迎接折疊螢幕手機新時代──柔性顯示技術揭秘

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

我們期望嘗試透過這篇文章,從技術層面探討柔性顯示技術,及從側面呈現折疊螢幕手機當前的發展情況。

折疊螢幕時代真的到來了嗎?甭管誰爭得了「全球首款折疊螢幕手機」稱號,首款折疊螢幕手機發佈至今也有一年多了,不過人們在談到折疊螢幕手機時,仍覺得這是個「未來向」產品。市面上已有的折疊螢幕手機至少包括了三星(Samsung) Galaxy Fold、華為(Huawei) Mate X、三星Galaxy Z Flip、摩托羅拉(Motorola) Moto Razr 2019、柔宇(Royole) FlexPai等,似乎能細數的型號也不算少了,不過價格多少以及能不能買得到,那就是另一回事了;折疊螢幕產品似乎依舊遙遠。

伴隨折疊螢幕這種「科幻向」技術到來的,還有如今折疊螢幕手機脆弱的名聲。三星在柔性螢幕技術上投入已經超過10年,卻在Galaxy Fold推出不久即面臨螢幕顯示不正常、膜層分離之類的問題。像華為Mate X這樣的初代折疊螢幕設備,也是僅需輕輕用指甲在螢幕上摳一下,就能留下永久、不可修復的凹痕。即便三星二代折疊螢幕設備Galaxy Z Flip宣稱改善了製程技術,從硬度測試來看,要在其螢幕表面留下劃痕也相當輕而易舉;折疊處甚至可能因為室溫過低而碎裂。

折疊螢幕的這種脆弱屬性更拉遠了它與一般人的距離:當我們花兩萬人民幣買了一支折疊螢幕手機,卻需要在每天早晨手機鬧鈴響起、伸手去觸碰螢幕時,還得先想一想是不是沒剪指甲…這樣的體驗還是令人畏懼的。我們期望嘗試透過這篇文章,從技術層面去探究折疊螢幕手機為何如此脆弱,及從側面呈現折疊螢幕手機當前的發展情況。

 

三星Galaxy Fold

 

折疊螢幕:柔性顯示技術的高級階段

首先還是需要劃定探討問題的範圍:我們所說的柔性顯示器或折疊螢幕究竟說的是什麼?如果按照不同的顯示面板技術來劃分,眾所周知,大方向上LCD和OLED都有自己的柔性發展路線——不過LCD柔性顯示器相對特殊,也不是我們探討手機折疊螢幕的主流技術,未來我們將針對LCD柔性顯示技術另外撰文探討。

從光電材料(electro-optic materials)的角度來說,實際上不僅有LCD、OLED,電泳顯示技術(electrophoretic,即E-Ink)、Gyricon也都能做到柔性化,多見於電子書、電子紙。市面上已經存在不少此類柔性顯示產品,大多主打閱讀、書寫。但這也不是本文要探討的主體。

如今在手機、行動裝置產品上相對熱門的柔性顯示、折疊螢幕技術,特指柔性OLED面板。本文在談到折疊螢幕、柔性顯示時,若無特別說明則特指OLED。討論範圍明確了,另外一個需要解決的問題是,柔性顯示和折疊螢幕這兩者是什麼關係?

通常認為柔性顯示技術的發展可以分成幾個不同的階段。第一階段是固定曲率的柔性螢幕,即螢幕已經表現出曲面特性,但在最終產品形態上其曲率是固定的、使用者不可控制的。這早在多年前就已經實現,以三星Galaxy系列手機為代表,華為近兩年的旗艦機也都採用這類所謂「3D曲面螢幕」;很多顯示器、電視產品也有此類設計。

第二階段是可彎曲、可捲曲顯示;第三階段是可折疊顯示;第四階段為可任意折疊拉伸的全柔性顯示。其中第二階段的可彎曲、捲曲螢幕,在很多顯示技術展會上都能看到,與第三階段的重要差異在於「彎曲半徑」的顯著不同。展會上常能見到的可彎曲螢幕,其彎折半徑是相對較大的(3~15mm)。而第三階段的可折疊,就意味著極小的彎曲半徑(0.5~3mm),技術層面的實現難度相比第二階段要大得多。

就彎曲半徑的角度來看,像三星Galaxy Fold這樣的內折螢幕,在面板技術難度上要大於華為Mate X的外折螢幕方案。因為前者的彎曲半徑是比後者明顯更小的。不過就整個產品的角度來說,後者在鉸鏈、結構設計方面有著更大的難度——這就不在本文的探討範圍內了。

由此可見,折疊螢幕是柔性顯示的某個高級階段,即便它並非最終形態。有關折疊螢幕在實際應用中的價值,這裡不再贅述:至少就行動裝置產品來說,折疊螢幕本質上是將一個螢幕更大的裝置放進口袋,提升可攜性。

柔性OLED是如何打造的?

