半個世紀前，摩托羅拉展示了第一款手持移動電話。它有一塊磚頭那么大，但重量是磚的一半。10年后，這個原型孵化出了第一款商用手機。這款手機看起來也很笨拙，但能在用它接打電話時四處走動，這在當時是一件非常新奇的事情。以后，手機擁有了許多其他功能。現在，它們能夠處理短信、瀏覽網頁、播放音樂、拍攝和顯示照片與視頻、在地圖上定位，還擁有數不清的其他用途，應用范圍遠遠超出了首次推出手機時所有人的想象。不過，智能手機雖然很靈活，卻一直有難以克服的基本缺點：屏幕很小。當然，有些手機已經做得比正常尺寸大了，以提供更多的顯示畫面。

但是如果手機太大，口袋里放不下，對很多人是不適用的。顯而易見的解決辦法是讓顯示屏像錢包一樣折疊起來。多年來，為此開發出合適的技術一直是韓國國立首爾大學研究人員的目標之一，也是智能手機制造商的一個目標。近一兩年來，他們已經有能力將這項技術推向市場。不久以后，屏幕可折疊的手機數量肯定會激增。你或你的家人可能會有一部，這時你肯定會想：為什么屏幕能彎曲成那樣？我們想在這里向你解釋一下這項技術，這樣你就能夠提前做好心理準備了，因為以后，你的口袋里一定會裝著一部明亮的大顯示屏柔性手機，甚至是屏幕可伸展也可彎曲的全新電子設備。

近20年來，研究人員一直在認真研究如何制作柔性屏。但多年來，他們只是停留在研究項目階段。2012年，劉自鴻和斯坦福大學工程系的另外幾個畢業生成立了柔宇科技（目前總部位于美國加州弗里蒙特和中國深圳），開始了柔性顯示屏的商業化。

2018年末，柔宇推出了柔派手機，其柔性顯示屏使設備展開后像一臺平板電腦。經該公司驗證，這款可折疊屏能夠經受20萬次大幅度彎折，彎折曲率半徑僅3毫米。但柔派手機更像是一款原型機，而非一款成熟的產品。比如，發表在The Verge網站上的一篇評論認為它“迷人卻很糟糕”。

不久之后，全球兩大智能手機制造商三星和華為開始推出自己的折疊機型。2019年2月，三星移動正式宣布推出Galaxy Fold。它的特點是雙折疊顯示屏，曲率半徑小到1毫米，使手機屏幕可以向內折疊。當月晚些時候，華為發布了其首款可折疊智能手機Mate X。折疊后，Mate X的厚度約為11毫米，其顯示屏（類似柔派的屏幕）可向外折疊，這意味著屏幕的彎曲半徑約為5毫米。2020年2月，這兩家公司各自推出了它們的第二款可折疊機型：三星Galaxy Z Flip和華為Mate Xs/5G。

制造這些手機最具挑戰性的部分當然是研發屏幕。關鍵在于如何減小柔性顯示屏的厚度，使屏幕在折疊時承受的彎曲應力最小。智能手機行業剛剛能夠做到這一點，三星顯示器公司和北京的京東方科技集團等面板供應商正在大規模生產可折疊顯示屏。

與傳統智能手機一樣，這些屏幕都是有源矩陣有機發光二極體（AMOLED）顯示屏，簡稱“AMOLED屏”。但這些AMOLED屏并不是像通常那樣制造在堅硬的玻璃基層上，而是使用了一種薄而柔韌的聚合物。柔性基層的上層是背板，背板層包含許多控制單個像素所需的薄膜晶體管。這些晶體管含有一個緩沖層，可以防止屏幕在彎折時破裂。雖然以這些方法制造的柔性顯示屏在手機和其他消費品中越來越普遍，但適用這些顯示屏的標準，以及如何描述其彎折能力，則可以說仍然在成形過程中。

