Heute können Sie ein Smartphone mit faltbarem Bildschirm kaufen. Morgen haben wir vielleicht einen Stretching-Bildschirm
Motorola hat vor fast einem halben Jahrhundert das erste tragbare Mobiltelefon vorgestellt. Es war ungefähr so groß wie ein Ziegelstein und wog ungefähr einen halben Ziegelstein. Zehn Jahre später erschien das erste kommerzielle Mobiltelefon auf seiner Basis. Auch er sah unbeholfen aus, erlaubte dem Besitzer jedoch, unterwegs Anrufe zu senden und zu empfangen, was zu dieser Zeit neu war. Seitdem haben Mobiltelefone viele andere Funktionen erhalten. Jetzt verarbeiten sie Textnachrichten, surfen im Internet, spielen Musik ab, machen Fotos und Videos, zeigen sie auf dem Bildschirm an und zeigen ihren Standort auf einer Karte an - es gibt nichts zu zählen. Die Möglichkeiten ihrer Anwendung gingen über alle Träume hinaus, die zum Zeitpunkt ihres Auftretens existierten.
Trotz ihrer Vielseitigkeit haben Smartphones immer noch mit einem grundlegenden Fehler zu kämpfen: Ihre Bildschirme sind zu klein. Ja, einige Telefone tun mehr, um den Bildschirm größer zu machen. Wenn das Telefon jedoch zu groß wird, passt es nicht mehr in Ihre Tasche, was für viele unerwünscht ist.
Die naheliegende Lösung besteht darin, das Display wie eine Brieftasche faltbar zu machen. Seit vielen Jahren entwickeln wir an der Seoul National University geeignete Technologien. Dasselbe haben Smartphone-Hersteller getan, die diese Technologie erst in den letzten Jahren auf den Markt bringen konnten.
Klappsiebe werden sich zweifellos bald schneller ausbreiten. Einige Ihrer Verwandten oder Freunde werden einen haben, woraufhin Sie sich fragen: Wie ist es überhaupt möglich, dass sich der Bildschirm faltet? Wir haben uns entschlossen zu erklären, wie diese Technologie funktioniert, um Sie auf den Moment vorzubereiten, in dem Sie ein Telefon mit einem großen, hellen und flexiblen Display in der Tasche sehen. Ganz zu schweigen davon, dass es viel radikalere elektronische Geräte geben wird, wenn sich Bildschirme sowohl dehnen als auch biegen können.
Seit etwa zwei Jahrzehnten beschäftigen sich Forscher ernsthaft mit flexiblen Bildschirmen. Diese Projekte blieben jedoch viele Jahre in der Forschungsphase. Im Jahr 2012 beschlossen Bill Liu und mehrere andere Stanford-Alumni, flexible Displays durch die Gründung der Royole Corp. auf den Markt zu bringen.
Geschlossenes Buch: Ende 2018 Royole Corp. entwickelte das erste kommerzielle Smartphone mit faltbarem Bildschirm, FlexPai. Es wird so gefaltet, dass ein Teil des Bildschirms von außen sichtbar bleibt.
Ende 2018 stellte Royole das FlexPai- Gerät mit einem flexiblen Display vor, das sich wie ein Tablet entfalten lässt. Das Unternehmen hat gezeigt, wie ein faltbares Display 200.000 Faltzyklen standhält, und es ist ziemlich stark - mit einem Radius von nur 3 mm. Dies war jedoch kein kommerzielles Produkt, sondern nur ein Prototyp. Zum Beispiel nannte eine Rezension von The Verge es "charmant schrecklich".
Kurz darauf begannen die beiden größten Smartphone-Hersteller Samsung und Huawei, eigene faltbare Modelle anzubieten. Samsung Mobile hat das Galaxy Fold offiziell angekündigtim Februar 2019. Es verfügt über zwei faltbare Displays mit einem Faltradius von nur 1 mm, sodass das Telefon so gefaltet werden kann, dass das Display im Inneren bleibt. Im selben Monat kündigte Huawei seinen Mate the X an . Der Mate X ist im zusammengeklappten Zustand 11 mm dick und hat außen ein Display (wie der FlexPai) und einen Faltradius von ca. 5 mm. Im Februar dieses Jahres zeigten beide Unternehmen ihre zweiten faltbaren Modelle: Samsung Galaxy Z Flip und Huawei Mate Xs / 5G.
