Skärmen som viker sig – utan att ge upp
Bakom vikbara telefoner finns lysande plastfilmer, ultratunt glas och ett gångjärn som måste styra varje böjning.
En vikbar skärm är inte en vanlig mobilskärm med ett gångjärn på mitten. Den är ett finstämt paket av material som måste tåla att sträckas, pressas och glida mot varandra. Den svåraste uppgiften är inte att böja den en gång – utan att göra det om och om igen.
Du öppnar telefonen som en bok. Bilden följer med över mitten, ett meddelande blir större och en karta breder ut sig. När du stänger den försvinner en hel liten surfplatta ner i fickan.
Det vardagliga handgreppet rymmer en materialteknisk motsägelse. Elektronik brukar skyddas av styva skivor, hårda ytor och orörliga förbindelser. Här ska en del av paketet i stället deformeras varje gång telefonen används.
Lösningen är inte ett enda mirakelmaterial. Det är en kombination: mycket tunna skikt, böjliga underlag, följsamma lim och ett gångjärn som hindrar skärmen från att knäckas. Ändå finns kompromisserna kvar. Vecket syns, ytan är känsligare än på många vanliga mobiler och laboratoriets vikningar berättar inte hela historien om livslängden.
För att förstå varför tekniken över huvud taget fungerar behöver vi börja där bilden uppstår – flera lager under fingret.
Ljuset behöver ingen stel låda
De flesta moderna vikbara telefoner använder OLED, organiska lysdioder. Varje bildpunkt innehåller delpixlar vars ljus styrs elektriskt. I lysdioden möts elektroner och så kallade hål, platser där elektroner saknas. Energi kan då avges som ljus i tunna organiska materialskikt. Organisk betyder här kolbaserad kemi, inte levande material.
Det skiljer OLED från en vanlig LCD-skärm. Där reglerar flytande kristaller ljus från en separat bakgrundsbelysning. OLED behöver ingen sådan ljuskälla bakom bildpunkterna, vilket gör ett tunt skärmpaket möjligt. Svarta bildpunkter kan dessutom stängas av i stället för att försöka blockera ett ljus som redan lyser.
Den grundläggande OLED-principen demonstrerades långt före de vikbara telefonerna. År 1987 beskrev forskarna Ching W. Tang och Steven A. VanSlyke en effektiv organisk lysdiod uppbyggd av tunna skikt. Men att få en lysdiod att fungera och att tillverka miljontals styrbara bildpunkter på en böjlig yta är två mycket olika ingenjörsuppgifter.
Bakom bildpunkterna finns ett nät av tunna transistorer som reglerar strömmen. I en flexibel panel kan detta byggas på ett böjligt plastunderlag, ofta polyimid, i stället för att lämnas på ett styvt glassubstrat. Tillverkningen kan ändå använda glas som tillfälligt stöd, vilket senare avlägsnas.
Inte heller plastunderlaget räcker. OLED-materialen måste skyddas mot syre och vattenånga. Därför används mycket tunna barriärskikt, ofta en kombination av organiska och oorganiska material. De ska vara täta utan att spricka när panelen böjs. Ovanpå tillkommer bland annat pekfunktion, optiska skikt, lim och ett skyddande ytskikt.
Skärmen är alltså snarare en laminerad bakelse än ett böjligt ark. Varje lager ska göra sitt jobb samtidigt som grannlagren rör sig.
Därför kan till och med glas böjas
Ta ett tjockt plastlock och försök böja det. Jämför med en tunn plastfilm. Materialets kemi kan vara likartad, men böjmotståndet är helt annorlunda. Tjockleken spelar en avgörande roll.
När en skiva böjs sträcks utsidan och insidan pressas ihop. Mellan dem finns ett område där längden förändras mycket lite: det neutrala planet. För en enkel, jämntjock skiva är töjningen vid ytan ungefär skivans tjocklek dividerad med två gånger böjradien.
Sambandet förklarar två av den vikbara skärmens viktigaste regler: gör de känsliga skikten tunna och undvik en alltför snäv böj.
Som förenklat räkneexempel får ett 30 mikrometer tjockt skikt, böjt till tre millimeters radie, ungefär 0,5 procents töjning vid ytan. Ett tio gånger tjockare skikt skulle få tio gånger större töjning vid samma radie. Exemplet säger inte vad en viss skärm klarar; i ett verkligt laminat påverkar lager och lim var det neutrala planet hamnar.
En vikbar skärm viks inte som ett papper. Den måste få behålla en liten, kontrollerad kurva.
Det är också därför glas kan förekomma i vikbara telefoner. Ultratunt glas, ofta kallat UTG, kan göras så tunt att det går att böja inom bestämda gränser. Glaset har inte blivit mjukt. Det utsätts bara för mindre töjning än en tjock glasskiva vid samma böjradie.
Kemisk förstärkning kan lägga glasytan under tryck, vilket gör det svårare för ytsprickor att öppnas. Men glas förblir känsligt för skador och fel, särskilt vid kanter. En liten defekt kan bli början på ett brott.
I flera vikbara konstruktioner ligger dessutom en polymerfilm ovanpå glaset. Fingret möter då inte enbart hårt glas. Det hjälper till att förklara varför beteckningen ”glasskärm” inte innebär samma reptålighet som hos en konventionell mobil. Materialen och deras inbördes ordning varierar mellan modeller.