可以根據彎折時所能承受的曲率半徑對這些顯示屏進行大致劃分：“曲面屏”是指彎折幅度不那么大的顯示屏，“卷曲屏”是指具有中等柔韌性的顯示屏，“折疊屏”是指那些具有很小曲率半徑的屏幕。無論是智能手機屏幕還是鋼板，任何材料在彎折時外表面都處于張力狀態，而內表面則處于壓縮狀態，因此組成顯示屏的電子元件必須能夠抵抗這些應力以及它們所引起的相應變形。減小這些變形力的最簡單的辦法是使柔性顯示屏的外表面靠近內表面，也就是說使設備變得非常薄。為了使顯示屏盡可能薄，設計者省略了通常放置于上層的保護膜和偏振片，以及在這些層之間應用的粘合劑。不過，去除這些元件并不理想，保護膜和抗反射偏振片都是AMOLED屏的可選組件，AMOLED顯示屏是從內部產生光，而不是像液晶顯示屏那樣只是改變LED背光燈透光量。

柔性顯示屏與傳統顯示屏的另一個區別在于夾在發光有機材料中間、使像素發光的透明導電電極。通常由一層氧化銦錫（ITO）來充當這個角色。但氧化銦錫在張力下非常脆弱，不適合選用于制作柔性屏。更糟糕的是，氧化銦錫不容易粘附在柔性聚合物基層上，受到壓縮時會發生屈曲和分層。10年前，致力于解決這個問題的研究人員發現了改進氧化銦錫與柔性基層粘附的幾項策略。一種辦法是先用氧等離子體處理基層，然后再在上面沉積氧化銦錫電極。另一種辦法是在電極和基層之間插入一層薄薄的金屬（如銀）。這也有助于將基層的頂部放置在顯示屏多層餅的正中間。這種擺放方式將氧化銦錫層的脆弱界面置于顯示屏的機械中性面上，當彎曲時，它既不會受到壓力也不會受到張力。目前，制造可折疊顯示屏的一流電子公司都采用這種策略。更簡單的辦法是，你可以完全拋掉氧化銦錫電極。這還沒有在商業設備上實現，但這種策略有吸引力的原因與柔性無關。我們知道，銦有毒又昂貴，所以如果不是必須要用，真的不想用它。幸運的是，經過多年研究，研究人員（包括兩位作者在內）已經找到了可作為柔性屏透明電極的其他幾種材料。含銀納米線的柔性薄膜可能是最有希望的候選材料。這些幾乎不可見的細線可形成一個透明的導電網。

準備這層的成本很低。可用類似于油墨印刷報紙的方式將含有銀納米線的溶液涂于基層。大多數關于銀納米線的研究都集中在尋找方法降低單線接頭的電阻上。例如，可以在納米線網中添加某些其他材料；或者用設備加熱納米線層或者發送強大的電流，利用焦耳熱來熔化納米線連頭；還可以通過熱壓、用等離子或非常明亮的閃光照射來熔化這些接頭。至于哪一種處理方法最佳，很大程度上取決于敷涂納米線的基層性質。聚合物基層，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，許多透明塑料食品容器是用這種材料制成）在加熱時易產生不確定的大范圍變形。聚酰亞胺對熱不太敏感，但它呈淡黃色，會影響以這種方式產生的電極的透明度。但金屬納米線不是唯一能代替氧化銦錫制造透明導電電極的材料。

另一種是石墨烯，它是碳的一種形式，其原子排列成二維蜂窩狀。雖然石墨烯沒有氧化銦錫那么卓越的導電性和光透性，但它比目前考慮用于柔性屏的任何其他電極材料都能更好地承受彎曲。改進石墨烯導電性的方法有結合導電聚合物，以及摻雜少量硝酸或氯化金。還有一種辦法是使用導電聚合物。最主要的例子是聚（3，4-亞乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽，通常簡稱為PEDOT:PSS。這種聚合物可以溶解在水里，這樣就可以通過印刷或旋涂（一種類似于制作旋轉藝術spin art的工業生產方法）制出薄而透明的電極。正確的化學添加劑可以顯著提高這種導電聚合物薄膜的彎曲能力甚至拉伸性能。仔細選擇添加劑還可以提高顯示屏在特定電流下的發光量，使它們比使用氧化銦錫電極制作的顯示屏更亮。

