三星Galaxy Fold屏幕品质问题
虽然当时一众“友商”们都在幸灾乐祸,但是平心而论,这次的屏幕问题完全归咎于工程设计实在有失公允。要怪也只能怪手机厂商的理想太过“丰满”,但是材料技术的现实水平却又相对“骨感”!“天降大任”于OCA
别看光学胶膜(OCA)名字中带个“胶”字,其实和“粘接”功能相比,让屏幕变得更“漂亮”才是它的主要任务。
光学胶膜(OCA)的工作原理及效果
正因如此,在手机屏幕还没被“掰弯”的那些年,可以说OCA胶膜只需要躺在那里什么也不做就足以瞬间拉爆显示屏的“颜值”了!
但是无奈这世界变化快,谁都没想到手机厂商突然就又需要屏幕“可弯可直”一秒切换。于是OCA胶膜“出工不出力”的舒服日子也随之结束了!
Moto RAZR手机的AMOLED折叠屏模组
别看“折叠屏”模组只是一层比纸张还薄的膜,但如果把横截面放大1000倍,就会发现它其实就是一张由n多层功能膜复合而成的“千层饼”!
其中的AMOLED膜负责发光,触控膜负责收集按压信号,偏光片让亮度更高,薄膜盖板负责抵御外界冲击……而这些功能膜之间一定都有OCA胶膜。
折叠屏的构造(简化)(Foldable OLED Displays Whitepaper_Joel T. Abrahamson)
考虑到折叠屏需要承受一天几百次的“掰弯掰直”,所以此时的OCA胶膜除了提升屏幕的显示效果之外,更重要的任务就变成了为各个脆弱的功能层提供机械支撑。无论折叠屏遭遇何种“摧残”都要保证各层功能膜的结构稳定!
但是从过去这一年初代折叠屏手机的表现来看,可折叠OCA胶膜出的问题还不少。重灾区就是所有折叠屏都摆脱不掉的“折痕”区域。
三款主流机型屏幕上的“折痕”(知乎@Dieci)
如果打开B站搜索“折叠屏”,可以看到大量UP主在吐槽屏幕的折痕位置特别容易出现坏点的问题!
B站UP主对于折叠屏的吐槽(来源:Bilibili@老师好我叫何同学)
究其原因,主要是折叠屏的弯折位置力学表现非常复杂,传统OCA胶膜已经完全不能胜任!而全新的可折叠OCA胶膜上岗时间又不长,注定会出现很多粘接失败与应力破坏问题!
说到这里就有必要引入材料力学里面的一个概念——“中性层”
中性层 其实“折叠屏”的力学结构和杂志差不多是一样的。如果我们把杂志弯折,在外力的挤压下每一页纸都会出现位移,其中越靠近内侧的纸张位移越多。
弯折对物体产生的应力(来源:公众号@胶膜矩阵)
这个现象告诉我们,外力在弯折位置会分解成两个方向截然相反的作用力——
拉应力层vs压应力层(柔性AMOLED显示器的模组力学研究_党鹏乐)
当“折叠屏”的各功能膜都被OCA胶膜粘牢成为一个整体,那么在中间某一层区域,“挤压应力”和“拉伸应力”会互相抵消。这一带就被称为“中性层”!
中性层——应力为0的安全区域(柔性AMOLED显示器的模组力学研究_党鹏乐)
“中性层”是一个安全区域,基本可以认为没有应力作用在这里,因此出现故障的几率也大大降低!
但是“中性层”之外的那些功能膜就比较难搞了:如果OCA胶膜粘的太结实,处于“拉应力层”的功能膜就容易因为拉伸应力没办法释放发生断裂;但是如果OCA胶膜粘接力偏弱,处于“压应力层”的膜则会在挤压应力作用下脱胶分层。
拉应力层vs压应力层(柔性AMOLED显示器的模组力学研究_党鹏乐)
作为OCA胶膜来说,想要同时满足这两个完全相反的诉求简直就是mission impossible!也难怪折叠屏手机的折痕位置这么容易出问题!
既然问题原因已经分析出来,那么解决问题的思路也就很清晰了——创造多个中性层!