Gångjärnet är en del av skärmen
Ett vanligt gångjärn behöver främst låta två delar rotera. I en vikbar telefon måste det dessutom skapa plats för skärmen och hålla deformationen inom dess gränser.
Olika lager behöver nämligen olika lång väg runt en böj. Om allt låses stumt kan drag- och tryckspänningarna bli stora. Följsamma limskikt och kontrollerade rörelser mellan komponenter hjälper till att fördela belastningen. Konstruktörer försöker också placera känsliga skikt nära ett neutralt plan, där töjningen blir mindre.
I flera nyare gångjärnskonstruktioner får skärmens mitt anta en droppformad böj när telefonen stängs. På så vis kan telefonhalvorna ligga nära varandra samtidigt som panelen får mer utrymme inne i gångjärnet. En större lokal böjradie minskar töjningen jämfört med ett riktigt skarpt veck.
När telefonen öppnas ska stödplattor och gångjärnsdelar ge skärmen en tillräckligt jämn baksida. Annars skulle ett fingertryck kunna deformera panelen för mycket. Mekaniken måste samtidigt fungera tillsammans med kablar, antenner och resten av telefonens trånga inre.
Att detta är svårt blev tydligt under den första Galaxy Fold-lanseringen 2019. Tidiga testenheter drabbades av skärmproblem. Skyddslagrets utformning och öppningar där främmande föremål kunde ta sig in hörde till problemen som uppmärksammades. Lanseringen sköts upp och konstruktionen ändrades.
Lärdomen var större än en enskild modell: panelen kan tåla böjning och ändå vara sårbar som del av en telefon. En partikel under skärmen kan skapa ett lokalt tryck mot mycket tunna skikt. Ett gångjärn som fungerar perfekt utan smuts behöver inte fungera lika bra efter månader i en ficka.
Hur många vikningar är ett liv?
Tillverkare beskriver ofta hållbarheten med hundratusentals vikcykler. Det låter som ett enkelt mått: öppna, stäng, upprepa tills något går sönder. Men siffran måste läsas tillsammans med provvillkoren.
Vilken temperatur användes? Hur snabbt vek maskinen? Testades hela telefonen eller en panel? Vad räknades som fel: slocknade bildpunkter, sprickor, förändrat veck eller ett trögare gångjärn? Ett test blir mycket mer informativt när sådana uppgifter finns med.
Om ett prov omfattar 200 000 fulla vikcykler motsvarar det rent matematiskt ungefär fem och ett halvt år vid 100 cykler om dagen. Det är inte samma sak som en garanti för fem och ett halvt års vardagsanvändning. Den verkliga telefonen åldras också när den ligger stilla, tappas, utsätts för fukt eller blir varm.
Temperaturen är särskilt relevant för polymerer och lim. De kan bli styvare i kyla och mer följsamma i värme. Därmed förändras hur spänningar fördelas i skärmens lager. Upprepad belastning kan också ge utmattningsskador i tunna ledare eller få skikt att börja släppa från varandra, så kallad delaminering.
Det synliga vecket behöver däremot inte betyda att skärmen är på väg att gå sönder. Det kan uppstå genom panelens form, materialens kvarvarande deformation och hur ljus reflekteras över mitten. Ett stabilt veck är något annat än en nytillkommen svart linje, spricka eller förlorad pekfunktion.
För användaren betyder detta att försiktighet med punkttryck och partiklar är viktig. Ett sandkorn eller annat hårt föremål mellan halvorna kan koncentrera stängningskraften till en mycket liten yta. Tryck därför inte ihop telefonen med något emellan och behandla inte innerskärmen som en vanlig glasskiva.
En fabriksmonterad skyddsfilm bör inte heller automatiskt betraktas som ett valfritt tillbehör. Följ modellens instruktioner om den lossnar eller behöver bytas. Vattentålighet ska samtidigt inte förväxlas med dammtäthet: en IP-klassning anger separata skyddsnivåer, och ett X betyder att någon nivå inte anges för den positionen.
Den rimliga slutsatsen är varken att vikbara skärmar är ömtåliga leksaker eller att hållbarhetsproblemet är löst. De fungerar därför att ingenjörerna håller varje material inom ett snävt mekaniskt arbetsområde. En bra konstruktion kan göra det under väldigt många vikningar. Men tålighet mot böjning är inte samma sak som tålighet mot repor, stötar och smuts.
Nästa gång skärmen vecklas ut är det alltså inte glasets styvhet som har besegrats. Den har räknats med – tillsammans med limmets rörelser, ledarnas töjning och gångjärnets kurva.
Källor
- Ching W. Tang och Steven A. VanSlyke, Organic electroluminescent diodes (1987)
- iFixit, Samsung Galaxy Fold Teardown (2019)
- iFixit, Samsung Galaxy Z Flip Teardown (2020)
- SCHOTT, SCHOTT UTG® (u.å.)
- International Electrotechnical Commission, IEC 60529:1989 – Degrees of protection provided by enclosures (IP Code) (1989)
Ställ frågor om "Skärmen som viker sig – utan att ge upp". Svaren bygger på tidningens egna artiklar.