要明白折疊螢幕為何如此脆弱,首先需要理解這種螢幕的結構,以及具體的製造方法。如今手機、電視常見的OLED顯示器為AMOLED (Active Matrix OLED)面板,它在結構上包括了基板(substrate),陰極層(cathode)、有機分子層(包括發射層、導電層)、陽極層(anode)——這些整體構成了OLED frontplane(如圖1);當然還需要TFT陣列層(薄膜電晶體)——這部分就是我們常說的backplane,本質上就是控制電路。

 

圖1:OLED螢幕結構。

 

OLED的發光原理是電致發光(electro-phosphorescence),這裡不再詳述此一機制。在成為螢幕最終形態時,還需要對面板進行封裝;傳統手機AMOLED螢幕的上蓋板即為密封玻璃。

要將這樣的螢幕做成柔性形態,也就是要求每一層都是可彎曲、可折疊的。這裡還沒有涉及到觸控面板、最外層保護材料之類的構成層級,它們也都需要可彎曲、可折疊。在大方向上,OLED frontplane和TFT backplane要做成可彎曲、可折疊形態,問題可能還不算特別大。但傳統AMOLED顯示幕的基板,以及上蓋板,外加螢幕最外層的保護層都是玻璃材料。

常規玻璃可彎曲幅度很小,所以起碼這幾層的材料必須更換為柔性材料——對使用者而言最直觀的就是外層不可能再用康寧(Corning)的「大猩猩」(Goriall)玻璃。這也成為柔性顯示器製造的第一大挑戰──基板及蓋板等的材料選擇;由於OLED面板的製造流程關係,基板的材料選擇實際上是十分受限的。

OLED面板製造至少需要經歷蝕刻、濺射、蒸鍍、切割等各種工序,材料需要耐受各種高溫、腐蝕環境;在柔性面板製造過程中,還有UV紫外光剝離這樣的流程,所以在材料的選擇上就有最基本的要求。

這裡可以單獨談一談前文提到的TFT層,這層材料按照開關元件來分,現在相對流行的是LTPS (低溫多晶矽)與IGZO (銦鎵鋅氧化物)。LTPS是柔性顯示製造技術的主流,也是三星、京東方這些面板製造商開發柔性顯示器時普遍採用的方案。LTPS相較傳統方案(如a-Si)能夠以更低的溫度合成;不過即便是「相對更低」的溫度,也可能需要達到600℃ (或更低)。

柔宇在此採用的是一種名為ULT-NSSP (超低溫非晶矽半導體製程)的技術。按照柔宇的說法,這種更「低溫」的技術能夠進一步降低成本——這似乎是柔宇在柔性顯示器開發上不同於其他面板廠商的路線,具體成效未知。無論如何,更低的溫度在生產製造商總是更有價值的。

 

圖2:柔性AMOLED面板製造流程。

(來源:O Eun Kwon, Jin-Wook Shin, Himchan Oh, Chan-mo Kang, Hyunsu Cho, Byoung-Hwa Kwon, Chun-Won Byun, Jong-Heon Yang, Kang Me Lee, Jun-Han Han, Nam Sung Cho, Jong Hyuk Yoon, Seung Jin Chae, Jin Sung Park, Hyunkoo Lee, Chi-Sun Hwang, Jaehyun Moon & Jeong-Ik Lee (2020) A prototype active-matrix OLED using graphene anode for flexible display application, Journal of Information Display, 21:1, 49-56, DOI: 10.1080/15980316.2019.1680452)

 

相對來說,柔性面板的製造流程與傳統剛性OLED面板在前期階段是比較類似的;前期一樣需要玻璃支撐層(Carrier Glass Panel),如圖3,只是最終有一個雷射剝離的過程,也就是將整個面板與玻璃支撐層分離。

在經過這麼多道工序,如前文提到TFT製造時的高溫(或相對高溫),仍可屹立不倒的材料著實不多。既然難以選擇玻璃作為基板材料,卻仍需確保透光性,外加可彎曲、可折疊屬性,業界普遍採用的是PI (Polyimide,聚醯亞胺)——就是某種塑膠薄膜,這在圖3中已經有體現。當然其中還有一些技術細節這裡無法細數,比如說玻璃基板可能需要採用PI鍍膜方案、支撐層與PI基板之間需要一個剝離層(debonding layer)等。

 

