CN110730715B - 纤维增强膜 - Google Patents

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Abstract

设备包括：第一层，所述第一层包括在第一方向上定向并且嵌入所述第一层内的单向第一纤维，其中所述第一层具有小于25μm的厚度；以及第二层，所述第二层结合到所述第一层，所述第二层包括在第二方向上定向并且嵌入所述第二层内的单向第二纤维，其中所述第一层具有小于25μm的厚度并且其中所述第一方向与所述第二方向不平行。

Description

纤维增强膜
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年12月20日提交的标题为“单层纤维增强膜(MONOLAYER FIBER-REINFORCED FILMS)”的第62/608,251号美国临时专利申请的优先权，所述申请的公开内容以引用方式全文并入本文中。
技术领域
本描述涉及薄膜材料，且具体来说，涉及单层纤维增强膜。
背景技术
现代计算装置通常尝试在可携带性与功能性之间实现平衡。具有在单个表面上提供丰富信息显示的显示器(这暗示装置的形状因数相对较大以容纳相对较大的显示器)与装置足够小以易于由用户携带和访问(这暗示装置的形状因数相对较小)之间可能存在冲突。
解决此难题的潜在解决方案是在计算装置中使用可折叠柔性显示器，使得在显示器的折叠配置中，计算装置具有相对较小的形状因数，并且在显示器的展开配置中，计算装置可以具有相对较大的显示器。为了保持计算装置的形状因数小且纤薄，需要具有相对薄的显示器。然而，折叠相对薄的显示器可能会导致显示器的折痕处的半径弯曲变小，这可能不利于显示器的敏感部件，例如，薄膜晶体管(TFT)、有机发光二极管(OLED)、薄膜封装(TFE)等。另外，薄的显示器可能相对易碎并且需要防止破损。
因此，需要在计算装置中使用相对薄的可折叠显示器，然而，所述相对薄的可折叠显示器可以较小半径，但不超过最小半径弯曲并且进行比较研究。
发明内容
在一般方面，设备包括：第一层，所述第一层包括在第一方向上定向并且嵌入所述第一层内的单向第一纤维，其中所述第一层具有小于25μm的厚度；以及第二层，所述第二层结合到所述第一层，所述第二层包括在第二方向上定向并且嵌入所述第二层内的单向第二纤维，其中所述第一层具有小于25μm的厚度并且其中所述第一方向与所述第二方向不平行。
实施方案可以单独或以彼此任意组合的形式包括以下特征中的一个或多个。例如，所述第一纤维的方向可以基本上垂直于所述第二纤维的方向。所述第一纤维和所述第二纤维可以具有基本上圆形的截面。所述第一纤维和所述第二纤维的直径可以小于约12μm。相邻的单向第一纤维之间的平均间距可以大于所述第一纤维的直径的两倍。相邻的单向第一纤维之间的平均间距可以大于所述第一纤维的直径的五倍。
所述设备还可以包括第三层，所述第三层结合到所述第二层，所述第三层包括嵌入所述第三层内的单向第三纤维，其中所述第三层具有小于25μm的厚度并且其中所述第三纤维的方向与所述第二纤维的方向不平行。所述第二层可以处于所述第一层与所述第三层之间。所述第三纤维的方向可以基本上平行于所述第一纤维的方向。
在另一方面，计算装置可以包括：可折叠显示器；弯曲限制层，所述弯曲限制层耦合到所述可折叠显示器，所述弯曲限制层被配置成当所述可折叠显示器弯曲到小于极限半径的曲率半径时非线性地增加该弯曲限制层的刚度，所述极限半径小于10mm；以及背衬膜，所述背衬膜耦合到所述可折叠显示器，所述背衬膜包括第一层，所述第一层包括在第一方向上定向并且嵌入所述第一层内的单向第一纤维，其中所述第一层具有小于25μm的厚度；以及第二层，所述第二层结合到所述第一层，所述第二层包括在第二方向上定向并且嵌入所述第二层内的单向第二纤维，其中所述第一层具有小于25μm的厚度，其中所述第一方向与所述第二方向不平行。
