折叠屏手机怎么做到折而不皱?

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 随着手机屏幕的逐渐增大,乔布斯认为的“黄金尺寸”早已被突破。作为智能手机的交互中心,我们一方面希望它足够便捷,可以随身携带,双手轻松触控;另一方面,我们在播放视频、浏览网页或是办公时,恨不得将它变成一块液晶显示屏。这看似矛盾的需求,催生了比曲面全面屏更激进的手机屏幕形态—可折叠屏幕。



柔性屏≠翻盖手机

在许多人看来,折叠屏手机和传统的翻盖手机相似,但它们完全是两个概念的产品。翻盖手机是两块屏幕的翻折,折叠屏手机则是一块屏幕的弯折。当然,两者之间也有一个共通点—铰链。在翻盖手机上,铰链除了内藏连接屏幕与主板的排线外,只需要考虑开合的手感。诺基亚N76的段落式转轴,摩托罗拉利落的“一弹就开”设计,都给我们留下了深刻印象。


而在折叠屏手机上,铰链设计更加复杂,电池、主板、摄像头等元器件也需要随之进行重新设计和布局。时至今日,正式发售的折叠屏手机可用一只手数过来,但它的研发进程比大多数人想象得更久。早在2012年,三星就已经多次曝光折叠屏手机设计专利,并于2013年展示了原型机。而在华为Mate X上,为了让手机合起来时不会在中间留个缝隙,工程师研究了整整3年才设计出鹰翼式铰链。


折叠屏是比曲面屏更激进的屏幕形态,在曲面OLED的基础上,可折叠屏幕进一步将原本刚性的保护玻璃变成了可弯折的柔性材料。柔性OLED和刚性OLED主要的区别在于基板和封装上。刚性OLED主要使用玻璃作为基板和封装材料,而柔性OLED的基板和封装材料则采用了柔性材料。为了达到大曲率甚至可折叠的效果,柔性屏幕的盖板通常采用高分子薄膜实现。


除了柔韧性,这层薄膜需要做到低厚度、高硬度、耐高温及高透光等特性。低厚度、高硬度和高透光特性相对好理解,厚度大了,折起来也不方便,容易出现褶子;为了保证出色的显示效果,当然也需要高透光率。加工过程中,高分子薄膜可能会采用热喷涂、热蒸镀工艺,耐高温是必备的特性。三星的柔性OLED屏幕就采用了CPI(Colorless Polyimide)薄膜方案,中文名叫做无色聚酰亚胺。这种材料具有耐高温(大于400℃),低热膨胀系数的特性。在市场中,柔性面板技术上三星一家独大,紧随其后的是京东方和LG。除此之外,多家显示面板企业均具备柔性OLED技术储备或量产能力。


▲透明的聚酰亚胺像纸一样柔软,能在低温和高温下形成薄膜,而不会改变物理性质。


▲柔性OLED屏幕使用多层柔性塑料薄膜代替传统OLED中的玻璃层,在不被破坏的情况下实现弯曲。


折叠屏手机的另一个难题在于铰链,又称MIM转轴。其中的齿轮结构保证折叠的可靠性,并且提供相应的阻尼,保证可折叠手机可在不同翻折角度下实现阅读和操作。铰链的耐用性也是很大的问题,随着每次开合的磨损,达到一定次数后,铰链性能同样会出现下降。铰链设计不仅关乎屏幕的使用寿命,还决定了柔性屏手机的形态。根据翻折的方向,柔性屏手机的折叠方式分为外折型、内折型、上下翻折型和环绕型。


▲三星曾在2017年向世界知识产权组织申请了一项带有柔性显示器的电子设备专利,从草图中可以看出铰链对折叠屏手机的重要性。


和翻盖手机固定不变的转轴不同,折叠屏手机的铰链需要考虑得更多。当柔性屏幕、铰链及支撑外壳两个平面叠在一起弯折,由于两个平面的弯曲半径不一样,导致叠在外面的平面会“变长”。折叠屏手机无论在展开状态还是折叠状态下都需要保持平整,这就要求铰链能够根据折叠的角度变化而自动伸缩。