圖3:柔性顯示器面板結構。

 

每一層都得彎曲折疊

實際上,超薄玻璃也是一種可一定程度彎曲的基板備選材料,玻璃畢竟具備更高的熱穩定性和更好的透明性,但仍然受限於可彎曲的程度。而除了基板材料的選擇,柔性面板還有一些需要考慮的問題。

例如導電層的ITO (銦錫氧化物或其他導電聚合物材料),一方面是要求更低溫度的製程,另一方面在於ITO沉積在塑膠基板上,在拉伸應變方面可能導致很大的問題。再者TFT層也會受到可彎曲的影響,不僅是外力可對其產生破壞,還在於其他層的熱膨脹/收縮產生的力,以及它對濕度非常敏感。TFT層除了前文提到如今比較普遍的LTPS,OTFT (有機薄膜電晶體)對柔性面板而言也是某種備選方案。

像彎曲這樣的動作,尤其當彎曲半徑小到對折的程度──想像將一本書,沿著封面中間位置對折,對折後內圈的書頁和外圈的書頁的形變狀態就有差異;所有書頁為了適應這種彎曲對折,整本書不同位置一定會產生不同程度的形變。螢幕也是多層結構,當然螢幕面板沒有書那麼厚,但面板各層材料、製程都有差異,可形變、熱膨脹特性等都有差異。這會為折疊動作產生不小的阻礙。

不難想像,使用折疊螢幕手機時,折疊次數一多便很容易產生膜層分離、膜層滑移,甚至直接脆裂的問題——就像一本書對折後,不同書頁的位置關係與平整狀態下相比已經大不相同。於是折痕的問題便不難理解,即已產生的形變難以恢復——可能是表層材料無法恢復,也可能是其他層的材料。

在因應這些問題時,不同的面板製造商也有各自不同的解決方案。例如鈍化結構加入緩衝層(BL)、無機防水層、粘合層(AIL)等。軟性的緩衝層能夠很大程度抵消彎折過程中產生的力,並且縮小彎曲半徑(如圖3)。這是台灣的工研院(ITRI)在幾年前就開始嘗試的方案。當然,這部分內容實際上已經和下文要提的封裝相關了。

今年3月份的柔宇發表會上,該公司提到建立「智慧力學模擬模型」,形成材料力學參數資料庫——不同材料層的各種參數,並對材料物理特性進行模擬,配合實驗對比;透過這個模擬模型,就能找到更好的堆疊方案和材料選擇。

探索中的封裝技術

不過在折疊螢幕手機使用過程中,除了折疊動作本身帶來的破壞性,顯示、觸控故障很多時候又來自水、氧入侵面板內部,導致的嚴重問題。因為有機材料很容易發生氧化和水解。所以對水氧的阻隔,對於柔性面板而言顯得尤為重要。

這就涉及到封裝技術了——雖然本文的前一個段落也提到了封裝,但前一部分的重點在針對折疊的「緩衝」,而這部分主要是與「隔離」和「延緩」。如前文所述,傳統OLED螢幕和柔性螢幕在封裝要求上存在很大差異,前者的形態是固定的,而且在應用於手機、電視這類終端產品後,面對的環境相對穩定;而後者由於柔性形態,封裝需要做到多方位的防護,尤其對於水、氧的阻隔。

這是目前市面上販售的折疊螢幕手機,在使用過程中會出現螢幕部分顯示區域失效的主要原因;至少就現狀來看,柔性面板的封裝技術似乎還沒有那麼成熟。

多層薄膜封裝是比較常見的方案:多層薄膜通常會將無機層和有機層交替疊加,每個有機/無機層堆疊構成一對;超過三對多層薄膜,則水氧阻隔性可提升3~4個等級,WVTR (水蒸氣透過量)也能相對應提升。有機層越薄,形成統一均勻的層才越有利;與此同時,這種有機/無機對不應超過5對。總的來說,實際表現還是要看材料和製程。

三星採用一種名為Barix的多層薄膜封裝技術——這是美國Vitex公司商用的一種技術,如今在柔性薄膜封裝上的應用還是比較廣泛的。Barix多層薄膜能夠很大程度滿足一些規格需求。Barix鍍膜的塑膠薄膜還可用作透明基板。

不過Barix技術也面臨一些挑戰,比如早前存在濺射AlOx薄膜的一些固有缺陷。這種技術還要求面板進出沉積室多達6次,而且成本也是比較高的。氧化物沉積是整個流程中極大限制了速度的一個步驟——當然針對這一問題的技術開發也一直在持續中。在柔性OLED製造過程中,封裝成為佔據整體成本很大比例的部分…

 

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