根据权利要求10所述的计算装置，其中所述弯曲限制层包括附接到膜的多个片段，并且所述多个片段在所述可折叠显示器的所述曲率半径大于所述极限半径时彼此物理地分离以及在所述可折叠显示器的所述曲率半径小于或等于所述极限半径时与相邻片段物理接触。
实施方案可以单独或以彼此任意组合的形式包括以下特征中的一个或多个。例如，所述弯曲限制层可以包括多根低拉伸纤维，其中所述纤维布置在所述弯曲限制层中，使得当所述可折叠显示器的所述曲率半径大于所述极限半径时，在所述弯曲限制层的平面中的每个纤维的末端之间的距离小于所述纤维的长度，并且使得当所述可折叠显示器的所述曲率半径小于或等于所述极限半径时，在所述弯曲限制层的平面中的每个纤维的末端之间的距离大致等于所述纤维的长度。所述弯曲限制层可以包括一种材料，所述材料的刚度响应于所述材料中的应变超过阈值而非线性地变化。所述单向第一纤维可以包括陶瓷材料。所述可折叠显示器可以包括OLED层，所述OLED层具有第一热膨胀系数，其中所述第一层中的所述单向第一纤维的加权平均热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的25％内。所述第一层中的所述单向第一纤维可以包括不同材料的纤维，所述不同材料具有不同的热膨胀系数。所述第一层中的所述第一纤维可以包括陶瓷纤维并且包括碳纤维。所述第一层中的所述单向第一纤维的所述加权平均热膨胀系数可以大于7ppm/K。
附图说明
图1是包括可折叠显示器102的计算装置的透视图，其中可折叠显示器处于部分折叠配置中。
图2是计算装置的透视图，其中显示器处于折叠配置中。
图3是具有多个不同层的堆叠的柔性显示装置的示意图。
图4是包括纤维增强膜的多层层压的示意性侧视图。
图5是从垂直于层的平面的方向查看的单向纤维增强膜的层的示意图。
图6A是展开器系统的示意图，所述展开器系统被配置用于将多个单根纤维的丝束展开成横向分离纤维的阵列。
图6B是纤维束的示意性俯视图，当纤维束移动通过展开系统时，纤维束被展开成横向间隔开的单根纤维。
图7是纤维增强膜的层的示意性俯视图，其中纤维包括相对较短的短切纤维。
图8是折进式可折叠显示器的示意图，所述折进式可折叠显示器具有绕着最小半径Rmin弯曲的可弯曲片段。
图9是示出用于可折叠显示器的示例性刚度曲线的图形，其中当折叠可折叠显示器时达到极限半径。
图10是折出式可折叠显示器的示意图，所述折出式可折叠显示器具有绕着最小半径Rmin弯曲的可弯曲片段。
图11是弯曲限制层的示例实施方案的示意图。
图12是用于弯曲限制膜中的多个相邻片段的示意图。
图13是可以在用于形成相邻片段的实例模制过程中使用的旋转模具的示意图。
图14是可以用于形成弯曲限制层的相邻片段的模具的示意图。
图15是其中弯曲限制层耦合到显示层的可折叠显示器的另一实施方案的示意图。
图16是图15的可折叠显示器在处于弯曲配置中时的示意图。
图17是其中弯曲限制层耦合到显示层的显示器的另一实施方案的示意图。
图18是图17的可折叠显示器在处于弯曲配置中时的示意图。
图19是其中弯曲限制层耦合到显示层的可折叠显示器的另一实施方案的示意图。
图20是可折叠显示器在该显示器处于弯曲配置中时的示意图。
图21是其中弯曲限制层耦合到显示层的可折叠显示器的另一实施方案的示意图。
图22是可折叠显示器在处于弯曲配置中时的示意图。
图23A、图23B、图23C、图23D是图21和图22的可折叠显示器的细节的示意图。
图24A、图24B、图24C和图24D是图21和图22的可折叠显示器的细节的示意图。
图25是可折叠显示器的示意图，所述可折叠显示器具有绕着最小半径Rmin弯曲的可弯曲片段。
具体实施方式