Das Schwierigste bei diesen Telefonen war natürlich, die Displays selbst herzustellen. Es war notwendig, die Dicke des faltbaren Displays zu verringern, um die Belastung beim Falten zu minimieren. Die Smartphone-Industrie hat gerade herausgefunden, wie das geht. Display- Anbieter wie Samsung Displayund Beijing BOE Technology Group Co. produzieren bereits faltbare Displays.
Dies sind AMOLED- Displays (organische Leuchtdioden mit aktiver Matrix), wie sie in herkömmlichen Smartphones verwendet werden. Anstatt wie üblich Siebe auf einem starren Glassubstrat herzustellen, verwenden Unternehmen ein dünnes flexibles Polymer. Es beherbergt die Rückseite des Displays, eine Schicht, die viele Dünnschichttransistoren enthält, die einzelne Pixel ansteuern. Es hat eine eingebaute Dämpfungsschicht, um Risse beim Biegen des Bildschirms zu vermeiden.
Obwohl flexible Displays dieses Designs in Telefonen und anderen Verbrauchergeräten immer häufiger verwendet werden, sind die damit verbundenen Standards und die Sprache, in der sie beschrieben werden, noch in Arbeit. Zumindest können sie anhand des Biegekrümmungsradius beschrieben werden. Ein anpassungsfähiges Display biegt sich nicht sehr stark, ein rollbares Display weist einen mittleren Grad an Flexibilität auf und ein faltbares Display hat einen relativ kleinen Biegeradius.
Da jedes Material, sei es ein Smartphone-Bildschirm oder ein Metallblech, an der Außenseite der Falte Spannungen und an der Innenseite Kompressionen ausgesetzt ist, müssen die elektronischen Komponenten des Displays diesen Belastungen und Verformungen standhalten. Der einfachste Weg, diese Kräfte zu minimieren, besteht darin, die Außen- und Innenfläche des Displays näher zusammenzubringen - mit anderen Worten, es so dünn wie möglich zu machen.
Um den Bildschirm so dünn wie möglich zu machen, verzichten die Entwickler auf den Schutzfilm und den Polarisationsfilm, die normalerweise auf Bildschirme geklebt werden, und eine Leimschicht dazwischen. Dies ist keine ideale Lösung, dennoch sind ein Schutzfilm und eine polarisierende Antireflexionsschicht optionale Komponenten für ein AMOLED-Display. Eine solche Anzeige erzeugt Licht von innen und verändert das von einer LED-Hintergrundbeleuchtung emittierte Licht nicht wie Flüssigkristallanzeigen.
Ein weiterer Unterschied zwischen einer flexiblen Anzeige und einer herkömmlichen Anzeige besteht darin, dass transparente leitende Elektroden von beiden Seiten der lichtemittierenden organischen Materialien verlaufen, durch die die Pixel Licht emittieren. In der Regel spielt Indiumzinnoxid (ITO) diese Rolle. ITO ist jedoch zerbrechlich und sollte daher nicht in flexiblen Displays verwendet werden. Schlimmer noch, ITO haftet beim Komprimieren schlecht auf flexiblen Polymersubstraten, Verwerfungen und Flocken.
Um dieses Problem vor einem Jahrzehnt zu bekämpfen, haben Forscher andere Strategien entwickelt, um die Haftung von ITOs auf flexiblen Substraten zu verbessern. Eine davon besteht darin, das Substrat vor dem Verkleben der ITO-Elektrode mit Sauerstoffplasma zu behandeln. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine dünne Metallschicht (wie z. B. Silber) zwischen der Elektrode und dem Substrat einzufügen. Hilft auch dabei, die Oberseite der Unterlage genau in der Mitte des Anzeigetortens zu platzieren. Dann fällt die zerbrechliche Grenzfläche in der ITO-Schicht auf die mechanisch neutrale Ebene des Displays, die beim Biegen weder komprimiert noch gedehnt wird. Bisher verwenden die führenden Unternehmen für elektronische Faltschirme diese Strategie.
