Сегодня можно купить смартфон со складным экраном. Завтра, возможно, у нас будет уже растягивающийся экран

Motorola показала первый портативный мобильный телефон почти полвека назад. Он был размером с кирпич, и весил как половина кирпича. Через десять лет на его основе появился первый коммерческий мобильный телефон. Он тоже выглядел неуклюже, однако позволял владельцу на ходу отправлять и принимать звонки, что в ту пору было в новинку. С тех пор мобильные телефоны приобрели множество иных функций. Теперь они обрабатывают текстовые сообщения, выходят в веб, играют музыку, делают фотографии и видео, выводят их на экран, показывают своё местоположение на карте – всего не перечесть. Возможности их применения вышли за пределы любых мечтаний, существовавших в момент их появления.

Но при всей их универсальности смартфоны до сих пор борются с фундаментальным недостатком: у них слишком маленькие экраны. Да, некоторые телефоны делают побольше, чтобы увеличить экран. Однако если телефон станет слишком большим, он перестанет влезать в карман, что будет нежелательно для многих.

Очевидное решение – сделать так, чтобы дисплей можно было складывать на манер бумажника. Много лет мы в Сеульском национальном университете занимались разработкой подходящей технологии. Этим же занимались и производители смартфонов, которые только в последние пару лет смогли вывести эту технологию на рынок.

Вскоре складные экраны, без сомнения, станут распространяться быстрее. У кого-нибудь из ваших родственников или знакомых появится такой, после чего вы зададитесь вопросом: да как это вообще возможно, чтобы экран складывался? Мы решили объяснить, как работает эта технология, чтобы подготовить вас к тому моменту, когда вы увидите, как телефон с большим, ярким и гибким дисплеем убирают в карман. Не говоря уже о том, что когда экраны смогут не только сгибаться, но и растягиваться, появится множество ещё более радикальных электронных устройств.

Серьёзно исследователи занимаются вопросами гибких экранов примерно два десятилетия. Но много лет эти проекты так и оставались в фазе исследований. В 2012 году Билл Лиу и несколько других выпускников Стэнфорда решили вывести гибкие дисплеи на рынок, основав Royole Corp.


Закрытая книга: в конце 2018 года Royole Corp. разработала первый коммерческий смартфон со складным экраном, FlexPai. Он сгибается так, что часть экрана остаётся видимой снаружи.

В конце 2018 года Royole представила устройство FlexPai с гибким дисплеем, разворачивавшееся в нечто наподобие планшета. Компания продемонстрировала, как складной дисплей может выдержать 200 000 циклов складывания, причём достаточно сильного – с радиусом всего 3 мм. Однако это был не коммерческий продукт, а лишь прототип. Например, в обзоре The Verge его окрестили «очаровательно ужасным».

Вскоре после этого два крупнейших производителя смартфонов Samsung и Huawei начали предлагать собственные складные модели. Samsung Mobile официально анонсировала выход Galaxy Fold в феврале 2019 года. У него два складных дисплея с радиусом сгиба всего в 1 мм, что позволяет складывать телефон так, чтобы дисплей оставался внутри. В том же месяце Huawei анонсировала свой Mate X. Толщина Mate X в сложенном виде составляет 11 мм, а дисплей у него снаружи (как у FlexPai), и радиус сгиба составляет около 5 мм. В феврале текущего года обе компании показали вторые складные модели: Samsung Galaxy Z Flip и Huawei Mate Xs/5G.

Сложнее всего в этих телефонах было, естественно, сделать сами дисплеи. Необходимо было уменьшить толщину складного дисплея, чтобы минимизировать идущую на него при сложении нагрузку. Индустрия смартфонов как раз придумала, как это делать. Такие поставщики дисплеев, как Samsung Display и пекинская BOE Technology Group Co. уже выпускают складные дисплеи.

Это AMOLED-дисплеи (активная матрица на органических светодиодах), как и те, что используются в обычных смартфонах. Однако вместо того, чтобы изготавливать экраны как обычно, на жёсткой стеклянной подложке, компании используют тонкий гибкий полимер. На нём размещается задняя часть дисплея – слой, содержащий множество тонкоплёночных транзисторов, управляющих отдельными пикселями. В него встроен демпферный слой, предотвращающий появление трещин при сгибании экрана.

Хотя гибкие дисплеи подобной конструкции всё чаще встречаются в телефонах и других пользовательских устройствах, стандарты, связанные с ними, и язык, их описывающий, пока что лишь формируются. По крайней мере, их можно описывать при помощи радиуса кривизны сгиба. «Податливый» [conformable] дисплей гнётся не очень сильно, «скручиваемый» [rollable] имеет среднюю степень гибкости, а «складной» [foldable] имеет достаточно малый радиус сгиба.