图1是包括可折叠显示器102的计算装置100的透视图，其中可折叠显示器处于部分折叠配置中。装置100具有可折叠显示器102，所述可折叠显示器安装为使得所述显示器以可见面向内的方式折叠。还可以将可折叠显示器102安装在装置100的相对侧上，使得显示器以可见面向外的方式折叠(未示出)。图2是计算装置100的透视图，其中显示器102处于折叠配置中。例如，可折叠显示器102可以是TFT(薄膜晶体管)OLED(有机发光二极管)显示器，或其它合适的显示器技术。可折叠显示器102可以包括用于驱动显示器向用户呈现图形和其它信息的合适电路。
如图1和图2中所示，可折叠显示器102可以包括第一平坦刚性片段112、第二平坦刚性片段114、以及第三可弯曲片段116。在一些实施方案中，可折叠显示器102可以包括多于两个平坦刚性片段112、114，以及多于一个可弯曲片段116。在一些实施方案中，可折叠显示器102可以包括零个，或仅一个平坦刚性部分112、114。例如，当可折叠显示器102包括零个平坦刚性部分时，显示器102可以连续地可弯曲并且可以如卷轴一样卷起。图1和图2中所示的可折叠显示器102具有允许可折叠显示器绕着轴线弯曲的可弯曲片段116。在其它实施方案中，可折叠显示器102可以包括允许显示器102绕着多于一个轴线弯曲的可弯曲片段。
可折叠显示器102的可弯曲片段116允许显示器102以具有半径的圆弧弯曲，并且当可弯曲片段的半径达到指定最小半径时，可以使得可弯曲片段变成刚性的。可以选择此种最小半径，以防止显示器以如此小的半径弯曲，以致于会损坏显示器的易碎组件。在一些实施方案中，最小半径大于或等于2.5毫米，或大于或等于3.0毫米，或大于或等于5毫米。因此，可弯曲片段在以大于最小半径的半径弯曲时可以是柔性的，并且随后在弯曲半径等于或小于最小半径时变成刚性的。
图3是具有多个不同层的堆叠的柔性显示装置300的示意图。例如，在一些实施方案中，柔性有机发光二极管(OLED)层306可以由弯曲限制层308和背衬膜310支撑。在一些实施方案中，弯曲限制层308可以处于OLED层306与背衬膜310之间。在一些实施方案中，OLED层306可以处于弯曲限制层308与背衬膜310之间，光学透明的粘合剂层304可以施加到柔性OLED层306的前表面。覆盖窗膜302可以施加到光学透明的粘合剂层304以保护正面上的装置。由于堆叠的每一层的厚度对于装置300的总体厚度是重要的，因此期望这些层具有相对较薄的厚度。例如，在一些非限制性实例中，柔性OLED层306的厚度可以是大约300μm；光学透明的粘合剂层304的厚度可以是大约100μm；并且覆盖窗膜的厚度可以是大约200μm。因此，选择弯曲限制层308和背衬膜310的厚度，以便保持装置300的总体厚度不太大，并且还应具有几分之一毫米的单个厚度。
装置300的堆叠中的组件具有不同加工后特性，包括在层被制造时组件中存在的应力和应变。当显示器弯曲成与层被制造的配置不同的配置时，在堆叠的层中可以包括附加应力和应变。例如，如果层在制造时是平坦的，则可以通过弯曲层来引起附加应变，并且如果层以弯曲配置被制造，则可以通过使该层平坦化来引起附加应变。如果弯曲引起的应变超过堆叠中的组件的阈值特征，则组件可能由于塑料变形、开裂、屈曲、分层等而受到应变的损坏。取决于温度、湿度、所需循环寿命以及其它用途和环境因素，这种特征损坏阈值应变可能不同。堆叠中的脆性无机层能够在受到应变损坏之前通常承受比无机层更少的应变。然而，堆叠中的有机材料也可能因弯曲引起的过度应变而受到损坏。
图4是纤维增强膜400的示意性侧视图。在一个实施方案中，纤维增强膜400可以用作柔性显示器中的背衬膜。然而，纤维增强膜400还可以用于许多其它实施方案中，例如，提供薄而坚固的结构。如图4中所示，在一些实施方案，纤维增强膜400可以包括彼此堆叠为片的多个层402、404、406。然而，在其它实施方案中，纤维增强膜400可以包括仅单个层。