Sie können es noch einfacher machen und die ITO-Elektroden vollständig entfernen. Dies wurde bei kommerziellen Geräten noch nicht durchgeführt, aber diese Strategie scheint ungeachtet der Flexibilität der Bildschirme vorteilhaft zu sein. Tatsache ist, dass Indium giftig und teuer ist. Idealerweise ist es besser, es nicht zu verwenden. Glücklicherweise haben Wissenschaftler, darunter wir beide, im Laufe der Jahre der Forschung andere Materialien aufgenommen, die als transparente Elektroden in flexiblen Displays fungieren können.
Der vielversprechendste Kandidat scheint ein flexibler Film mit Silbernanodrähten zu sein. Das Netz dieser winzigen Drähte leitet Elektrizität und bleibt dabei fast vollständig transparent. Es kann kostengünstig hergestellt werden, indem einem Substrat eine Lösung hinzugefügt wird, die Silbernanodrähte enthält - genau wie beim Drucken mit Tinte auf Papier.
Im Jahr 2019 stellte Huawei eine Reihe flexibler Display-Telefone vor. Das Foto zeigt das Mate Xs-Telefon.
Ein Großteil der Forschung zu Silbernanodrähten konzentrierte sich auf die Reduzierung des Widerstands an der Schnittmenge einzelner Drähte. Dies kann zum Beispiel durch Zugabe anderer Substanzen erfolgen. Oder Sie können die Schicht aus Nanodrähten physikalisch verarbeiten - indem Sie sie erwärmen oder einen solchen Strom anlegen, sodass die Schnittpunkte miteinander verlötet werden. Oder Sie können es heiß stempeln, mit Plasma behandeln oder bestrahlen. Welche Methode am besten funktioniert, hängt in erster Linie von dem Substrat ab, auf das die Schicht aufgetragen wird. Das Polymersubstrat verformt sich beim Erhitzen zu stark. Dies ist beispielsweise ein Polymer wie Polyethylenterephthalataus denen transparente Lebensmittelbehälter hergestellt werden. Polyimid ist nicht so hitzeempfindlich, aber sein gelblicher Farbton stört die Transparenz der Schicht.
Metallnanodrähte sind nicht die einzige ITO-Ersatzoption für die Herstellung transparenter Elektroden. Es gibt auch Graphen, eine spezielle Form von Kohlenstoff, in der Atome in zweidimensionalen Waben angeordnet sind. Graphen bleibt hinter der Leitfähigkeit und Transparenz von ITO zurück, widersteht jedoch einer besseren Biegung als jedes andere heute in Betracht gezogene flexible Anzeigematerial. Die magere Leitfähigkeit von Graphen kann verbessert werden, indem es mit einem leitfähigen Polymer kombiniert oder Salpetersäure oder Goldchlorid hinzugefügt wird.
Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von leitfähigen Polymeren. Das Hauptbeispiel ist Poly (3,4-ethylendioxythiophen) unter Zusatz von Polystyrolsulfonsäure. Dieser komplexe Name wird normalerweise durch die Abkürzung PEDOT: PSS ersetzt . Solche Polymere lösen sich in Wasser, so dass transparente und dünne Elektroden gedruckt oder zentrifugiert werden können. Geeignete chemische Zusätze können die Flexibilität eines solchen leitfähigen Polymers erheblich verbessern und es sogar dehnbar machen. Eine sorgfältige Auswahl der Additive verbessert auch das Licht pro Stromeinheit - das Display kann heller sein als das mit ITO hergestellte.
Bisher werden OLED-Displays für Mobiltelefone, Monitore und Fernseher in der folgenden Reihenfolge hergestellt. Das Substrat wird in eine Vakuumumgebung gebracht, das hinzuzufügende organische Material wird verdampft und Metallmasken werden verwendet, um die Ablagerung des Materials zu steuern. Es stellt sich so etwas wie Hightech-Siebdruck heraus. Diese dünn gemusterten Metallmasken sind jedoch schwierig herzustellen, und ein Großteil des Materials wird verschwendet, wodurch die Herstellung großer Displays teuer wird.
