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柔性OLED和OLCD显示技术在消费电子产品中的应用

时间:2019-10-02 作者:Paul Cain,FlexEnable战略总监 阅读:
柔性屏不仅仅适用于手机,显示屏实际上是大多数电子设备最外层的平面。柔性屏最初主要应用于智能手机,但最新的低成本、长寿命柔性塑料屏已经可以无缝集成到设计中,催生了新的设备类型的出现。本文总结和比较了目前最主要的两种柔性塑料屏。

今年的世界移动通信大会(MWC)原本预计聚焦5G的崛起,然而,随着三星Galaxy Fold和华为的Mate X等折叠屏手机的发布,这种全然不同的技术却似乎抢了风头(图1)。采用柔性/折叠屏技术的设备也随后在2019年国际消费电子展(CES)上成为媒体报道的重点,展会第一天就博得了所有媒体版面的5%以上(资料来源:Meltwater News)。

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图1:三星Galaxy Fold折叠屏手机。

无论你认为折叠屏和曲面屏是噱头还是大势所趋,这样大胆的设计总是让人钦佩的。在去年的MWC上,Creative Strategies的消费者技术分析师Carolina Milanesi表示:“如果一个产品看起来跟去年差不多,即使这个产品里面真的有一些新东西,也很难把顾客吸引过来。但是如果你的产品一看就与众不同,那肯定会引起消费者的注意。”

柔性屏促成产品差异化

柔性屏已经以各种不同形式存在多年了,例如Apple Watch和Samsung Edge等一些屏幕较小的消费电子产品中就采用了柔性屏。这项技术的出现是为了突破传统玻璃显示屏的局限,我们却发现柔性屏还可以改变产品设计并带来新的应用。

值得注意的是,柔性屏不仅仅适用于手机。显示屏实际上是大多数电子设备最外层的平面。柔性屏最初主要应用于智能手机,但最新的低成本、长寿命柔性塑料屏已经可以无缝集成到设计中,催生了新的设备类型的出现。

下面我们总结和比较了目前最主要的两种柔性塑料屏。

柔性是由什么决定的?

首先我们需要了解柔性的定义,这非常重要。在本文中,它是指用来制造显示屏的塑料基板在制造过程中具有柔性。这些显示屏被层压到刚性保护玻璃,然后装到准备好的产品外壳上。对于可延展设备中使用的显示屏,我们则使用术语“折叠”而不是“柔性”。

OLED还是OLCD?

目前两种主要的有机显示技术为:柔性有机发光二极管屏(OLED),2012年开始投入生产, 2019 MWC上发布的三星和华为手机就是采用这种技术(图2);柔性有机液晶屏(OLCD),2014年以来一直处于开发中,将于明年投入生产。

尽管这两种技术适于不同的应用,但它们相较于当前的玻璃技术均具有以下优势:

1. 显示屏厚度低至<100μm(玻璃显示屏厚度为400~800μm);
2. 无论采用OLED或OLCD都可以将显示屏重量减少至原来的十分之一;
3. 用更耐用且防碎的塑料材料替代了玻璃材料;
4. 通过采用弯曲边缘或折叠边框去掉了显示屏边框;
5. 显示屏四周均可以弯曲,实现了全新的设计自由度。

但是,这两种技术也有明显的不同,因而可以应用于不同的领域,特别是从成本、分辨率、寿命和可折叠性等方面来看。

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图2:OTFT底板。

成本

OLED

售价2,000美元的折叠屏手机(以及柔性屏)的成本之高让人乍舌,但并非所有柔性屏都这么贵。三星Galaxy Fold零售价为1,980美元;华为将其Mate X定价在2,600美元,是iPhone XS Max(Apple最昂贵的手机,起价为1,099美元)和三星Galaxy S10+(起价为999美元)的两倍。

但是差异并非全在显示屏上,要实现可折叠性还需要考虑其它一些设计因素,包括硬件和软件,而柔性OLED屏确实具有显著优势。苹果推出iPhone X时,其显示组件的成本为110美元,而同等折叠屏OLED的成本大约是其两倍。

虽然OLED技术使得制造更大的屏幕成为可能,但除了一些利基市场,如此高昂的成本还是令人望而却步。例如,CES上展出的LG 65英寸易拉宝电视,据推测其上市成本可能高达60,000美元。不过,根据消费电子产品发展的历史经验,未来几年这个成本肯定会下降。

OLCD

OLCD显示屏用有机材料取代了硅基薄膜晶体管(TFT)。有机TFT不需要硅基TFT那样高的加工温度,制造成本显著降低。

硅基TFT需要350℃甚至更高的加工温度,这就要求特殊的基板材料(如聚酰亚胺PI膜)和处理工艺,从而制约了成本和产量。

相反,在OLCD制造中,最高加工温度还不到100℃,因此可以不用PI膜,而只用低成本的三乙酰纤维素(TAC)膜作基板。比较起来,柔性OLCD显示屏的制造成本仅为柔性有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示屏的三分之一,这将使柔性屏的应用更加广泛(图3)。

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图3:具有10mm弯曲半径的有机LCD。

分辨率

显示屏所需的像素密度随应用和显示屏尺寸的不同而变化。6英寸手机的显示屏需要490ppi的像素密度来提供2K(2560×1440)的分辨率,需要368ppi的像素密度提供高清(HD)显示。对15.6英寸的笔记本电脑来说,分别需要188ppi(2K)和141ppi(HD),而对55英寸的电视来说,则需要53ppi(2K)和40ppi。