纤维增强膜400的层402、404、406可以包括坚固的细长纤维408，所述纤维沿着层的长度延伸并且嵌入聚合物材料414的基质中。例如，如图4中所示，描绘延伸到每个层402和406中的页面中的四个细长纤维的圆形截面，并且描绘层404内的一根纤维412的侧视图，所述纤维在垂直于层402和406中的纤维408的方向上延伸穿过层404。纤维增强膜400可以由包括单向纤维的一个或多个不同层组成，其中取决于将使用膜400的应用而选择不同层的单向纤维的方向。例如，用单向纤维增强的层402、404、406通常需要更大的力来在需要纤维本身在长度上拉伸或收缩的方向上弯曲，同时需要相对较小的力来沿着平行于单向纤维的方向的轴线使层弯曲。另外，层内的纤维的密度影响层的强度和刚度，其中较高纤维密度通常产生较高强度和较高刚度层。层在堆叠内的位置还影响使膜弯曲所需的力，其中与靠近堆叠中心的层相比，靠近表面的层通常需要更多力来弯曲。
在一些实施方案中，每个层402、404、406的厚度可以小于约50μm。在一些实施方案中，每个层402、404、406的厚度可以小于约40μm。在一些实施方案中，每个层402、404、406的厚度可以小于约30μm。在一些实施方案中，每个层402、404、406的厚度可以小于约25μm。在一些实施方案中，每个层402、404、406的厚度可以小于约20μm。在一些实施方案中，每个纤维408在垂直于其层402的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)可以小于30μm。在一些实施方案中，每个纤维408在垂直于其层402的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)可以小于20μm。在一些实施方案中，每个纤维408在垂直于其层402的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)可以小于12μm。在一些实施方案中，每个纤维408在垂直于其层402的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)可以小于8μm。
为了获得薄的纤维增强膜400，可以形成纤维增强膜400的层402、404、406，使得每个层基本上包括单层纤维408。也就是说，层402内的单根纤维408可以在层402内彼此间隔开，使得不同的单根纤维408通常在垂直于层402的平面的方向上不彼此重叠。但是对于具有小直径纤维的薄片，理想的是使层402内的每个纤维408与层内的其它纤维完全平行并且彼此等距间隔开，并且在大多数情况下，彼此紧密间隔开以最大化强度。制造技术上的限制可能导致若干纤维在垂直于层402的平面的方向上彼此重叠。例如，图5是从垂直于单向纤维增强膜的层500的平面的方向查看的该层的示意图。如图5中所示，两根纤维502、504彼此交叉，使得所述纤维在位置506、508处重叠，从而使层在位置506、508处的局部厚度大于在层内的其它位置处的厚度。
为了降低这种重叠纤维的可能性，可以将相邻纤维之间的平均横向间距410保持在足够大的距离。例如，在一些实施方案中，平均横向间距410可以大于每个纤维408在垂直于其层402的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)的两倍。在一些实施方案中，平均横向间距410可以大于每个纤维408在垂直于其层402的平面的方向上的高度的五倍。
纤维408可以由各种不同材料制成。例如，纤维408可以由碳、陶瓷、聚合物、玻璃或金属材料制成。在一些实施方案中，膜400的不同层402、404、406可以包括不同材料的纤维。例如，层402内的纤维可以由陶瓷材料制成，而层404内的纤维可以由碳材料制成。在一些实施方案中，单个层可以包括由不同材料制成的纤维的混合物。可以基于纤维材料的材料特性(例如，热特性、电特性、机械特性)而选择用于特定层中的纤维材料，因为所述纤维材料可能最适合膜400的特定应用。
