有人說，過去的2021年是折疊屏手機的爆發(fā)年。除了此前已經(jīng)涉足折疊屏手機的華為、三星、摩托羅拉、柔宇之外，據(jù)說OPPO、vivo和小米也將加入戰(zhàn)局。

雖說折疊屏手機現(xiàn)在還是一款相對小眾的產品，但這些頗具實力的廠家相繼入局，是否意味著“折疊未來”已經(jīng)越來越觸手可及了呢？

不可否認，在華為、三星、摩托羅拉、柔宇等廠家的前期探索和認真迭代下，市面上的折疊屏手機已經(jīng)日臻完善，實用性越來越高。

對于那些隨后入局的廠家來說，他們具備更大的后發(fā)優(yōu)勢，充分汲取了那些先行者們的經(jīng)驗，尤其是在如何減輕折痕這個問題上。

不知大家還曾記得，前年三星的第一款折疊屏手機，剛上市就大面積爆發(fā)設計缺陷問題。急急忙忙召回打補丁，又急急忙忙二次上市。

三星Galaxy Fold屏幕品質問題

雖然當時一眾“友商”們都在幸災樂禍，但是平心而論，這次的屏幕問題完全歸咎于工程設計實在有失公允。要怪也只能怪手機廠商的理想太過“豐滿”，但是材料技術的現(xiàn)實水平卻又相對“骨感”！

別看“折疊屏”是個純牌的電子產品，可是真正使其成為“折疊的屏幕”的反而是幾項重要的材料技術！其中最為關鍵的就是具有可彎折性能的光學膠膜（OCA）技術！

“天降大任”于OCA

別看光學膠膜（OCA）名字中帶個“膠”字，其實和“粘接”功能相比，讓屏幕變得更“漂亮”才是它的主要任務。

由于折射率與玻璃基本一樣（1.47-1.48），因此在蓋板玻璃和顯示模組之間貼上這層OCA膠膜就可以顯著減少界面上的反射光線，進而大幅提高亮度和對比度。

光學膠膜（OCA）的工作原理及效果

正因如此，在手機屏幕還沒被“掰彎”的那些年，可以說OCA膠膜只需要躺在那里什么也不做就足以瞬間拉爆顯示屏的“顏值”了！

但是無奈這世界變化快，誰都沒想到手機廠商突然就又需要屏幕“可彎可直”一秒切換。于是OCA膠膜“出工不出力”的舒服日子也隨之結束了！

別看“折疊屏”模組只是一層比紙張還薄的膜，但如果把橫截面放大1000倍，就會發(fā)現(xiàn)它其實就是一張由n多層功能膜復合而成的“千層餅”！

其中的AMOLED膜負責發(fā)光，觸控膜負責收集按壓信號，偏光片讓亮度更高，薄膜蓋板負責抵御外界沖擊……而這些功能膜之間一定都有OCA膠膜。

折疊屏的構造（簡化）

(Foldable OLED Displays Whitepaper_Joel T. Abrahamson)

考慮到折疊屏需要承受一天幾百次的“掰彎掰直”，所以此時的OCA膠膜除了提升屏幕的顯示效果之外，更重要的任務就變成了為各個脆弱的功能層提供機械支撐。無論折疊屏遭遇何種“摧殘”都要保證各層功能膜的結構穩(wěn)定！

但是從過去這一年初代折疊屏手機的表現(xiàn)來看，可折疊OCA膠膜出的問題還不少。重災區(qū)就是所有折疊屏都擺脫不掉的“折痕”區(qū)域。

三款主流機型屏幕上的“折痕”（知乎@Dieci）

如果打開B站搜索“折疊屏”，可以看到大量UP主在吐槽屏幕的折痕位置特別容易出現(xiàn)壞點的問題！

究其原因，主要是折疊屏的彎折位置力學表現(xiàn)非常復雜，傳統(tǒng)OCA膠膜已經(jīng)完全不能勝任！而全新的可折疊OCA膠膜上崗時間又不長，注定會出現(xiàn)很多粘接失敗與應力破壞問題！

說到這里就有必要引入材料力學里面的一個概念——“中性層”