到目前為止，要想制造手機、電腦顯示器和電視中使用的OLED顯示屏，其主要方法是將基層置于真空中，蒸發你想要添加的有機材料，并用金屬掩模來控制這些物質的沉積位置。可以把它看作是高技術的制版操作。但那些圖案非常精細的金屬掩模很難制造，且會浪費大部分使用的材料，導致大型顯示面板的生產成本很高。不過，一種有趣替代方式出現了：噴墨打印制造這種顯示屏。為此，需要將要敷涂的有機材料溶解在溶劑中，然后噴射到需要形成許多像素的基層上，再進行后續加熱步驟除去殘留的溶劑。杜邦、默克、日產化學和住友都在追逐這一策略，盡管用這種方式生產的設備的效率和可靠性仍遠低于所需水平。但如果有一天這些公司成功了，顯示屏制造的成本應該會大大降低。

對于智能手機用小型顯示屏制造商來說，比降低成本更重要的是降低功耗。OLED的耗電量正在不斷減小。但OLED產業越是成熟，就越難從目前每平方厘米約6毫瓦（約每平方英寸40兆瓦）的耗電量基礎上進一步削減。這收效減少對可折疊手機尤其成問題，因為它的顯示屏比普通手機大得多，可以肯定地說，折疊手機雖然很輕巧，但必須有一塊特別大的電池。至少短期內是這樣。

實現了智能手機折疊后，柔性顯示屏的下一步是什么？考慮到現在人們對手機的依賴程度，我們預計在不久的將來，人們會開始將佩戴的顯示屏直接貼在皮膚上。最初他們可能會用這些設備實現各種生物特征數據的可視化，但毫無疑問，其他應用也會出現。也許有一天，這種可穿戴顯示屏將被作為高技術的時尚宣言。

當然，用于制作這種顯示屏的材料應該足夠柔軟，附著在皮膚上時不會令人煩惱。另外，它們必須可伸縮。不過，制造內在可伸縮的導體和半導體是一項巨大的挑戰。因此，多年來，研究人員一直在退而求其次：幾何伸縮顯示屏。這種顯示屏含有剛性但微小的電子元件，附著在可伸縮基層上，并通過能夠承受拉伸變形的導電通路連接。

不過，就在最近，開發內在可伸縮的顯示屏取得了進展，其導體、半導體以及基層都可以拉伸。這種顯示屏固然需要一些新型材料，但最大的障礙是如何設計可伸縮材料來封裝這些設備，并保護它們免受濕氣和氧氣的破壞性影響。我們的研究團隊最近在這方面取得了很好的進展，成功開發出了空氣穩定好、可伸縮的發光器件，且這些器件不需要可伸縮的保護涂層。這些器件可以不失效地拉伸到它們正常長度的近2倍。目前，研究人員只制造出了非常粗糙的可伸縮顯示屏原型，僅有一個粗糙的發光元件網格。但行業對可伸縮顯示屏有巨大的興趣。2020年6月，韓國貿易、工業和能源部指定LG顯示公司領導一個由行業和學術界研究人員組成的聯盟，開發可伸縮顯示屏。只要稍加想象，你能想象出未來會發生什么：運動員的胳膊或腿上掛著生物計量顯示屏，我們手掌上戴著智能手機，顯示屏可適應各種曲面。那些正在努力開發這種未來顯示屏的人，肯定會從制作可折疊智能手機顯示屏的多年研究中獲益。毫無疑問，不僅可彎折而且可伸縮的電子產品的時代即將到來。

原文標題：能屈能伸的顯示屏

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