层402、406、408中的展开纤维408的图案可以用多种不同方式制成。例如，图6A是展开器系统600的示意图，所述展开器系统被配置用于将多个单根纤维的纤维束602展开成横向分离纤维的阵列。纤维束602可以是包括一起捆绑成纤维束的多个(例如，几十个、几百个或几千个)单根纤维的纱线。纤维束602可以通过一对辊606从线轴604解绕。纤维束602上的张力可以通过辊606和第二对辊608保持，所述第二对辊位于第一对辊606与收线盘620之间。通过使用两对辊606、608，在纤维束移动穿过两个辊之间的展开器系统时，纤维束602上的张力可以保持在预定水平，而不管线轴604中的纤维束的张力如何。
展开器系统600可以包括由振荡器612和放大器614供电的声学扬声器610，并且从扬声器610输出的声能可以展开纤维束602的单根纤维。纤维束602可以在与扬声器610相邻定位的一系列光杆616的上方和下方进行布线。当纤维束602穿过一系列光杆616从第一对辊606移动到第二组辊608时，纤维束移动穿过的空气中由于扬声器610产生的压差会导致纤维束602展开成单根横向间隔开的纤维。在将展开纤维束从第一对辊606传送到第二组辊608时，光杆616将展开纤维束保持在其展开形式。光杆616可以由电机驱动，以与纤维束602的移动同时地旋转。图6B是纤维束632的示意性俯视图，当纤维束移动通过展开系统600时，纤维束被展开成横向间隔开的单根纤维634。
展开系统600可以包括聚合站618，其中将纤维束632的横向间隔开的单根纤维634聚合以形成具有单层纤维的层。纤维可以在聚合站618中以不同方式聚合。例如，可以将聚合物材料喷涂到纤维上，以将纤维嵌入聚合物材料中。在另一实施例中，可以将纤维拉到平坦表面上，所述平坦表面被制备成对聚合物材料具有低粘力，并且随后可以将聚合物材料润湿到所述表面上。一旦聚合物材料完全或部分固化，就可以将所述聚合物材料从表面释放，其中纤维嵌入聚合物材料中。
在另一实施方案中，可以将单根纤维或多根纤维的展开纤维束缠绕到心轴上，以在心轴上形成平行纤维的图案，并且可以将心轴上的纤维聚合以在心轴上形成单层纤维增强管。当多根纤维缠绕到管上时，纤维束中的相邻纤维之间的间距可以保持在预定固定距离，并且在缠绕期间，纤维束可以沿着心轴的长度以恒定速度连续地移动预定固定距离，或略小于预定距离，使得纤维不重叠。一旦聚合物材料已完全或部分固化，就可以将所述聚合物材料从心轴释放，其中纤维嵌入所述材料中。例如，可以沿着管的长度切割聚合的单层纤维增强管，并且随后将所述聚合的单层纤维增强管作为材料片从心轴剥离。
在另一实施方案中，定向的短切纤维可以用于形成纤维增强膜。如本文所使用，短切纤维是具有短于5mm的中间长度的纤维。可以通过多种不同方式形成短切纤维，例如，通过形成随后切割或短切成所需长度的长股纤维，或通过再循环包含纤维的现有固化材料以从纤维所嵌入的树脂中去除纤维，并且随后将纤维切割成较小长度件。
图7是纤维增强膜700的层的示意性俯视图，其中纤维包括相对较短的短切纤维702。短切纤维702通常可以短于图4中所示的细长纤维408。平均而言，短切纤维702通常可以在层中沿着优选方向704定向，但是单根短切纤维的定向可以偏离大体优选方向。一些短切纤维702可以与其它短切纤维重叠(例如，交叉)。在一些实施方案中，纤维增强膜可以包括彼此堆叠的多个单个层。短切纤维702通常在不同层中定向的优选方向可以不同。例如，在一个实施方案中，膜700中的相邻层可以包括短切纤维，所述短切纤维的优选定向方向彼此垂直。