OLED

三星Galaxy Fold折叠屏的像素密度350ppi(2152×1536),而柔性OLED能够提供更高的像素密度,例如iPhone X的450ppi,因此OLED非常适合智能手机和类似的小型设备,这些设备需要高像素密度来播放超高分辨率视频。然而正如前面提到的,柔性OLED显示屏目前的成本仍然很高,这将限制它们在旗舰类设备中的应用,哪怕旗舰类设备能够承受较高的成本。

OLCD

柔性OLCD显示屏可以实现与非晶硅玻璃LCD显示屏(350ppi)相同的分辨率和像素密度,提供2K或更高分辨率。例如,2K分辨率可满足车载显示屏的需求,4K则可以满足15.6英寸笔记本电脑、监视器、电视和数字标牌等应用需求。而对其它许多应用,例如智能家居设备,低一些的分辨率便足够了。

亮度与显示屏寿命

OLED显示屏的寿命与亮度密切相关,亮度增加一倍,显示屏的寿命就会缩短四分之一,并加剧烧屏等问题。

OLED技术是手机等低亮度应用的理想选择,全球更换手机的平均时间约为28个月(IDC),而美国仅为22.5个月(Canalys)。但对于汽车显示屏等应用,OLED就不太合适了,因为这类显示屏平均使用超过11年,要求的亮度却是手机的2.5倍。

OLCD技术采用独立的背光系统,具有较高的发光度却不会影响显示屏寿命,而且OLCD不像OLED那样容易烧屏。

柔性程度

你需不需要折叠屏?还是只要产品设计成你喜欢的曲线和形状就行了?无论是在汽车控制面板还是在家用电器中,显示屏都是系统最外层的平面,采用柔性OLED和OLCD技术的显示屏均可完美地融合到设计中,而非仅仅是设计的一个组成部分。

柔性OLED是目前唯一可实现折叠屏的技术。三星的Infinity Flex OLED屏用于三星折叠屏手机,其曲率半径(ROC)仅为1mm。它的面板采用的是一种聚合物,三星声称这种聚合物折叠“千万次”仍能保持其强度。相比之下,TAC面板的OLCD曲率半径为10mm。

反过来,OLCD面板目前只在制造过程中具备柔性,因此可以将显示屏融入系统设计中:在生产过程中显示屏可以被切割成非正方形的形状,还可以在上面开洞,以满足系统的功能设计要求——例如,环绕开关或汽车变速杆(图4)。

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图4:汽车中控台的概念设计——在弯曲的OLCD显示屏中间开孔,汽车变速杆和控制装置从孔中穿过。

应用

柔性塑料屏将成为主流显示屏,无论OLED还是OLCD均显著优于玻璃材质。但每种技术都应针对特定的大众市场,其中主要有下面四个细分市场。

电话/智能手表

柔性OLED面板已应用于高端智能手机(如Samsung Edge)和智能手表(如Apple Watch)。这种技术可提供高分辨率及更小的曲率半径,但成本却高于玻璃材质LCD和塑料材质OLCD,而且应用中要求更高的亮度也会缩短寿命。因此,OLED面板更适用于智能手机、智能手表以及类似的小尺寸(8英寸以下)消费类产品,因为这些产品的生命周期更短,价位却较高。不过,正如我们开始时所说的,柔性屏不仅仅适用于手机。

笔记本电脑和平板电脑

毫无疑问,消费者愿意使用更薄、更轻且防碎的塑料屏笔记本电脑和平板电脑。在这些应用中,柔性OLED和柔性OLCD都能提供更薄更轻的显示屏,但目前柔性OLED用于笔记本电脑这样尺寸的显示屏成本还非常高(未来几年成本将会下降)。柔性OLCD的成本结构类似于玻璃LCD——除了玻璃,也使用了许多相同的低成本组件,使其重量至少减轻了100克,并且笔记本电脑这样尺寸的显示屏的厚度也薄了0.5 mm。另外,OLCD通过折叠边框实现了无边框显示屏,从而使笔记本电脑和平板电脑在不增加重量的情况下增加了显示屏尺寸。

智能家居设备

除了替代玻璃并缩小笔记本电脑和其它现有设备的边框,低成本柔性屏还可用来创建新型智能家居设备。例如,今天的许多智能音箱都设计为圆形或圆柱形,但玻璃屏是平面的,这无疑限制了它们在非矩形设备中的使用。采用OLCD则可实现环绕式显示屏,从而开启了一种全新的视听模式,在保证产品设计外观水准的同时,提供了更佳的用户体验(图5)。

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图5:采用环绕式OLCD的智能音箱概念设计。

汽车

2018年法国汽车技术开发商Novares在NovaCar#1汽车中采用了OLCD屏设计,这是我们最喜欢的一种柔性屏应用。曲面屏安装在A柱旁边的仪表盘上,用来代替后视镜,减少了汽车风阻(图6)。用这种方法还可以消除盲点,用显示屏包住A柱,实时显示来自摄像头的图像。

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图6:Novares于2018年展示的概念产品采用柔性OLCD技术取代了后视镜。(图片来源:Novares)

柔性屏技术突破了玻璃屏的限制,一些新颖的设计和应用案例已超越人们的想象,很快我们就会看到采用弯曲屏和异形屏的主流产品。我们期待所有显示屏都用塑料制成,这一天已为时不远。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Implementing flexible OLED and OLCD display technologies in consumer electronics。)

本文为《电子技术设计》2019年10月刊杂志文章。

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