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新机发布|三星发布第二代折叠屏手机，容易碎的屏幕怎么就能折叠了？



新机发布|三星发布第二代折叠屏手机，容易碎的屏幕怎么就能折叠了？
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9月1日 ， 三星召开全球发布会正式推出旗下全新一代折叠屏手机——三星Galaxy Z Fold2 5G ， 这也是对去年年初发布的Galaxy Fold更新升级 。 同样作为世界级手机厂商的华为在去年也推出了折叠手机Mate X 。 老牌手机厂商摩托罗拉去年也推出了Razr折叠屏手机 。
其他厂商也不甘示弱 ， 纷纷推出或曝光了自家的产品 ， 小米于去年9月发布了MIX Alpha环绕屏手机;OPPO已经申请了相关专利 ， 其高管在微博也展示了自家的折叠屏手机 。
但是 ， 全球第一款折叠屏手机并非来自上述手机厂商 ， 首款发布并量产的机型其实是柔宇科技在2018年10月发布的FlexPai柔派 。
【新机发布|三星发布第二代折叠屏手机，容易碎的屏幕怎么就能折叠了？】值得注意的是 ， 在已曝光的产品中 ， 仅有华为、三星和柔宇的产品量产并发售 。 其他厂商的产品多因技术难题或者良品率过低而无法进入市场 。 即使是量产的产品 ， 因为良品率太低 ， 销售的数量也很有限 。
在传统的印象中 ， 屏幕往往是最容易受损的部分 ， 将屏幕折叠起来更是难以想象 ， 那么市面上现在的折叠屏手机是如何实现的呢?
屏幕材质的选择：LCD还是OLED?
市面上主流的屏幕材质有两种：液晶显示屏(Liquid Crystal Display ， LCD)和有机电激光显示(Organic Light-Emitting Diode ， OLED) 。
LCD的主要组成部分从下到上依次为背光层、偏光片、玻璃片、液晶层、滤色片、玻璃片和偏光片 。 这一结构的工作原理也很简单：通电后 ， 背光层发出亮光 ， 光线自下而上层层穿越 ， 到达液晶层 。 同时 ， 液晶体在电流的作用下不断调整背光层光源的红绿蓝配比从而显示不同的颜色 。 光线继续向上 ， 在滤色片的作用下就显示出不同的画面 。
其实 ， LCD的结构并没有上述的那样简单 ， 完整的结构共有11层,如下图所示：

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LCD结构
OLED的结构包括基板、阳极、传输层、有机发光层和阴极 。 与LCD相比 ， 其发光原理也简单的多：通电后 ， 正电荷从阳极出发 ， 负电荷从阴极出发 ， 正负电荷在发光层汇合 ， 屏幕就能发光 。 由于采用了有机材料 ， OLED屏幕可以自发光 ， 无需背光层 。 简单来说 ， 一块OLED屏幕 ， 就是由百千万个“小灯泡”组成 。

