可拉伸的材料來封裝這些設(shè)備，并保護(hù)它們免受濕氣和氧氣的破壞性影響。我們的研究團(tuán)隊(duì)最近在這方面取得了良好的進(jìn)展，成功地開發(fā)出了不需要可拉伸保護(hù)涂層的空氣穩(wěn)定、本性可拉伸的發(fā)光器件。這些器件可以被拉伸到接近正常長度的兩倍而不會失效。

目前為止，只有非常粗糙的可拉伸顯示器原型被制造了出來，這些原型只是提供了一個粗糙的發(fā)光元件網(wǎng)格。但業(yè)界對可拉伸顯示器的興趣是巨大的。今年 6 月，韓國貿(mào)易，工業(yè)和能源部指派 LG Display 領(lǐng)導(dǎo)一個由工業(yè)和學(xué)術(shù)研究人員組成的聯(lián)盟以開發(fā)可拉伸顯示器。

只要稍加想象，你就能看到未來的發(fā)展：運(yùn)動員的手臂或腿上貼著生物識別顯示器，我們戴在手掌上的智能手機(jī)，以及可順勢垂掛在各種曲面上的顯示器。現(xiàn)在正在努力開發(fā)這種未來顯示器的人，肯定會從多年來為創(chuàng)造今天的智能手機(jī)可折疊顯示器所做的研究中受益。毫無疑問，不僅可彎曲，還可拉伸的電子產(chǎn)品的時代很快就會到來。
責(zé)任編輯：YYX