折叠屏容易坏,OCA当自强 因为如果把折叠屏整体的“中性层”分散到每个功能膜上,也就意味着各层的功能膜就都处在了“安全区域”。原本不可调和的矛盾被顺势化解于无形,再也没有你被挤压应力摧残,而我却在被拉伸应力撕裂的问题。
分散中性层,创造多个“安全区域”(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)
而实现这个方案的命门就在于——要让OCA胶膜具备更高的剪切应变!意思大概就是折叠屏一弯折,OCA胶膜就要有比较大的剪切形变量。尽量让各个功能层不受相邻层的约束,都有空间实现相对独立的滑动。
OCA胶膜的剪切应变(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)
这样的好处就是各功能层受到的应力大大降低,对于每一层功能膜来说,就各自拥有了一个独立的中性层。
理论说了半天,还是要来点硬核数据联系一下实际。
OCA8211是3M™公司出品的经典款超薄光学胶膜,厚度仅为25微米,粘接强度高,非常适合玻璃盖板的贴合;而3M™CEF3501则是专门为折叠屏量身定做的光学胶膜产品,卖点就是储能模量非常低!翻译过来就是这款胶膜特别柔软很容易就能有比较大的剪切应变。
两款OCA胶膜物性对比(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson; 3m.com)
运用FEA力学仿真软件可以看到,使用CEF3501和OCA8211两种光学胶膜的折叠屏都出现了功能层的相对位移。
CEF3501光学胶膜的剪切应变(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)
但是由于CEF3501的储能模量超低,比OCA8211足足低了60%,因此CEF3501更大的剪切应变就使得折叠屏功能层出现了更大幅度的相对滑动。而这个关键的性能直接就决定了折叠屏弯折过程中的力学表现!
拉应力层的力学表现
拉应力层,也就是弯折的最外层部分,这里是所有人关注的重点。从FEA仿真结果来看,使用OCA8211的屏幕弯折处承受了远大于CEF3501的应力。
CEF3501 vs OCA8211 拉应力层的力学表现(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胶膜后折叠屏幕的拉伸形变率(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)
如此之大的拉伸形变会导致非常严重的材料疲劳,而屏幕的拉应力层在多次弯折后的下场也只有一个——断裂!
拉应力层在反复弯折后因拉伸应力而断裂(柔性AMOLED显示器的模组力学研究_党鹏乐)
压应力层的力学表现
压应力层的力学情况可就比较复杂了,总体来说会受到水平和垂直两个方向的应力作用:
压应力层在反复弯折后因挤压应力而脱胶分层(柔性AMOLED显示器的模组力学研究_党鹏乐)
从FEA仿真结果来看,弯折展开后,两组的内侧压应力层均有翘曲变形。但是由于CEF3501的储能模量较低,应力应变更大,也就使得测试样件的翘曲程度远远低于OCA8211。
CEF3501 vs OCA8211 拉应力层的力学表现(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson)
同时从产品参数可以看到,CEF3501具有和OCA8211同样强度的粘接力!在模量大幅降低了60%的情况下保持同样的粘接强度,也就意味着CEF3501变相大幅提高了粘接性能。
两款OCA胶膜物性对比(Optically Clear Adhesives for OLED_Joel T. Abrahamson; 3m.com)
至此,通过3M的CEF3501的测试数据,我们已经看到了让“折叠屏”变得更“结实抗造”的技术方向。(以上胶材内容参考来源:胶我选)
图1几何模型
图2屏幕结构
表1Yeoh模型参数
C10 | C20 | C30 |
---|---|---|
0.010 605 3 | -0.000 120 6 | 1.731 8×10-6 |
图3黏弹性数据
图4不同堆叠结构对显示层应力影响
在显示层与基板的基础上,增加偏光片后,应力中性层明显上移;
图5保护盖板不同刚度对比
图6保护盖板下OCA不同厚度对比
在不同OCA厚度下,显示层应力曲线基本重合,即OCA胶层厚度对显示层应力中性层的影响可以忽略不计;
而各OCA胶层的应变,与OCA胶层厚度变化关系密切:
随着保护盖板下OCA胶层厚度增大,该层应变明显降低,其他层应变也有较小减小。OCA胶层厚度的增大,仅对与之相邻的保护盖板、触摸层产生较明显的影响。
图7背板不同厚度对比
背板厚度对显示层的应力中性层位置和胶层应变均有很大影响。
背板厚度的增加,使显示层的弯折曲率增大,应力中性层位置下移。
图8弯折半径对比
随着弯折半径的增大,显示层应力下降,胶层应变变化不显著。
弯折半径的增大,使得整体结构的受力情况都有所改善。
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