中性層

 

其實“折疊屏”的力學結構和雜志差不多是一樣的。如果我們把雜志彎折，在外力的擠壓下每一頁紙都會出現(xiàn)位移，其中越靠近內側的紙張位移越多。

彎折對物體產生的應力（來源：公眾號@膠膜矩陣）

這個現(xiàn)象告訴我們，外力在彎折位置會分解成兩個方向截然相反的作用力——

• 在彎折部位的外側分解為指向兩側的“拉伸應力”，這一區(qū)域就叫“拉應力層”；

• 在彎折部位的內側分解為指向中間位置的“擠壓應力”，這個區(qū)域被稱為“壓應力層”。

拉應力層vs壓應力層

（柔性AMOLED顯示器的模組力學研究_黨鵬樂）

當“折疊屏”的各功能膜都被OCA膠膜粘牢成為一個整體，那么在中間某一層區(qū)域，“擠壓應力”和“拉伸應力”會互相抵消。這一帶就被稱為“中性層”！

中性層——應力為0的安全區(qū)域

（柔性AMOLED顯示器的模組力學研究_黨鵬樂）

“中性層”是一個安全區(qū)域，基本可以認為沒有應力作用在這里，因此出現(xiàn)故障的幾率也大大降低！

但是“中性層”之外的那些功能膜就比較難搞了：如果OCA膠膜粘的太結實，處于“拉應力層”的功能膜就容易因為拉伸應力沒辦法釋放發(fā)生斷裂；但是如果OCA膠膜粘接力偏弱，處于“壓應力層”的膜則會在擠壓應力作用下脫膠分層。

拉應力層vs壓應力層

（柔性AMOLED顯示器的模組力學研究_黨鵬樂）

作為OCA膠膜來說，想要同時滿足這兩個完全相反的訴求簡直就是mission impossible！也難怪折疊屏手機的折痕位置這么容易出問題！

既然問題原因已經(jīng)分析出來，那么解決問題的思路也就很清晰了——創(chuàng)造多個中性層！

折疊屏容易壞，OCA當自強

 

因為如果把折疊屏整體的“中性層”分散到每個功能膜上，也就意味著各層的功能膜就都處在了“安全區(qū)域”。原本不可調和的矛盾被順勢化解于無形，再也沒有你被擠壓應力摧殘，而我卻在被拉伸應力撕裂的問題。

分散中性層，創(chuàng)造多個“安全區(qū)域”

(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)

而實現(xiàn)這個方案的命門就在于——要讓OCA膠膜具備更高的剪切應變！意思大概就是折疊屏一彎折，OCA膠膜就要有比較大的剪切形變量。盡量讓各個功能層不受相鄰層的約束，都有空間實現(xiàn)相對獨立的滑動。

OCA膠膜的剪切應變

(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)

這樣的好處就是各功能層受到的應力大大降低，對于每一層功能膜來說，就各自擁有了一個獨立的中性層。

理論說了半天，還是要來點硬核數(shù)據(jù)聯(lián)系一下實際。

OCA8211是3M?公司出品的經(jīng)典款超薄光學膠膜，厚度僅為25微米，粘接強度高，非常適合玻璃蓋板的貼合；而3M?CEF3501則是專門為折疊屏量身定做的光學膠膜產品，賣點就是儲能模量非常低！翻譯過來就是這款膠膜特別柔軟很容易就能有比較大的剪切應變。

兩款OCA膠膜物性對比

(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson; 3m.com)

運用FEA力學仿真軟件可以看到，使用CEF3501和OCA8211兩種光學膠膜的折疊屏都出現(xiàn)了功能層的相對位移。

CEF3501光學膠膜的剪切應變

(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)

但是由于CEF3501的儲能模量超低，比OCA8211足足低了60%，因此CEF3501更大的剪切應變就使得折疊屏功能層出現(xiàn)了更大幅度的相對滑動。而這個關鍵的性能直接就決定了折疊屏彎折過程中的力學表現(xiàn)！

拉應力層的力學表現(xiàn) 

