柔性显现，随形方圆——浅谈柔性显现模组结构设计

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本文作者：

李俊峰，维信诺科技股份有限公司

李潇，海信视像科技股份有限公司

引言

显现技术是万物互联时期重要的信息载体，相比于刚性显现，柔性显现的吸收力在于能够弯曲，从而能够折叠或展开空间，未来以至能够完成拉伸显现屏幕，做到“屏”随形方圆。柔性显现将再一次扩展终端应用，例如仿生资料、智能衣服、软体机器人等。柔性显现屏幕能够基于 OLED （有机发光二极管，Organic Light Emitting Diode）、Mini/Micro LED（微米级发光二极管）技术，目前市场成熟的产品主要是柔性 OLED 显现，本文将以柔性折叠 OLED 为例来论述柔性显现屏中的柔性模组叠层设计。

柔性模组叠层设计

柔性折叠模组作为折叠产品最中心的显现部件，其显现性能、外观效果、防护强度以及触摸手感等直接影响到用户体验。柔性显现屏的应用普遍，包含从早期 Galaxy S6 Edge 及 Note7 以后的曲面屏设计，到近年来炙手可热的折叠屏手机，不同的产品规格，需求中止相应的柔性模组结构设计及开发，表 1 给出了一个基本的模组叠层结构。

柔性模组叠层结构包含名义性能外观功用层、基本显现功用层和整机结构匹配的机械功用层。折叠产品所被关注的重点性能主要归结到折叠模组上，细致表示为折叠模组的弯折、落球、笔跌以及铅笔硬度。折叠模组叠层结构设计通常包含功用叠层设定、资料选型、应力仿真剖析等设计流程，再分离一系列的叠层结构考证，中止迭代优化，肯定最优弯折叠层结构。可折叠模组资料的可弯折性是完成产品折叠规格的基础。

表1 折叠模组叠层图

柔性屏的折叠方式分内折与外折。所谓内折、外折均针对屏体显现侧而言，显现侧朝外为外折，反之为内折。业界有代表性的内折手机如三星 Galaxy Fold、Z-flip，外折如华为 Mate Xs 等，如图 1 所示。内折与外折由于折叠形态的不同，规格也会有差别。同样的手机厚度，外折对应的屏体弯折半径较大，而内折则较小，因而在中止内外折模组叠层结构设计的时分关注的性能重点也会有所取舍。内折因不运用时长时间显现面被掩盖，因而关于强度及硬度方向需求不如外折。外折因用户一直直接接触显现面，遭到冲击、刮擦等机械伤害的风险相对较大，同时弯折半径较大，因而叠层设计选材时通常选用厚度较厚、质地稍硬的资料。

图1 内外折叠屏手机

a. 三星 Galaxy Fold 内折；b. 三星 Z-flip 内折；c. 华为 Mate Xs: 外折

柔性模组资料

柔性显现模组资料主要包含光学透明胶（Optical Clarity Adhesive，OCA）、盖板、减反射层、触控屏和屏下资料，以下将分别中止引见。

OCA

OCA 是一种高分子黏弹体，透过率接近100%，柔性显现模组的各层资料都需求经过OCA、压敏胶（Pressure Sensitive Adhesive，PSA）等胶材粘结起来，贯串于整个模组叠层结构，如图 2 所示。

图2 OCA 在柔性模组叠层中的位置

普通终端产品请求 OCA 满足主动矩阵有机发光二极管（Active-matrix organic light-emitting diode，AMOLED）模组 20 万次动态弯折，并且静态弯折后能快速回复，胶体不发作屈曲或分层；因而，相比于其它模组资料，OCA的性能较为复杂，请求具有高弹性、低塑性形变、低蠕变率以及在低模量的同时有较高的界面剥离力。不同的柔性模组设计需求对 OCA 有不同的请求，并且柔性 AMOLED 模组对 OCA 请求的性能多数为相互限制关系，需分离细致实践应用环境，将性能调整均衡。

盖板

柔性盖板资料同时请求柔性（可折叠）、硬度及耐磨性（物理接触）、抗指纹以及光学性能（透光性）。

在行业第一代产品中，柔性盖板的主要结构为透明聚酰亚胺薄膜（Colorless PI， CPI）上涂布硬化涂层（Hard Coating， HC）而成。但是由于 PI 分子内部具有共轭单元，紫外光-蓝光的吸收会使得 PI 偏黄。目前能够经过化学伎俩使得全光谱的透过率大于 90%，以此来满足透明度的需求。除了光学需求之外，由于显现模组的运用需求，盖板还需求具有一定的机械性能。细致来说，需求满足特定内外折半径 / 特定速率下（有时还要特定温度环境下）20 万次弯折次数、足够大的断裂伸长率、特定载重 / 速率下 2500 次钢丝绒刮擦无刮伤、橡皮擦刮擦无白化、足够的铅笔硬度、对落球落笔具有一定维护力并能经过百格、阳光老化等一系列的机械性能测试等。

关于高分子资料而言，当其光学性能接近理想状态时，机械性能是硬而脆的，无法中止可挠性测试。机械性能和光学性能存在相互限制关系。另外，为了进步触摸感官体验，会中止抗指纹（Anti-Finger，AF）涂布，其主要指标是水滴接触角要大于 105°。

减反射层

为了降低屏幕对环境光的反射，增加对比度，AMOLED 屏需求运用圆偏振片作为减反射层来进步光学效果。柔性模组的圆偏光片的弯折性能要好，而弯折与资料的厚度相关，因而超薄偏光片成为需求的热点。柔性模组运用的偏光片比较薄，大部分在 40~80 m 左右，对其弯折性能需求通常为内折 R1.5，20 万次；外折 R3，20 万次；而底层 PSA 的性能希望与其他叠层运用的 OCA胶性能相当。

