Складные экраны не новость, уже завтра вы сможете использовать...

2020-10-29
Почти полвека назад Motorola выпустила прототип первого мобильного телефона. Он был размером с кирпич и весил как полкирпича. Десять лет спустя из этого прототипа родился первый коммерческий мобильный телефон. 
 
 
Хотя он и выглядел неуклюже, но позволял человеку отправлять и получать сообщения во время ходьбы, что в то время уже было очень модно. 
 
С тех пор мобильные телефоны постепенно приобрели множество других функций. В настоящее время они могут обрабатывать текстовые сообщения, просматривать веб-страницы, воспроизводить музыку, делать фотографии и снимать видео, определять местоположение на карте и использовать множество других приложений, которые выходят далеко за рамки первоначального воображения людей.
 
 
Хотя телефоны и были удобными, но  производители изо всех сил пытались решить, казалось бы, основную проблему: слишком маленький дисплей. 
 
Это правда, что некоторые телефоны имели "большие" экраны, но и сами значительно увеличиваличь в размерах. Но в то время если мобильный телефоноттягивал карман в брюках, для многих он был неприемлем.
 
Очевидное решение - сделать экран складным, как бумажник. В течение многих лет разработка подходящей технологии для этого была одной из целей исследователей Сеульского национального университета. Это также важная цель для производителей смартфонов. В последние два года у некоторых производителей появилась возможность вывести эту технологию на рынок.
 
Нет сомнений в том, что телефоны со складным экраном скоро появятся в большом количестве. А вы или ваша семья могут в скором времени стать владельцем такого устройства. Поэтому вам может стать интересно: как в этом случае может гнуться дисплей? 
 
Мы объясним тайну этой технологии, чтобы, когда рядом с вами появится большой, яркий, гибкий и удобный дисплей, вы не растерялись. 
 
Исследователи работали над тем, как сделать гибкие экраны около двух десятилетий назад, но они оставались на стадии научно-исследовательских проектов много лет. Наконец, в 2012 году Билл Лю и другие выпускники технических специальностей Стэнфордского университета решили основать компанию Royole Technology Co., Ltd., штаб-квартира которой в настоящее время находится во Фремонте, Калифорния, и Шэньчжэне, Китай. 
 
 
Это похоже на закрытую книгу: в конце 2018 года Royole разработала первый коммерческий смартфон FlexPai со складным экраном
 
Этот складной дисплей выдерживает 200 000 изгибов с минимальным радиусом всего 3 мм. Но по сравнению со зрелыми продуктами телефоны FlexPai больше похожи на прототипы. Обзор, опубликованный на The Verge, назвал его «одновременно удивительным и несовершенным».
 
Вскоре после этого Samsung и Huawei, два крупнейших в мире производителя смартфонов, также выпустили свои собственные складные модели. Компания Samsung анонсировала свой Galaxy Fold в феврале 2019 года. Он оснащен складным дисплеем с радиусом изгиба 1 мм. 
 
После того, как корпус сложен внутрь, он может отображаться на внешнем экране корпуса. Позже в том же месяце Huawei также выпустила свой первый складной смартфон MateX. В сложенном состоянии Mate X имеет толщину около 11 мм, а его дисплей находится снаружи (как FlexPai), что означает, что радиус изгиба дисплея составляет около 5 мм. В феврале этого года обе компании выпустили складные модели второго поколения: Samsung Galaxy Z Flip и Huawei Mate Xs / 5G.
 
Конечно, самой сложной частью разработки этих телефонов является разработка самого экрана. Главное - уменьшить толщину гибкой панели дисплея, чтобы минимизировать изгибающее напряжение, возникающее при складывании. Промышленность только что нашла решение, и поставщики панелей, такие как Samsung Display и BOE Technology Group, уже наладили массовое производство.
 
Как и в традиционных смартфонах, эти экраны представляют собой дисплеи на органических светодиодах с активной матрицей. Однако вместо того, чтобы производить эти AMOLED на жестких стеклянных подложках, как это обычно делается, эти компании используют тонкие гибкие полимеры. Сверху гибкой подложки находится нижняя пластина, которая содержит множество тонкопленочных транзисторов, необходимых для управления одним пикселем. Эти транзисторы имеют буферный слой, предотвращающий образование трещин при изгибе дисплея.
 
Хотя гибкие экраны, построенные в соответствии с этими идеями, быстро становятся все более и более распространенными в телефонах и других электронных продуктах, стандарты, применимые к этим экранам, и термины, описывающие их возможности изгиба, все еще формируются. По крайней мере, эти дисплеи можно приблизительно охарактеризовать радиусом изгиба, который они могут выдержать.
 