外折型

代表机型:华为Mate X、柔派FlexPai


在众多折叠屏手机中,华为Mate X的知名度可以说相当高。它采取四层结构设计,最上面一层是高分子材料的屏幕保护层,第二层是可弯曲的柔性屏幕,第三层是软胶支撑片,最下面一层是MIM转轴。作为精密的传动部件,转轴是华为Mate X最核心的部分。


▲外折型折叠屏手机无需为柔性屏幕预留弯曲空间,相对内折型而言可以做得更薄一些。



在屏幕展开时,转轴是平整的;而当屏幕折叠起来时,转轴内部的100多个精密元器件开始了复杂的协同运动:链条沿着导轨运动,拉动其他元器件,整体的长度拉长,徐徐变形,形成半圆。再次展开屏幕时,转轴又从半圆缩短、变形,成为平面。从官方演示的运动结构图也可以看出,其结构包括多层链条,在开合过程中,支撑屏幕的链条会在不同区域间无缝切换,以此匹配屏幕的弯折。


▲华为Mate X内部铰链十分精密,通过螺丝固定,更大的机身尺寸可以容纳下两块电池。


而在柔派FlexPai上,柔宇选择了和微软Surface Book相仿的铰链设计—闭合状态下呈现明显的弯折弧形角度,以此确保屏幕折叠的耐久度。从机身背部可见,内侧折叠区域占据整机约1/5的面积,包裹了瓦楞式硅胶材质,内藏的铰链条大致为并排组合的五段机械结构。相对简单的铰链确保了FlexPai与专业手机厂商产品同一时期出货,但不够精密的设计在折叠状态下形成了较大的半径,从侧面看去中间的空隙足够插入一根筷子。


▲为降低设计和生产难度,柔派FlexPai折叠后依然存在水滴状空隙。


总的来说,当外折型手机折叠起来时,屏幕在外,半径较大;铰链及支撑层在内,半径相对较小。这类产品对柔性屏幕没有太高要求,即便像华为Mate X这样“无缝”折叠的机型,其屏幕依然保留足够的弯折半径。同时,由于无需再为屏幕预留额外的弯折空间,折叠状态下的机身厚度不会明显增加。但缺点同样存在,外折的屏幕缺乏保护,不仅容易产生划痕,受压、跌落时也更容易损坏。


内折型

代表机型:三星Galaxy Fold及W20 5G


基于自身的屏幕技术积累,三星从2012年就开始研发折叠屏手机,并于2018年的三星开发者大会上展出三星GALAXY Fold。通过拆解可见,GALAXY Fold在转轴位置,自上而下分布了三个铰链,通过多个互锁齿轮及其他零件,实现了铰链顺滑且具有段位感的开合。由于选择了内折结构,整体更依赖于屏幕本身的韧性,这也就是早期Galaxy Fold被曝出故障的一个主要原因—屏幕表层出厂就贴了一张聚酰亚胺薄膜,一旦撕毁,折叠屏就很可能会报废,并且屏幕折叠处会有显眼的折痕。同时,较为粗犷的铰链结构,也让初代Galaxy Fold在使用一段时间后出现了进灰、松动等问题。


▲三星Galaxy Fold在工厂接受压力测试,不断重复折叠、展开的过程。


重新改良的Galaxy Fold和W20 5G在铰链顶部、底部增加了防尘帽,改进了机身防尘能力,并且在屏幕背部增加金属加厚层,同时将屏幕表层保护膜延伸到边框内部。在对铰链的测试中,三星W20 5G所采用的“T型”结构铰链能够承受住200000+次的折叠和展开测试。就算每天对它进行100次开合操作,也能正常使用5年之久。