单根短切纤维702可以通过多种技术沿着优选方向704对准，所述技术例如在以下文献以及第6,025,285号美国专利中描述：“对准的不连续纤维复合材料：简史”，马休(Matthew)、萨奇(Such)、卡文沃德(Carwyn Ward)和凯文波特(Kevin Potter)，多功能复合材料期刊，第3卷第155至168页(2014年)，这两者以引用方式全文并入本文中。例如，在一些实施方案中，可以通过将纤维悬浮在载液中沿着优选方向704将单根纤维对准，所述载液通过锥形喷嘴泵送到基底(例如，平坦的纱布床、离心机壁等)上。当穿过锥形喷嘴时，短切纤维可以变成沿着与喷嘴的轴向方向平行的方向对准，并且可以保持此方向到纤维沉积在基底上时。在沉积在基底上之后，可以清除载液，随后对准的纤维可以进行聚合以形成纤维增强材料的膜。在另一实施方案中，可以在将短切纤维沉积在移动的传送带上之前立即从长股纤维切下长度较短的纤维。当沉积在传送带上时，短切纤维可以保持长股的方向，随后沉积的纤维可以进行聚合以形成纤维增强材料的膜。电场、光场和声场还可以用于将纤维对准。例如，可以将非零电荷施加到短切纤维，随后当短切纤维沉积在基底上时，施加的静态电场可以用于将短切纤维沿着优选方向对准。在其它实施方案中，可以在沉积短切纤维的基底上或附近形成驻声波或驻光波，并且驻波的势阱可以用于将沉积的短切纤维对准。
在一个实施方案中，纤维增强膜700可以用作柔性显示器中的背衬膜。然而，纤维增强膜700还可以用于许多其它实施方案中，例如，提供薄而坚固的结构。纤维增强膜700可以包括彼此堆叠为片的多个层。然而，在其它实施方案中，纤维增强膜可以包括仅单个层。
当实施为多层膜时，纤维增强膜700的不同层可以包括坚固的细长短切纤维702，所述短切纤维沿着层的长度延伸并且嵌入聚合物材料的基质中。例如，用优先沿着轴向方向704对准的短切纤维增强的层通常需要更大的力来在需要纤维本身弯曲的方向上弯曲，而需要相对较小的力来沿着与短切纤维的对准方向平行的轴线使层弯曲。另外，层内的纤维的密度影响层的强度和刚度，其中较高纤维密度通常产生较高强度和较高刚度层。
在一些实施方案中，多层膜中的每个层的厚度，或单层膜的厚度可以小于约50μm。在一些实施方案中，每个层的厚度可以小于约45μm。在一些实施方案中，每个层的厚度可以小于约30μm。在一些实施方案中，每个层的厚度可以小于约25μm。在一些实施方案中，每个层的厚度可以小于约20μm。在一些实施方案中，每个短切纤维在垂直于其层的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)可以小于30μm。在一些实施方案中，每个纤维在垂直于其层的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)可以小于20μm。在一些实施方案中，每个短切纤维在垂直于其层的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)可以小于12μm。在一些实施方案中，每个短切纤维在垂直于其层的平面的方向上的高度(例如，具有圆形截面的纤维的直径)可以小于8μm。
为了获得用优先定向的短切纤维702增强的薄膜700，可以形成纤维增强膜700的层，使得相邻单根纤维之间的重叠可能性低(例如，小于0.1，表示10根纤维中少于一根纤维与相邻纤维重叠)。尽管对于具有小直径纤维的薄片，理想的是使层402内的每个短切纤维702与层内的其它纤维702完全平行，并且在大多数情况下，彼此紧密间隔开以最大化强度，但是制造技术可能导致较少纤维在垂直于层的平面的方向上彼此重叠，并且与在用单独扩展膜的细长纤维增强的膜中相比，在用短切纤维702增强的膜的情况下重叠纤维可能更普遍。
然而，如果短切纤维增强膜的制造成本足够小于用跨越膜的较长纤维增强膜的制造成本，则在一些实施方案中，短切纤维的膜中的重叠纤维的密度比跨越膜的长纤维的膜中高是可以接受的。
具有单层优先对准的纤维的一个或多个层的背衬膜可以用于向折叠式显示器提供强度和保护。
图8是可折叠显示器800的示意图，所述可折叠显示器具有绕着最小半径Rmin弯曲的可弯曲片段801(图8中所示的弯曲部分)。可折叠显示器800可以包括：显示层802，所述显示层包括组件(例如，OLED层、TFT层、触摸屏层、偏振层、封装层等)，所述组件在显示器上生成图像(从面向弯曲内侧的显示器侧发出)并且保护图像生成层；以及弯曲限制层804，所述弯曲限制层将可折叠显示器800可以弯曲的半径限制成大于或等于最小半径Rmin。