Поскольку любой материал (будь то дисплей смартфона или стальная пластина) растягивается на изогнутой внешней поверхности и сжимается изнутри, электронные компоненты, составляющие дисплей, должны выдерживать эти нагрузки и соответствующие деформации, которые они вызывают. Самый простой способ - сделать внешнюю поверхность гибкого экрана ближе к внутренней поверхности, чтобы минимизировать эти силы изменения формы, что означает, что устройство сделают очень тонким.
 
Чтобы сделать дисплей максимально тонким, дизайнер отказался от защитной пленки и поляризатора, которые обычно находятся сверху, а также от клея, нанесенного между этими слоями. Хотя удаление этих элементов не является идеальным вариантом, поскольку он излучает свет изнутри, а не изменяет количество света, передаваемого светодиодной подсветкой, как на ЖК-экране, защитная пленка и антибликовый поляризатор являются лишь дополнительными компонентами AMOLED-дисплея.
 
Другое различие между гибким экраном дисплея и обычным экраном дисплея связано с прозрачным проводящим электродом, который окружает светоизлучающий органический материал, заставляющий пиксель излучать свет. Обычно эту функцию может выполнять слой оксида индия и олова (ITO). Однако ITO очень хрупок при растяжении, что затрудняет его выбор для гибких экранов. Что еще хуже, ITO часто не прилегает к гибким полимерным подложкам, что приводит к их изгибу и расслоению при сжатии.
 
Исследователи, которые боролись с этой проблемой более десяти лет, обнаружили несколько стратегий улучшения адгезии между ITO и гибкими подложками. Один из методов заключается в обработке подложки кислородной плазмой перед нанесением ITO-электрода сверху; другой метод заключается в том, чтобы вставить тонкий слой металла (например, серебра) между электродом и подложкой. Такая компоновка размещает хрупкую поверхность раздела и слой ITO на механически нейтральной поверхности дисплея, которая не сжимается и не растягивается при изгибе. В настоящее время ведущие производители электроники используют эту стратегию при производстве складных экранов.
 
Еще лучше то, что можно полностью избавиться от электродов ITO. Хотя это еще не реализовано в коммерческом оборудовании, эта стратегия привлекательна, хотя эта привлекательность не является следствием стремления к гибкости. Индий токсичен и дорог. К счастью, за прошедшие годы исследователи обнаружили несколько других материалов, которые можно использовать в качестве прозрачных электродов для гибких дисплеев.
 
Гибкая пленка, содержащая серебряные нанопроволоки, может быть наиболее многообещающим материалом-кандидатом. Эти чрезвычайно маленькие металлические провода образуют сетку, которая может проводить электричество и оставаться практически прозрачной. Нанося раствор серебросодержащих нанопроволок на подложку аналогично печатной краске на газетной бумаге, такую ​​пленку можно производить с низкими затратами.
 
Mate Xs
 
Большинство исследований серебряных нанопроволок сосредоточено на поиске способов уменьшения сопротивления соединений между отдельными проводами. Одним из способов является добавление некоторых других материалов к сетке из нанопроволоки. Или вы можете нагреть слой нанопроволоки в печи или пропустить достаточный ток через джоулев нагрев, чтобы сплавить узлы нанопроволоки и физически обработать слой. В качестве альтернативы нанопроволоки можно обрабатывать горячим прессованием, плазмой или облучением очень яркой вспышкой для сплавления узлов.
 
Однако какой метод лучше всего зависит от природы подложки нанопроволоки. Полимерные подложки, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ, многие прозрачные пластиковые контейнеры для пищевых продуктов изготавливаются из этого материала), имеют тенденцию сильно деформироваться при нагревании. Полиимид менее чувствителен к нагреву, но его желтоватый цвет влияет на прозрачность созданных таким образом электродов.
 
Но при создании прозрачных проводящих электродов металлические нанопроволоки - не единственный материал, который может заменить ITO. Другим кандидатным материалом является графен, форма углерода, в которой атомы расположены в виде двухмерной сотовой структуры. Сверхпроводимость и оптическая прозрачность графена нельзя сравнивать с ITO, и он выдерживает изгиб лучше, чем другие подходящие электродные материалы, используемые в настоящее время в гибких дисплеях. Проблема недостаточной проводимости графена может быть решена путем объединения с проводящим полимером или включения небольшого количества азотной кислоты или хлорида золота.
 