为了进一步薄化 AMOLED 屏体结构，目前减反射层的主要开发方向有二个：一为涂布式偏光片，另一种是应用黑矩阵（Black Matrix，BM）及彩色滤光片（Color Filter，CF）的吸光特性来取代偏光片抵达降低反射效果。

BM 资料的颜料为低温炭黑粒子，能够吸收一切可见光；而 CF 资料的颜料为低温红色、绿色、蓝色颜料。相对偏振片，BM&CF 的主要优势是更薄、单色的穿透更高，能够减小下层OLED 器件的功耗，进步 OLED 器件的寿命；而优势也十分明显，BM&CF 制备在 OLED、薄膜封装层上方，BM&CF 的工艺不能损坏下层的 OLED、TFE（ 薄膜封装，Thin-Film Encapsulation），故而需求固化温度更低的资料，需求 TFE 能够耐受黄光制程的水环境。低温固化的资料开发周期长、难度大，TFE 的封装效果面临应战。BM&CF 结构降反原理见图 3。

图3 BM&CF 结构降反原理

目前也有企业开发运用喷墨打印的工艺替代黄光工艺制备 BM&CF。喷墨打印工艺对薄膜封装的封装破坏相对较小，但低温固化且能够适配喷墨打印工艺的 BM&CF 资料开发难度会急剧上升，开发周期将会更长。

触控屏

触控屏也是屏体重要的机能资料之一。依据触控感应线路的空间相对位置，能够将基础技术分为两大类：外挂式（Out-cell 或 Add-on）和内嵌式（On-cell 和 In-cell）。

折叠 Out-cell 技术现阶段主要计划为 AgNW（纳米银），经过纳米银浆在膜层上构成图形化，搭配超薄膜层基材（≤ 50 m）完成薄型化的设计。近年来，为了迎合移动设备的轻薄化及可折叠形态需求，世界抢先厂商专注于展开 On-cell 触控技术。其中比较知名的是三星公司提出的封装薄膜层上触控直接图案化技术（YOUM-On Cell Touch AMOLED，Y-OCTA）结构。Y-OCTA 技术在 TFE 上直接制备触控传感器模块，无需薄膜基板和相应的 OCA 层，使得显现器在厚度上有所减少，但由于薄膜层的缘由，使得显现器具有十分好的折叠性能。面板厂折叠 On-cell 技术现阶段主要计划为金属网格布线（Metal Mesh），Metal Mesh 是一种导电资料，经过各种工艺在膜层上构成极细的金属网格线，线宽普通小于 5 m，肉眼下基本不可见。

屏下资料

底部维护膜又称底部支撑膜，由离型膜、带压敏胶（Pressure Sensitive Adhesive，PSA）的基材和带胶维护膜三层膜材贴合而成，其中这三层膜材需中止抗静电处置，而最终仅带 PSA 基材的这一层膜材保存在全模组折叠屏的结构当中。

影响柔性支撑膜耐弯折性的要要素是基材（材质、杨氏模量、断裂强度、断裂伸长率等）和 PSA（粘弹性参数、Tg 温度、剥离强度、杨氏模量等）。目前柔性支撑膜的基材主要有 PI和 PET 这两种基材，而 PI 相关于 PET 而言，其耐弯折性、蠕变及回复性更优，更不易产生折痕，故当全模组折叠屏弯折性能请求更高时，优选 PI 基材支撑膜。

为了提升屏体耐冲击特性，还需求在柔性显现屏下方增加一层缓冲材——泡棉。柔性AMOLED 显现屏大多运用聚氨酯（PU）或聚丙烯酸酯（亚克力）的泡棉。为了避免整机转轴对屏体的伤害及增加屏体平整性和回复，需求在泡棉下方增加金属片，普通而言，不锈钢片的厚度增加对屏体平整性有辅佐，厚度在 100~150 m之间。

可拉伸岛桥结构设计

无机刚性资料具有优越的电学、力学等特性，且具有成熟的制备工艺，但其不易弯折性极大地限制了它在柔性可拉伸器件上的应用。为了将无机刚性资料应用于柔性可拉伸器件中，促进可拉伸器件展开，必须使其“软化”。当前研讨中，主要有以下两种处置计划：一是刚性资料薄化，如：A.J.Baca 等人制备的厚度 100 nm 单晶硅薄膜在曲率半径为 1 cm 时，薄膜应变的峰值仅为 0.0005%。其位于 20 μm 柔性衬底上在同样弯曲到曲率半径为 1 cm 时，最大应变也仅 0.1%，两种状况均低于硅的断裂应变极限（~1%）；二是结构设计，如在弹性基底上的金属薄膜构成的微裂纹。可拉伸结构设计大致分为直导线岛桥结构、蛇形互联岛桥结构、多空泛岛桥结构，这些设计赋予了刚性资料良好的抗大变形才干。后续展开方向是功用性资料与结构设计相分离，取得更具有拉伸性能的柔性电子器件，例如动态可控的软体机器人、汇合可穿戴式传感器的可拉伸柔性显现等，但这些离真正的应用还有很长的路要走，触及器件到商品化，还需求思索其牢靠性问题、光电力学等问题。

小结

柔性显现是万物互联时期最重要的研讨方向，未来终极的柔性显现应该是能够附着恣意物理名义的随形显现屏幕。柔性模组技术的设计需求依据不同的应用场景和技术计划中止结构设计和功用性资料的选择，取得更具有拉伸性能的柔性电子屏幕。柔性显现曾经成为显现范畴下一个前沿，它的展开和应用将会给终端应用市场带来新的改造。