也許在未來的某，人們可以“穿”著屏幕來彰顯自己的時尚品味。

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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，折疊屏幕終于從科幻電影走進了現(xiàn)實。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，因為可伸縮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，原文標題：From Foldable Phones to Stretchy Screens。

半個世紀前，摩托羅拉展示了款手機，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，臺商用手機誕生了。雖然這款手機很笨拙，但它可以讓人做到一邊走動一邊接打電話，在當時是已經(jīng)非常轟動了。從那時起，手機逐漸被賦予更多其他的功能。現(xiàn)在的手機可以用來處理短信、瀏覽網(wǎng)頁、播放音樂、拍攝、看照片和視頻、地圖定位等等，這些應用遠遠超出了剛問世時人們對手機的想象。

智能手機很靈活，卻一直有一個“硬傷”:顯示器太小。為了擁有更大的屏幕，有些手機的個頭做得很大。但如果手機過大，就無法完全裝進衣服口袋，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，屏幕折疊技術是首爾國立大學多年來的研究目標之一。當然，這同時也是手機制造商們的目標。不過一直到前兩年這一技術才被推向市場。

帶折疊屏的手機數(shù)量無疑將激增，也許你的親朋或者你自己正打算買一個。當你拿著折疊屏手機的時候，你肯定會想:這個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技術背后的原理是什么，這樣，當那個巨大的、閃耀著光芒的、靈巧的折疊屏手機（或更先進的電子產(chǎn)品）被你裝進口袋里時，你是有所準備的。

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，彎曲度也相當小。不過，F(xiàn)lexPai更像是一款原型機而不是成熟的產(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制造商三星和華為也開始推出自己的折疊手機。三星移動于2019年2月正式發(fā)布了Galaxy Fold。這款手機具有雙折疊顯示屏，彎曲半徑最小可達1毫米，并且可以與內(nèi)置顯示屏一起折疊。當月，華為也發(fā)布了可折疊手機Mate X。Mate X折疊時厚度約為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:三星的Galaxy Z Flip和華為的Mate Xs/5G。

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

和傳統(tǒng)智能手機上的顯示器一樣，這些折疊屏也都是AMOLED（有源矩陣有機發(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像素，這些晶體管還包含一個緩沖層，可以防止顯示器彎曲時產(chǎn)生裂縫。

盡管用這種方法制作的柔性顯示器在手機和其他消費品中越來越普遍，但適用于這些顯示器的標準，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)承受彎曲時的曲率半徑來進行劃分:“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。

因為任何材料，無論是智能手機顯示屏還是鋼板，在彎曲時外部表面都處于張力狀態(tài)，而內(nèi)部此時則處于壓縮狀態(tài)，構成顯示屏的電子元件必須抵抗這些應力及其引起的相應變形。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，也就是說要讓設備變得非常薄。

為了使顯示器盡可能薄，設計師省略了通常放在顯示器頂部的保護膜和偏光器，以及這些部分之間的粘合劑。雖然去除這些元件會導致顯示質(zhì)量的下降，但保護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)顯示器的另一個不同之處在于，傳統(tǒng)顯示器會有一個透明導電電極夾在發(fā)光有機材料中間，使像素發(fā)光。一般情況下，一層氧化銦錫(ITO)可以填補這一空缺。但ITO在張力作用下相當脆弱，而且ITO不易粘附在柔性聚合物基片上，導致它在壓縮時會發(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層放在顯示器的機械中性平面上，使它在彎曲時既不會被壓縮也不會受張力。目前，制造可折疊顯示器的領先電子企業(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。雖然這個方法在商業(yè)設備中還沒有實現(xiàn)，但這個方法很有吸引力。與對靈活性的追求無關，這個方法之所以如此吸引人是因為銦既有毒又昂貴，所以如果不是必須的話，能不用就不用。幸運的是，多年來，包括我們兩個人在內(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網(wǎng)，既能導電，又能保持很大的透明度，通過將含有銀納米線的溶液應用到基材上，就可以以類似報紙墨水的方式，低成本制備出這一層級。

大多數(shù)關于銀納米線的研究都集中在尋找降低單個線之間接點電阻的方法上。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現(xiàn)這一點：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：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點。哪一種處理的方法更好在很大程度上取決于納米線所應用的襯底的性質(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)在加熱時容易變形，而聚酰亞胺對熱不太敏感，但它的顏色偏黃，會影響電極的透明度。

但在制造透明導電電極時，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。石墨烯的導電性和光學透明度不如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。通過將石墨烯與導電聚合物結合，或在石墨烯中摻入少量硝酸或氯化金，石墨烯的導電性會有所改善。

還有一種是使用導電聚合物。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)藝術的工業(yè)過程)的方式被制造出來。正確的化學添加劑可以顯著提高這種導電聚合物的薄膜彎曲甚至拉伸的能力。仔細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、電腦和電視的有機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高科技的模板操作。然而，那些有著非常精細圖案的金屬掩模很難制造，而且大部分應用材料都被浪費了，所以導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)化學和住友都在采用這種策略，盡管這樣制作出來的設備的效率和可靠性仍遠遠低于所需水平，但如果有這些公司成功了，顯示器制造的成本會大大降低。

對于應用于手機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。有機發(fā)光二極管(OLED)變得越來越耗電，隨著OLED行業(yè)的成熟，進一步削減目前約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來說尤其成問題，因為它的顯示屏比普通手機大得多。因此，可以肯定的是，盡管你的可折疊手機非常小巧，但至少在短期內(nèi)，它必須配備一個特別大的電池。

在我們的智能手機可以折疊之后，柔性顯示器的下一步是什么?考慮到現(xiàn)在人們對手機的依賴程度，我們預計在不久的將來，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，其他的應用方式將會出現(xiàn)。也許有，這種可穿戴的顯示器將被用來表達高科技的時尚宣言。

當然，用于制作這種顯示器的材料應該足夠柔軟，這樣貼在皮膚上時才不會造成麻煩。更重要的是，它們必須具有延展性。然而，制造本質(zhì)上可伸縮的導體和半導體是一個巨大的挑戰(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展，這種顯示器的導體、半導體以及襯底都可以拉伸。當然，這樣的顯示器需要一些新型材料，但更大的障礙是如何設計出可伸縮的材料來封裝這些設備，保護它們免受濕氣和氧氣的破壞。我們的研究團隊最近在這方面取得了良好的進展，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涂層，這些設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來牽頭一個由產(chǎn)業(yè)和學術研究人員組成的聯(lián)盟，開發(fā)可伸縮顯示器。

只要動用一點想象力，你就可以想象未來會發(fā)生什么:運動員的手臂或腿上掛滿了生物識別顯示屏，我們的手掌上戴著智能手機，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，肯定會從多年來對今天的折疊手機屏的研究受益。毫無疑問，可彎曲的、甚至可伸縮的電子產(chǎn)品的時代即將到來。