拉應力層，也就是彎折的最外層部分，這里是所有人關注的重點。從FEA仿真結果來看，使用OCA8211的屏幕彎折處承受了遠大于CEF3501的應力。

CEF3501 vs OCA8211 拉應力層的力學表現(xiàn)

(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)

果然，使用OCA8211的屏幕被拉伸的量，竟然是CEF3501的200%。

使用不同OCA膠膜后折疊屏幕的拉伸形變率

(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)

如此之大的拉伸形變會導致非常嚴重的材料疲勞，而屏幕的拉應力層在多次彎折后的下場也只有一個——斷裂！

拉應力層在反復彎折后因拉伸應力而斷裂

（柔性AMOLED顯示器的模組力學研究_黨鵬樂）

壓應力層的力學表現(xiàn) 

壓應力層的力學情況可就比較復雜了，總體來說會受到水平和垂直兩個方向的應力作用：

• 從兩側指向中間的水平擠壓應力；
• 擠壓應力相遇后又合成了一個垂直方向的剝離力！

此處的應力不光想著把功能膜給擠壓變形，更琢磨著把它從OCA膠膜上撕下來。

壓應力層在反復彎折后因擠壓應力而脫膠分層

（柔性AMOLED顯示器的模組力學研究_黨鵬樂）

從FEA仿真結果來看，彎折展開后，兩組的內側壓應力層均有翹曲變形。但是由于CEF3501的儲能模量較低，應力應變更大，也就使得測試樣件的翹曲程度遠遠低于OCA8211。

CEF3501 vs OCA8211 拉應力層的力學表現(xiàn)

(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)

同時從產品參數(shù)可以看到，CEF3501具有和OCA8211同樣強度的粘接力！在模量大幅降低了60%的情況下保持同樣的粘接強度，也就意味著CEF3501變相大幅提高了粘接性能。

兩款OCA膠膜物性對比

(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson; 3m.com)

至此，通過3M的CEF3501的測試數(shù)據(jù)，我們已經(jīng)看到了讓“折疊屏”變得更“結實抗造”的技術方向。（以上膠材內容參考來源：膠我選）

既然我們知道了折疊更大的問題是折痕，折痕更大的問題又來自于OCA和應力，那接下來我們來看看怎么評估和量化一個折疊屏產品的彎曲應力風險呢？

下面我們詳看折疊OLED屏幕的彎折應力仿真工作：

柔性OLED屏幕在彎折的過程中，容易出現(xiàn)器件損傷、膠層剝離等現(xiàn)象。調整顯示層的應力中性層位置和光學透明膠（OCA）膠層的應變是解決該問題的主要途徑。

本文通過建立柔性OLED屏幕的彎折仿真模型，重點探究影響顯示層處應力中性層位置的因素，從而進行調整，避免彎折過程對顯示層造成的過度破壞，同時，減小膠層應變，使膠層剝離問題得到改善。

對柔性OLED屏幕的彎折過程進行仿真分析，比較彎折90°并靜置300 s時，

各層材料的堆疊結構、保護蓋板剛度、OCA膠層厚度、背板厚度以及彎折半徑對顯示層的應力、各OCA膠層應變產生的影響，

通過材料參數(shù)、結構的調整，達到改善、消除上述缺陷的目的。

• 仿真模型建立

幾何模型建立及邊界條件設置

柔性OLED屏幕由多層結構組成，屏幕長度為150mm，下方設置剛性體，其尺寸參數(shù)如圖 1(a)所示。

 

圖1幾何模型

彎折時，由剛性體的轉動帶動屏幕彎折，為使彎折部位形成圓弧狀以盡量減小受力，設定對稱軸與參考點之間的距離為R*π/4，當半徑為5mm時，該距離即7.85mm，此外，參考點還需向左運動（π/4-1）*R，即2.85mm，最終達到圖 1(b)位置。

屏幕結構由上至下依次為保護蓋板、OCA、觸摸層、OCA、偏光片、OCA、顯示層、基板、OCA、背板，各部分厚度如圖 2所示。

 

圖2屏幕結構

本文采用Abaqus仿真軟件，將仿真模型簡化為二維平面應變問題，給定的邊界條件為，前1s內，剛性體圍繞參考點逆時針旋轉，轉速為1.57 rad/s，同時向左移動，速度為2.85 mm/s；隨后，靜置300 s以貼近實際使用情況。