当以平坦配置制造显示层802时，在无弯曲限制层804的情况下使显示层802弯曲可能会导致可弯曲片段呈现小于最小半径Rmin的半径，并且引起显示层802内的过度应变。例如，将沿着弯曲的内径Rinner引起压缩应变，并且将沿着弯曲的外径Router引起拉伸应变。显示层802可以大致由在显示层802弯曲时不引起应变的平面来表征。此平面在本文中称为“中性平面”806。如果层802内的材料的堆叠绕着层的中平面对称，则中性平面对应于层的中平面。然而，显示层802内的不同层的不同材料特性(例如，厚度、杨氏模量等)可以导致中性平面在层802的中平面上方或下方移位。层802内的中性平面的位置以及层802内的材料的最大可承受应变值确定在不会对层802内的组件造成损坏的情况下可以承受的最小弯曲半径。
弯曲限制层804可以附接到显示层802，从而为显示层802提供支撑，并且还可以防止显示层绕着小于其最小可承受弯曲半径的半径弯曲。具有用纤维增强的层的装置的单层单向纤维增强背衬膜820可以为该装置提供强度和支撑。背衬膜820中的纤维可以具有接近OLED显示层802的热膨胀系数(CTE)的CTE，使得易碎组件不会由于装置800的热循环而受到不当应力。例如，尽管多个纤维材料具有接近零或甚至负的CTE，但是一些陶瓷纤维可以具有大约8ppm/K的CTE。使用这些纤维材料可以提高与包括OLED显示层的各种结构相匹配的热膨胀。在一些实施方案中，纤维的CTE可以在OLED显示层820的CTE的约50％内。在一些实施方案中，纤维的CTE可以在OLED显示层820的CTE的约25％内。在一些实施方案中，纤维的CTE可以在OLED显示层820的CTE的约10％内。
弯曲限制层804在以大于Rmin的半径弯曲时可以是相对柔性的，随后当弯曲的半径接近或匹配Rmin时可以变得刚性和不可弯曲。刚度可以通过使可折叠显示器800弯曲的每单位施加力的弯曲半径变化来参数化。例如，在图8中，在显示器绕着180度弯曲对折时，当施加力F以使可折叠显示器弯曲时通过参数x示出弯曲半径的两倍。随后，可折叠显示器800的刚度可以通过导数k＝dF/dx来参数化。可折叠显示器的强度可以表征为可折叠显示器800在该显示器发生故障之前可以承受的最大力F。
当可折叠显示器800以其折叠配置平放时，可以通过在显示器的上部折叠部分上的重力将所述可折叠显示器保持在其折叠配置，从而需要将零附加力施加到上部折叠部分来将可折叠显示器保持在其平坦折叠配置。在此配置中，弯曲半径可以定义为极限半径Rlimit，即除非施加附加外力，否则弯曲限制层804限制可折叠显示器的进一步弯曲的半径。为了使可折叠显示器进一步从此配置弯曲，需要附加外力来克服弯曲限制层的刚度。因此，在图9中示出用于可折叠显示器的实例刚度曲线，其中通过可折叠显示器折叠180度来达到极限半径，从而示出作为x的函数的刚度。
可能有利的是，可折叠显示器具有在达到极限半径之后展现刚度的相对急剧增加的刚度曲线，使得可折叠显示器可以容易地折叠成其折叠配置，其中Rlimit接近Rmin，随后可折叠显示器将变得非常硬，使得所述可折叠显示器保持在此配置中，尽管力将所述可折叠显示器朝向比Rlimit小的半径挤压。
弯曲限制层804在图8中示为处于弯曲的外侧，而且还处于弯曲的内侧，例如如图10中所示，在这种情况下，通过显示器显示的内容处于弯曲的外侧上，并且单层单向纤维增强背衬膜1020处于弯曲的内侧上。
图11是弯曲限制层1100的示例实施方案的示意图。弯曲限制层1100可以包括多个相邻片段1102，对于R>Rlimit，所述多个相邻片段各自与相邻片段分离，并且当R≤Rlimit时，所述多个相邻片段与相邻片段接触。每个片段1102可以具有：基础部分1104，所述基础部分附接到薄膜1106；以及头部部分1108，所述头部部分在平行于弯曲限制层1106的平面的方向上比基础部分1104宽。例如，薄膜1106可以以小于3mm的半径弯曲。薄膜可以通过沿着特定方向优先对准的细长纤维增强，并且纤维在不同实施方案中可以具有不同长度。当在相对于优先方向的不同方向上折叠时，纤维在膜中的对准可以允许膜具有不同刚度和强度。