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OLED结构
OLED屏幕显示的色彩完全取决于发光层有机分子的类型 ， 通过在屏幕上涂抹基层有机分子 ， 不同的色彩就可显示出来 。 光的亮度或强度取决于发光材料的性能以及施加电流的大小 。
通俗来说 ， OLED的显色原理就好比舞厅的彩色光球 。 白色的灯光经过被涂抹成不同颜色的灯泡表面后就成了彩光 ， 涂层相当于有机分子 ， 其透光度和厚度、电流的大小则决定了灯光的亮度 。
OLED结构更为精简 ， 因此也就更薄 ， OLED屏幕的厚度一般在1毫米 ， 而LCD屏则达到了3毫米 。 LCD由于采用了双层玻璃板 ， 其硬度比OLED高 ， 抗击打的能力更弱 ， 很容易破碎 。 从显像原理上看,LCD的发光过程更为复杂 ， 必须要通过背光层进行 ， 而OLED只要通电就能发光 。
此外 ， OLED的色彩饱和度、对比度高和功耗均优于LCD ， 因此 ， 越来越多的厂商放弃了后者 ， 大量使用OLED材质屏幕 。
对比两种材质我们会发现 ， OLED更适合用作折叠屏 。
柔性OLED ， 用料是关键
OLED屏幕又分成刚性和柔性两类 。 柔性OLED又根据弯曲的程度分为挠曲屏、折叠屏和卷曲屏 。 挠曲屏就是大家已经熟知的瀑布屏 ， 在手机侧边屏幕向下弯曲 ， 比如小米10 ， OPPO的Find x 2 pro和华为的P30 pro都是挠曲屏 。 折叠屏是当下很主流的技术 ， 三星的Fold系列和华为的Mate X就是典型 。 卷曲屏目前较少见 ， 韩国厂商LG曾推出过量产可弯曲电视 ， 这也是为数不多的量产卷曲屏产品 。
其实在几年之前 ， 许多厂商就开始了柔性屏的探索 。
三星在2015年发布了S6 edge ， 这款产品的创新之处就在于其曲面边框 。 三星将边框的屏幕向下弯曲 ， 营造出了无边框的视觉效果 。 在此之前 ， 三星曾于2014年发布了Note Edge ， 不过遗憾的是 ， 这款手机只有右侧边框是曲面 ， 其弯曲程度亦不如S6 edge 。
由于技术限制 ， 挠曲屏不能做到自由折叠 ， 但这款产品也激发了厂商的探索 。
要使屏幕自由折叠 ， 就必须从屏幕各结构的材料下手 ， 只要各部分可以折叠 ， 那么屏幕折叠也就顺利成章 。
上面提到 ， OLED的结构包括基板、阳极、传输层、有机发光层、和阴极 。
为了保证电子的流动速率(也就是电荷的流动速率) ， 传输层多采用金属类材质 。 阴极也多采用金属涂层 。 而最重要的有机发光层一般多用小分子发光材料 ， 其中一种叫做8-羟基喹啉铝的类金属物质最为常用 。
金属类材料易于折叠 ， 那么剩下的基板和阳极应该采用什么材料呢?
在OLED中 ， 阳极和阴极必须有一个是透明的 ， 由于阴极已经采用了不透明的金属材质 ， 因此阳极的材料就有一定限制 。 业界一般采用氧化铟锡(Indium tin oxide ， ITO) 。 ITO是一种混合物 ， 主要的特性是具有优秀的导电性和透光度 。
但是 ， ITO的缺点在于其脆性 ， 在数次弯曲或较大幅度弯折后 ， 触控功能就可能失效 。 目前 ， 人们提出了一些替代材料 ， 其中具有高度量产性的是金属网格及银纳米线 。 前者是在塑胶薄膜上压制导电金属网格图案 ， 后者是将银纳米线涂抹在塑胶基板上 ， 并用激光光刻技术刻画成导电薄膜 。
要保证优秀的显示效果 ， 导电金属网格的线宽必须限制在1微米以下 ， 否则容易在图像上出现波纹 。 银纳米线的涂抹也必须均匀 ， 不然就会有严重的漫反射 ， 会导致在室外场景光线照射的情况下 ， 屏幕反射光强烈 ， 严重的时候会使得用户看不清屏幕 。
基板是屏幕结构中的底层部分 ， 类似于房屋的地基 ， 其他结构都建立在其之上 。 在解决了上层结构材料问题后 ， 基板的材料又如何选择呢?
传统的OLED结构中 ， 基板一般都是玻璃 。 但是玻璃面板无法折叠 ， 虽然有人提出可以用塑料替代 ， 但是塑料的透光性不及前者 ， 且其折叠的痕迹过大 ， 显示效果并不完美 。 目前主要的三种可代替材料有塑胶、金属箔、柔性玻璃 。
塑胶是目前最主流的基板材料 ， 不过这里的塑胶并不是普通的材料 ， 而是叫做聚酰亚胺(Polyimide) ， 该材料的综合性能极佳 ， 其耐高温达400°C以上， 长期使用温度范围-200～300°C 。 同等重量的聚酰亚胺的价格是黄金的三倍 。 就目前已经发布的折叠手机中 ， 三星Fold一代和华为Mate X均采用了该材料 。
柔性玻璃近两年也有所发展 。 保护玻璃大厂康宁对可弯曲玻璃Willow Glass的研究已经持续数年 ， 去年也公布了其可折叠显示屏玻璃 ， 不过由于技术尚不成熟 ， 无法达到商用的程度 。
对柔性玻璃的突破来自三星 ， 今年2月 ， 三星宣布首次实现了用于折叠屏的超薄柔性玻璃(Ultra Thin Glass ， UTG)盖板的量产和商用 。 三星的做法比较取巧 ， 将特殊材料注入厚度为30微米的超薄玻璃中 ， 赋予其可折叠和柔韧性的特性 。 根据法国技术公司必维国际检验集团的测试 ， 三星的此款柔性屏幕可折叠20万次 。
三星已在最新发布的Galaxy Z Fold2 5G中采用了超薄柔性玻璃 。
除了上述所说的几个主要结构外 ， OLED屏幕表层也需要保护 ， 这层保护膜一般采用无色聚醯亚胺(CPI ， Colorless Polyimide)膜 。 CPI薄膜被称作“黄金薄膜” ， 具有耐高低温、高强度和对可见光波段光线透明等特点 ， 广泛运用于微电子、航空航天、高速铁路等领域 。
由此 ， 折叠屏幕的几个材料问题都解决了 。
最后一公里的路并不好走
屏幕的材料就好比建材 ， 要建造出完美的房屋 ， 工艺也很重要 。
首先需要解决的就是折叠或者弯曲的方式 。 对于挠曲屏 ， 小米给出了不错的方案：将屏幕弯曲对折 ， 保留一定的侧边曲面 。 小米的Mix Alpha就是这种设计 ， 其好处在于屏幕仍然使用了玻璃材质 ， 相对于三星的华为的折叠屏来说 ， 其硬度得到了很好的保证 。
可折叠屏幕在折叠处的设计大约有两种方式 ， 一种是采取铰链的机构件设计 ， 二是利用磁吸式结构及类似魔术贴、钩和凹口等结构来配合 。
铰链是目前折叠屏手机普遍采用的做法 ， 以华为的mate xs为例 ， 其转轴部分采用的是“柔性铰链+可伸缩机械滑块”的双层设计 。 由于屏幕折叠后表面会拉伸 ， 且必须保证一定的弯曲率 ， 上部的柔性铰链采用液态金属 ， 目前国内只有宜安科技独家供应 。