網(wǎng)格劃分

分析模型采用四面體網(wǎng)格進行劃分，長度方向尺寸為0.025 mm，厚度方向所有結構均劃分為三層。網(wǎng)格單元類型選擇平面應變、雜交、減縮積分單元。

材料模型

保護蓋板彈性模量為5.6 GPa；背板彈性模量為4.076 GPa；選用的OCA膠材具有超彈性和黏彈性，是一種不可壓縮材料。其中，超彈性描述變形過程中的非線性彈性行為；黏彈性描述材料性能與應變率之間的關系。

超彈性本構模型有Ogden、Mooney-Rivlin、Van der Waals、Yeoh等多種形式。由于Yeoh模型與實驗數(shù)據(jù)擬合結果較好，且計算收斂性強，因此本文采用Yeoh模型，其具體參數(shù)如表1所示。

表1Yeoh模型參數(shù)

C10	C20	C30
0.010 605 3	-0.000 120 6	1.731 8×10-6

黏彈性參數(shù)可通過剪切松弛實驗數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后輸入得到，如圖3所示。

圖3黏彈性數(shù)據(jù)

• 結果與討論

不同堆疊結構對比

在探究不同堆疊結構對顯示層應力中性層的影響時，由于顯示層與基板為一整體，因此選取顯示層與封裝層作為空白對照，以此為基礎增加其他材料，對比5組不同結構：

1、顯示層+基板；

2、偏光片+OCA+顯示層+基板；

3、觸摸層+OCA+偏光片+OCA+顯示層+基板；

4、保護蓋板+OCA+觸摸層+OCA+偏光片+OCA+顯示層+基板；

5、全結構模型。

對比五組結構顯示層在彎折90°并靜置300 s時的應力中性層變化，結果如圖4所示。

圖4不同堆疊結構對顯示層應力影響

可見：

• 在顯示層與基板的基礎上，增加偏光片后，應力中性層明顯上移；

• 加入觸摸層后，應力中性層繼續(xù)上移；
• 保護蓋板的加入沒有產生影響；
• 但最后加入背板后，應力中性層位置發(fā)生了顯著變化，下移程度較大，基本回到初始位置。

從中可以發(fā)現(xiàn)，結構的變化和調整對應力中性層位置改變有很大影響。

保護蓋板不同剛度對比

保護蓋板屬于柔性屏幕結構中較易進行調整的膜層，基于此，對保護蓋板進行材料參數(shù)調整，探究其剛度對應力應變的影響。

選用彈性模量分別為2.8 GPa、5.6 GPa、11.2 GPa、28.0 GPa、56.0 GPa的保護蓋板進行對比分析，討論對顯示層應力中性層和OCA膠層應變的影響，結果如圖5所示：

圖5保護蓋板不同剛度對比

從圖5中可以看出：

• 在不同剛度下，顯示層應力曲線基本重合，即保護蓋板剛度對顯示層應力中性層的影響可以忽略不計；
• 而OCA膠層的應變隨著剛度變化有明顯改變—>保護蓋板彈性模量變大，各OCA膠層的應變也有不同程度增加。

保護蓋板的剛度變化，僅對該層應力產生了較為顯著的影響，隨著剛度增加，該層應力顯著上升，因此與之相鄰的OCA膠層應變也隨之變化，從而間接影響到其他膠層的應變。適當降低保護蓋板剛度，有利于屏幕彎折過程的優(yōu)化。