Поскольку любой материал, будь то экран смартфона или лист металла, испытывает растяжение снаружи сгиба и сжатие внутри, электронные компоненты дисплея должны сопротивляться этим нагрузкам и деформациям. Легче всего минимизировать эти силы, как можно сильнее сблизив внешнюю и внутреннюю поверхность дисплея – проще говоря, сделать его как можно тоньше.

Чтобы сделать по возможности тонкий экран разработчики отказываются от защитной плёнки и поляризующий плёнки, которые обычно клеят на экраны, и слоя клея между ними. Это не идеальное решение, но всё же защитная плёнка и поляризационный антибликовый слой – для AMOLED-дисплея компоненты необязательные. Такой дисплей генерирует свет изнутри, а не изменяет свет, излучаемый светодиодной подсветкой, как делают жидкокристаллические дисплеи.

Ещё одно отличие между гибким и обычным дисплеем состоит в прозрачных проводящих электродах, идущих с обеих сторон испускающих свет органических материалов, благодаря которым пиксели испускают свет. Обычно эту роль исполняет оксид индия-олова (indium tin oxide, ITO). Однако ITO хрупкий, поэтому в гибких дисплеях его использовать не стоит. Что хуже, ITO плохо приклеивается к гибким полимерным подложкам, коробится и отслаивается при сжатии.

Сражаясь с этой проблемой десять лет назад, исследователи подобрали другие стратегии улучшения прилипания ITO к гибкой подложке. Одна из них – обработать подложку кислородной плазмой перед приклеиванием ITO-электрода. Другая – вставить тонкий слой металла (например, серебра) между электродом и подложкой. Также помогает поместить верхнюю часть подложки ровно в середину дисплейного пирога. Тогда хрупкий интерфейс в слое ITO попадает на механически нейтральную плоскость дисплея, не испытывающую при сгибании ни сжатия, ни растяжения. Пока что ведущие электронные компании, производящие складные экраны, используют эту стратегию.

Можно поступить ещё проще, и совсем избавиться от электродов ITO. Пока такого в коммерческих устройствах не делали, однако эта стратегия кажется выгодной безотносительно гибкости экранов. Дело в том, что индий токсичен и дорог, поэтому в идеале его лучше не использовать. К счастью за годы исследований учёные, в том числе и мы двое, подобрали и другие материалы, способные работать прозрачными электродами гибких дисплеев.

Наиболее многообещающим кандидатом выглядит гибкая плёнка с серебряными нанопроводами. Сетка из этих тонюсеньких проводников проводит электричество, оставаясь почти полностью прозрачной. Её можно недорого создать, добавляя на подложку раствор, содержащий серебряные нанопровода — как при печати чернилами на бумаге.


В 2019 году Huawei показала линейку телефонов с гибкими дисплеями. На фото – телефон Mate Xs.

Большая часть исследований в области серебряных нанопроводов концентрировалась на уменьшении сопротивления в местах пересечения отдельных проводов. Это можно сделать, например, добавляя к ним другие вещества. Или можно физически обработать слой нанопроводов – нагрев его, или подав такой ток, чтобы места пересечения спаялись друг с другом. Или можно штамповать его горячим, воздействовать на него плазмой или облучать. Какой из методов лучше покажет себя, зависит в первую очередь от подложки, на которую наносится слой. Полимерная подложка слишком сильно деформируется при нагреве. Это, например, такой полимер, как полиэтилентерефталат, из которого делаются прозрачные контейнеры для еды. Полиимид не так чувствителен к нагреву, но его желтоватый оттенок нарушает прозрачность слоя.

Металлические нанопровода – не единственный вариант замены ITO для создания прозрачных электродов. Есть ещё графен – особая форма углерода, в которой атомы выстраиваются в двумерные соты. Графен не дотягивает до проводимости и прозрачности ITO, но он лучше выдерживает сгибание, чем любой другой из рассматриваемых сегодня материалов для создания гибких дисплеев. А скудную проводимость графена можно улучшить, комбинируя его с проводящим полимером, или добавляя к нему азотную кислоту или хлорид золота.