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华为“柔性铰链+可伸缩机械滑块”铰链
可伸缩机械滑块是用来应对屏幕弯曲时对内部空间造成的挤压 。 当机身对折时 ， 铰链下方的两个滑块会缓缓缩进机身内 ， 最终完全隐藏在机身内部 。
原理很简单 ， 但要制造出这个合页一样的结构却并不容易 ， 华为的这一结构包含了一百多个零件 ， 设计数学、物理学、材料学等多门学科 ， 要求极高 。
不过有意思的是 ， 各家厂商的铰链细节却有差异 。 三星的折叠方向是左右内折（三星的Z Flip为上下内折） ， 华为和柔宇是左右外折 ， 摩托罗拉则是上下内折 。
铰链的设计本身是一种机械机构 ， 因此有一定缺陷 。 首先便是增加了手机的厚度和重量 。 在三星、华为、柔宇和摩托罗拉的四款产品中 ， 最为厚重的是柔宇的Flex Pai ， 折叠厚度和重量分别达到了17毫米和346克 ， 摩托罗拉Razr最为均衡 ， 折叠厚度14毫米 ， 重量205克 。
其次 ， 由于目前的屏幕无法向纸张一样完全折叠 ， 所以铰链折叠处无法做到向纸的折痕那样近乎一条直线 ， 一般都会存在较大的空隙 ， 这在内折的屏幕中表现的尤为明显 ， 这一问题目前无法避免 。
目前的折叠屏手机虽然还存在很多问题 ， 但是不得不承认这一技术正在变得越发成熟 。 三星发布的Fold2相比一代升级较大 ， 不仅采用了新的UTG材料 ， 屏幕素质也有所提升 。 华为的Mate X二代预计也将在今年下半年发布 ， 我们也期待华为在左右外折方案上的创新 。


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