Другая возможность - использовать проводящие полимеры. Например, поли 3,4-этокситиофен: полистиролсульфоновая кислота, также известная как PEDOT: PSS. Этот полимер может быть растворен в воде, так что тонкие и прозрачные электроды можно легко изготавливать путем печати или нанесения покрытия центрифугированием. Правильные химические добавки могут значительно улучшить способность этой проводящей полимерной пленки к изгибу и даже растяжению. Тщательный выбор добавок также может увеличить количество света, излучаемого дисплеем при заданном токе, делая его ярче, чем дисплеи, сделанные с электродами ITO.
 
До сих пор органические светодиодные дисплеи, используемые в мобильных телефонах, компьютерных мониторах и телевизорах, в основном заключались в помещении подложки в состояние вакуума, испарении любых органических материалов, которые вы хотите добавить, а затем использовании металлической пленки для контроля осаждения этих веществ. Вы можете думать об этом как о высокотехнологичной операции с шаблоном. Однако эти металлические пленки с очень мелким рисунком сложно изготовить, и многие прикладные материалы тратятся впустую, что приводит к высокой стоимости больших дисплейных панелей.
 
Однако теперь появилась интересная альтернатива: струйная печать. Для этого необходимо растворить нанесенный органический материал в растворителе, а затем распылить его на подложку, где необходимо сформировать множество пикселей, и выполнить последующий этап нагрева, чтобы удалить оставшийся растворитель. 
DuPont, Merck, Nissan Chemical Corp и Sumitomo работают над этим методом. Хотя эффективность и надежность производственного оборудования все еще намного ниже необходимого. Но если эти компании однажды добьются успеха, стоимость производства дисплеев должна значительно снизиться.
 
Samsung Galaxy Fold
 
Для производителей небольших дисплеев для смартфонов снижение энергопотребления более важно, чем снижение затрат. Энергопотребление органических светодиодов (OLED) становится все меньше и меньше, и чем более развита отрасль OLED, тем сложнее дополнительно снизить энергопотребление с текущего значения около 6 милливатт на квадратный сантиметр. Это более серьезная проблема для складных телефонов, потому что у них дисплей намного больше, чем у обычных телефонов. Следовательно, в краткосрочной перспективе ваш маленький складной телефон будет иметь особенно большую батарею.
 
Принимая во внимание степень зависимости людей от мобильных телефонов, мы ожидаем, что в ближайшем будущем люди начнут носить дисплеи, прикрепленные непосредственно к коже. Они могут изначально использовать эти устройства для визуализации различных биометрических данных, но нет никаких сомнений в том, что появятся и другие приложения. Возможно, однажды этот носимый дисплей станет всего лишь модным аксессуаром в стиле хайтек.
 
Конечно, материал, из которого сделан этот дисплей, должен быть достаточно мягким, чтобы не вызывать проблем при прикреплении к коже. Что еще более важно, они должны быть растяжимыми. Однако производство проводников и полупроводников, которые по своей природе растягиваются, представляет собой огромную проблему. Поэтому в течение нескольких лет исследователи изучали альтернативы: геометрически растягиваемые дисплеи. Эти дисплеи соединяют жесткие, но крошечные электронные компоненты с растягиваемой подложкой и соединяются токопроводящими дорожками, которые могут выдерживать деформацию при растяжении.
 
В последнее время был достигнут прогресс в разработке собственно растягиваемых дисплеев - все такие дисплеи, проводники, полупроводники и подложки могут растягиваться. Конечно, для этого вида дисплея требуются новые материалы, но самым большим препятствием может быть создание растягивающихся материалов, чтобы герметизировать эти устройства и защитить их от разрушительного воздействия влаги и кислорода. 
 
Недавно был успешно разработан устойчивый к воздуху дисплей, со светоизлучающим устройством, которое не требует защитного покрытия. Эти устройства можно без сбоев растянуть почти вдвое по сравнению с нормальной длиной.
 
До сих пор были созданы только очень грубые прототипы таких дисплеев, и они представляют собой только грубую сетку светоизлучающих элементов. Но интерес индустрии к растягивающимся дисплеям огромен. В июне этого года Министерство торговли, промышленности и энергетики поручило компании LG Display возглавить альянс промышленных и академических исследователей по разработке растягиваемых дисплеев.
 
Проявив немного воображения, вы сможете увидеть будущее развитие: биометрические дисплеи, прикрепленные к рукам или ногам спортсменов, смартфоны, которые мы носим на ладонях, и дисплеи, которые можно повесить на различные изогнутые поверхности. 
 
Те, кто сейчас работает над разработкой такого дисплея будущего, несомненно, извлекут выгоду из многолетних исследований, проведенных для создания сегодняшнего складного дисплея для смартфонов. Нет сомнений в том, что скоро наступит эра электронных продуктов, которые не только гибкие, но и растягиваются.
Следите за нами в Telegram, чтобы всегда быть в курсе последних новостей.