Eine interessante Alternative zum Herstellungsprozess solcher Displays hat sich herausgestellt: der Tintenstrahldruck. Das aufgebrachte organische Material löst sich in der Flüssigkeit und wird dann bei Bedarf auf das Substrat aufgebracht. Es bildet Pixel, wonach es erhitzt wird, um die verbleibende Lösung zu verdampfen. Diese Taktik wird von DuPont, Merck, Nissan Chemical Corp. getestet. und Sumitomo, obwohl die Effizienz und Zuverlässigkeit der resultierenden Geräte noch lange nicht erwünscht sind. Wenn sie jedoch erfolgreich sind, werden die Kosten für die Herstellung von Displays erheblich sinken.
Samsung stellte 2019 auch seine Reihe flexibler Display-Telefone vor. Auf dem Foto - Galaxy Fold.
Hersteller von kleinen Displays für Smartphones haben eine noch höhere Priorität als die Kostensenkung: Reduzierung des Stromverbrauchs. OLEDs werden mit der Zeit immer weniger leistungshungrig, aber je weiter, desto schwieriger ist es, den Stromverbrauch von derzeit 6 mW pro Quadratzentimeter zu senken. Dies ist besonders frustrierend für faltbare Telefone, die viel größer als normale Bildschirme sind. Daher können wir davon ausgehen, dass faltbare Telefone in naher Zukunft ziemlich voluminöse Batterien haben werden.
Wie wird sich das Schicksal flexibler Displays entwickeln, nachdem sie unsere Smartphones faltbar gemacht haben? Wenn man bedenkt, wie viel Zeit Menschen heute mit Smartphones verbringen, können Sie sich vorstellen, dass Menschen in nicht allzu ferner Zukunft Displays tragen werden, die direkt auf der Haut angebracht sind. Dies wird zunächst eine biometrische Datenvisualisierung sein, andere Anwendungen werden jedoch bald verfügbar sein. Vielleicht werden solche tragbaren Displays eines Tages Teil der Hightech-Mode.
Natürlich werden für die Herstellung solcher Displays ausreichend weiche Materialien verwendet, die keine Unannehmlichkeiten für die Haut verursachen. Außerdem müssen sie sich dehnen können. Die Entwicklung von Zugleitern und Halbleitern ist eine unglaubliche Herausforderung. Seit einigen Jahren untersuchen Forscher etwas Ähnliches, aber Einfacheres: geometrisch dehnbare Displays. Sie enthalten kleine, starre Komponenten, die an einer erweiterbaren Abdeckung befestigt sind. Sie sind durch leitende Schienen verbunden, die unter Spannung Verformungen tragen.
In jüngster Zeit wurden jedoch Fortschritte bei der Entwicklung erweiterbarer Displays erzielt, bei denen sich sowohl Leiter als auch Halbleiter und das Substrat dehnen. Sie benötigen natürlich neue Materialien, aber das Haupthindernis bleibt bislang die Frage, wie eine Schutzbeschichtung für solche dehnbaren Geräte entwickelt werden kann, die sie vor den zerstörerischen Auswirkungen von Feuchtigkeit und Sauerstoff schützt. Unser Team hat kürzlich gute Fortschritte in diesem Bereich erzielt, indem es lichtemittierende Stretchvorrichtungen entwickelt hat, die luftstabil sind und keine erweiterbare Hülle benötigen. Sie können fast zweimal ohne Unterbrechung gedehnt werden.
Heute werden grobe Prototypen von erweiterbaren Displays mit einem groben Gitter aus Leuchtelementen hergestellt. Die Branche zeigt jedoch großes Interesse an erweiterbaren Displays. Im Juni beauftragte das südkoreanische Ministerium für Handel, Industrie und Energie LG Display mit der Leitung eines Konsortiums industrieller und wissenschaftlicher Forscher, die erweiterbare Displays entwickeln.
Es ist leicht vorstellbar, was uns als nächstes erwartet: Sportler, die mit biometrischen Displays an Armen und Beinen aufgehängt sind. Smartphones, die in Ihrer Handfläche getragen werden können. Zeigt sich über verschiedene unebene Oberflächen an. Entwickler solcher Displays der Zukunft werden sicherlich die jahrelange Forschung nutzen können, die aus der Forschung gewonnen wurde, die die flexiblen Smartphonebildschirme von heute ermöglicht hat. Ohne Zweifel wird bald die Ära des Biegens, aber auch des Streckens der Elektronik kommen.