▲发布会上,三星着重展示了Galaxy Fold内部的“T型”结构铰链。


作为内折型手机,三星Galaxy Fold和W20 5G在折叠状态下,屏幕在内,仅有较小的弯折半径,对屏幕的要求更高。所以在屏幕材质的选择上,三星不仅采用高分子聚合材料氟化聚酰亚胺来代替传统的玻璃材质,还将关键性的材料氧化铟锡升级为成本昂贵的石墨烯,使屏幕具备更出色的延展性和导电性。


▲从iFixit的拆解中可以看到,T型铰链隐藏在转轴处,与屏幕背部的金属支撑板相连。


同时,脆弱的柔性屏幕不会长时间显露在外,可以有效避免日常使用时对屏幕的磨损或不小心手滑摔落时受到磕损。不过柔性屏幕毕竟不是纸张,在对折后很难恢复完全平整,所以内折型手机通常无法做到完全贴合,中间会留下缝隙,机身厚度增加自然也更明显一些。


▲折叠屏手机通常售价昂贵,在现阶段难以普及。


上下翻折型

Moto Razr 2019、三星Galaxy Z Flip


和前面的横向内折、外折设计不同,Moto Razr 2019采用了上下翻折的设计,类似于联想用于Yoga笔记本的铰链设计,方案是在屏幕两侧容纳铰链以便在手机折叠时为弯曲的屏幕留出空间。为了防止折叠状态下出现较大的间隙,Moto在屏幕下方加入了横穿手机的钢板。闭合时这块钢板会滑出为屏幕的泪滴式折叠方案留出空间。打开手机后,钢板会向上推靠在屏幕上来帮助其完美推平,并起到支撑和加固的作用。屏幕的边缘上还装有一个独特的弹簧凸轮系统,该系统起到将屏幕完全拉平的作用。凸轮由硬化钢制成,表面涂有专用的钻石涂层以提高耐用性,当手机折叠、展开时可以看到凸轮在移动。


▲Moto Razr 2019的铰链结构示意图


▲Moto Razr 2019内部设有复杂的弹簧凸轮结构,既可以对柔性屏幕提供支撑,又起到收紧拉平的作用。


无独有偶,不久之前三星也推出了相似设计的Galaxy Z Flip。Galaxy Z Flip的屏幕保护层改用了超薄柔性玻璃。这是三星旗下推出的第三款折叠屏手机产品,却是第一款使用玻璃覆盖在折叠显示面板上的折叠屏产品,这应该是新款手机改进最大的地方了。它采用双凸轮结构隐藏式铰链,在铰链边缘加入由微高切割技术制成的尼龙纤维作为防尘阀门,每次开合手机都能将灰尘隔绝在外。此外,Galaxy Z Flip的转轴也更为灵活,可以根据需要固定角度,如90°垂直摆放,方便自拍、视频通话等场景使用。


▲从Galaxy Z Flip的拆解图来看,新铰链新增了防尘纤维层,有效防止灰尘进入对铰链精密结构造成磨损。


可以看到,上下翻折型的折叠屏手机走复古路线,Moto Razr 2019无疑是重现当年的刀锋传奇,而三星Galaxy Z Flip则传承了Cleo的化妆盒造型。这类折叠屏手机没有让屏幕尺寸变得更大,而是通过对折让机身变得更加小巧,更适合用户单手操控,同时也无需顾虑前后摄像头的布局。


写在最后

在《少数派》等科幻电影中,我们对未来手机的幻想是由折叠屏或投影屏构成的手机,不仅拥有紧凑的外观,还能提供超大的“视界”,已经发布的折叠屏手机无疑将未来的概念变成了现实。但根据众多用户的反馈来看,折叠屏手机依然存在着一些问题,柔性屏幕的可靠性和铰链的使用寿命存在很大的优化空间。此外,高昂的售价依然是阻碍折叠屏手机走向普及的最大障碍,即便是目前售价相对便宜的柔派FlexPai和三星Galaxy Z Flip,也需要花费近万元。可远观而不可亵玩的折叠屏手机,仍需要等待屏幕、铰链技术的逐渐迭代,以及上游供应链的成本下降,才能被市场所接受。


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