Ещё одна возможность – использование токопроводящих полимеров. Основной пример — поли (3,4-этилендиокситиофен) с добавлением полистирол сульфокислоты. Это сложное название обычно заменяют аббревиатурой PEDOT:PSS. Такие полимеры растворяются в воде, благодаря чему можно прозрачные и тонкие электроды можно печатать или центрифугировать. Подходящие химические добавки могут значительно улучшить гибкость такого проводящего полимера и даже сделать его растяжимым. Тщательный выбор добавок также улучшает такой показатель, как количество света на единицу тока – дисплей можно сделать ярче, чем те, что производятся при помощи ITO.

Пока что органические светодиодные дисплеи, используемые в мобильных телефонах, мониторах и телевизорах, изготавливают в следующей последовательности. Подложку помещают в вакуумную среду, испаряют органический материал, который на неё нужно добавить, и используют металлические маски, чтобы управлять осаждением материала. Получается что-то вроде высокотехнологичной трафаретной печати. Но такие металлические маски с очень тонким рисунком сложно производить, а значительная часть материала пропадает впустую, из-за чего большие дисплеи получаются дорогими в производстве.

Появилась интересная альтернатива производственного процесса таких дисплеев: струйная печать. Наносимый органический материал растворяется в жидкости, а потом наносится на подложку там, где надо. Он формирует пиксели, после чего его разогревают, чтобы испарить остатки раствора. Такую тактику испытывают DuPont, Merck, Nissan Chemical Corp. и Sumitomo, хотя эффективность и надёжность получающихся устройств пока далека от желаемой. Но если им это удастся, стоимость производства дисплеев значительно снизится.


Samsung в 2019 также представила свои линейки телефонов с гибкими дисплеями. На фото — Galaxy Fold.

У производителей небольших дисплеев для смартфонов есть ещё более приоритетная задача, чем понижение стоимости: уменьшение энергопотребления. Органические светодиоды со временем получаются всё менее прожорливыми, однако чем дальше, тем сложнее уменьшать энергопотребление от текущей отметки в 6 мВт на квадратный сантиметр. Это особенно неприятно для складных телефонов, экраны которых гораздо больше обычных. Поэтому можно смело предположить, что у складных телефонов в ближайшей перспективе будут довольно объёмные аккумуляторы.

Как дальше будет развиваться судьба гибких дисплеев, после того, как они сделают наши смартфоны складными? Учитывая то, насколько много времени сегодня люди проводят за смартфонами, можно представить, что в недалёком будущем люди начнут носить дисплеи, прикрепляемые непосредственно к коже. Сначала это будет визуализация биометрических данных, но вскоре появятся и другие варианты применения. Возможно, такие носимые дисплеи когда-нибудь станут частью высокотехнологической моды.

Естественно, для производства таких дисплеев будут использоваться достаточно мягкие материалы, не причиняющие неудобств коже. Кроме того, они должны будут уметь растягиваться. Разработка растяжимых проводников и полупроводников – задача невероятно сложная. Уже несколько лет исследователи изучают нечто похожее, но более простое: геометрически растягиваемые дисплеи. В них содержатся небольшие жёсткие компоненты, присоединённые к растяжимой обложке. Соединены они проводящими дорожками, переносящие деформацию при растяжениях.

Однако в последнее время наблюдается прогресс в разработке растяжимых дисплеев – таких, у которых растягиваются и проводники, и полупроводники, и подложка. Им, конечно, требуются новые материалы, но главным препятствием пока остаётся вопрос того, как разработать защитное покрытие таких растяжимых устройств, защищающее их от разрушительного воздействия влаги и кислорода. Наша команда недавно достигла неплохого прогресса в этом вопросе, разработав стабильные на воздухе растяжимые устройства, испускающие свет, и не требующие растяжимого защитного покрытия. Их можно растягивать почти вдвое без нарушения работы.

Сегодня производятся грубые прототипы растяжимых дисплеев, с крупной сеткой светящихся элементов. Но индустрия выказывает огромный интерес к растяжимым дисплеям. В июне министерство торговли, промышленности и энергетики Южной Кореи дало задание LG Display управлять консорциумом из промышленных и научных исследователей, разрабатывающим растяжимые дисплеи.

Легко можно представить, что нас ждёт дальше: спортсмены, увешанные биометрическими дисплеями, размещёнными на руках и ногах. Смартфоны, которые можно носить на ладони. Дисплеи, натягивающиеся на разные неровные поверхности. Разработчики подобных дисплеев будущего определённо смогут воспользоваться многолетними наработками, полученными от исследований, позволивших создать сегодняшние гибкие экраны для смартфонов. Без сомнения, уже скоро наступит эра не только сгибающейся, но и растягивающейся электроники.