保護蓋板下OCA膠層不同厚度對比

OCA膠層用于屏幕中不同膜層之間的粘結，其厚度易于調整，因此探究OCA膠層厚度對應力應變的影響很有必要。

為便于比較，僅對保護蓋板下的OCA膠層厚度進行改變，厚度分別取為25μm、50 μm、75μm、100μm、125μm，其結果如圖 6所示。

圖6保護蓋板下OCA不同厚度對比

由圖6可知：

• 在不同OCA厚度下，顯示層應力曲線基本重合，即OCA膠層厚度對顯示層應力中性層的影響可以忽略不計；

• 而各OCA膠層的應變，與OCA膠層厚度變化關系密切：

• 隨著保護蓋板下OCA膠層厚度增大，該層應變明顯降低，其他層應變也有較小減小。OCA膠層厚度的增大，僅對與之相鄰的保護蓋板、觸摸層產生較明顯的影響。

一方面，保護蓋板由于膠層厚度增加，使彎折時的曲率增加，從而導致應力的增大，對膠層應變減小起抑制作用；另一方面，膠層厚度增大，使單位長度膠層受力減小，對應變減小起促進作用，且效果更為顯著，因此，膠層應變最終呈現(xiàn)出降低趨勢。

為降低保護蓋板的剝離風險，可以適當增厚其下部OCA膠材的厚度。

背板不同厚度對比

背板常常處在柔性屏幕的最下方，對光學器件起到保護和支撐的作用，因此，背板對顯示層中性層的影響也需進行探討。

選用厚度分別為25μm、50μm、75μm、100μm、125μm的背板進行對比分析，其結果如圖 7所示。

圖7背板不同厚度對比

可見：

• 背板厚度對顯示層的應力中性層位置和膠層應變均有很大影響。

• 背板厚度的增加，使顯示層的彎折曲率增大，應力中性層位置下移。

因此，增大背板厚度有利于降低OLED器件所受到的拉應力，對顯示層起保護作用，但不利于膠層應變的降低，需綜合考慮進行調整。

不同彎折半徑對比

柔性OLED屏幕的彎折半徑是設計時必須考慮的因素。在進行彎折半徑對屏幕影響的研究時，采用半徑3mm、4mm、5mm、6mm、7mm做對比，其結果如圖8所示。

圖8彎折半徑對比

可以看出：

• 隨著彎折半徑的增大，顯示層應力下降，膠層應變變化不顯著。

• 彎折半徑的增大，使得整體結構的受力情況都有所改善。

• 結論

本文針對柔性OLED屏幕彎折時的應力應變進行模擬分析，并討論了堆疊結構、玻璃蓋板剛度、玻璃蓋板下OCA膠層厚度、彎折半徑等4個因素，對顯示層應力中性層位置和各OCA膠層厚度的影響，經(jīng)過對比分析，得出以下結論：

(1) 不同堆疊結構對顯示層的應力中性層位置有很大影響，是造成應力中性層位置變化的重要因素。

(2) 當保護蓋板剛度從2.8 GP提高到56 GPa時，顯示層的應力中性層位置基本沒有改變，但各個OCA膠層應變有所增加。

(3) 保護蓋板下OCA膠層厚度從25 μm增加到125 μm時，顯示層的應力中性層位置基本無變化，但該層應變有顯著降低。

(4) 背板厚度由25 μm增大到125 μm時，顯示層的應力中性層位置下移，與其相鄰的OCA膠層應變增大。

(5) 彎折半徑由3 mm增大到7 mm時，顯示層應力有明顯下降，且OCA膠層應變變化不顯著。

綜合以上可知：

適當減小保護蓋板剛度、背板厚度，增大保護蓋板下OCA厚度，均有利于改善膠層剝離現(xiàn)象；增大背板厚度有利于顯示層拉應力降低，彎折半徑的增大有利于結構整體應力優(yōu)化，可對顯示層起保護作用。

(上述仿真內容材料參考：液晶與顯示   2018年第33卷第7期 555-560 )

關于折疊屏的折痕問題，應該說是折疊屏手機自誕生之日起，各路廠商就極力想要攻克的難關，除了本身內部結構及材料改善，也還有許多細節(jié)的改善方法。

例如三星，就在更新一代的產品上使用了UTG玻璃作為折疊材料，而鉸鏈在閉合形態(tài)下，依舊能夠讓屏幕保持一定的折疊角度，使得折痕比上一代產品有了進一步的減輕；

華為則在前兩代折疊屏手機上，通過外折的方式和內部巧妙的機械結構，來減輕折痕情況。

也許不久后，大家可以看見諸如卷軸屏手機等等各種各樣的新形態(tài)產品了。