薄膜1106可以具有一定厚度，所述厚度与片段1102在垂直于薄膜1106的方向上的高度相比较小。薄膜1106的刚度低，使得对于半径R≥Rlimit，弯曲限制层1106容易弯曲。薄膜1106可以以足够小的半径弯曲，以适应弯曲限制层1100的设计参数。在一个非限制性示例中，薄膜1106可以具有约50μm的厚度，并且当弯曲成2.5mm的半径时可以承受1％应变。当然，可以调节材料的厚度以在不同参数(例如，可以弯曲成的薄膜的最小半径、薄膜的强度，以及薄膜的刚度)之间权衡优点。
在图11中所示的示例实施方案中，在基础部分1104与薄膜1106之间的结合线被薄膜1106的一个表面的50％覆盖。换句话说，薄膜1106的一半表面附接到相邻片段1102的基础部分1104，并且一半表面未附接。其它配置也是可能的，其中结合线覆盖率大于或小于50％。薄膜1106中结合到相邻片段1102的部分比未结合的部分硬得多。这会增加薄膜1106的未结合部分中的应变，并且彼此在弯曲限制层1100的材料和几何形状中考虑这种增加。
每个片段1102的头部部分1108可以具有垂直侧1110，当弯曲限制膜1106平坦时，所述垂直侧不是完全垂直于薄膜1106，而是在所述垂直侧远离薄膜1106延伸时朝向彼此成角度。随后，当弯曲限制层1106弯曲成等于Rlimit的半径时，相邻片段1102的垂直侧1110变成彼此亲密接触以及彼此平行，使得所述垂直侧形成刚性的坚固材料层，所述材料对于R≤Rlimit具有高刚度。制造每个片段1102的头部部分1108的一些装置可能不具有完全平坦的侧面，而是具有其它表面几何形状，所述其它表面几何形状也允许相邻片段1102的两个面彼此亲密接触，使得所述两个面形成刚性的坚固材料层，所述材料对于R≤Rlimit具有高刚度。
片段1102可以由多种不同材料(包括例如，金属、聚合物、玻璃和陶瓷)形成。个别块可以进行模制、机械加工、拉伸(例如，通过成形线)并且随后以正确间距附接到薄膜1106。在另一实施方案中，多个相邻片段1102可以同时形成并且随后附接到薄膜1106。例如，如图12中所示，多个相邻片段1202可以例如通过单步骤或多步骤模制过程形成于基底1204上，并且随后，在片段1202结合到薄膜1206之后，基底可能破裂、解开或以其它方式从片段1202去除。在另一实施方案中，多个相邻片段1202可以例如通过光刻和蚀刻过程形成于基底1204上，并且随后，在片段1202结合到薄膜1206之后，基底可能破裂、解开或以其它方式从片段1202去除。
图13是旋转模具的示意图，所述旋转模具可以在用于形成相邻片段1102的实例模制过程中使用。例如，滑动件1、2、3等可以相对于芯销径向插入到适当位置，随后可以将材料注入滑动件与芯销之间的空隙中，以同时形成片段1102和薄膜1106。在形成片段1102之后，组合件可以逆时针旋转并且滑动件以数字顺序移除，以将片段从图13中的最逆时针位置释放，同时在从最逆时针位置顺时针的位置中形成新的片段。通过使用透明工具和紫外线(UV)快速固化模塑料，可以实现高生产量。
图14是可以用于形成弯曲限制层1404的相邻片段1102的模具1402的示意图。当弯曲限制层处于其设计的极限半径配置中时，模具1402的形状可以对应于弯曲限制层1404的形状。随后，弯曲限制层1404的相邻片段1102可以形成为模具1402内的整体部分，然而，沿着相邻片段1102之间的设计边界具有缺陷。随后，缺陷可以允许整体部分沿着相邻片段之间的设计边界破裂，使得在弯曲限制层1404从模具移除并且平坦化之后，弯曲限制层1404具有图11中所示的分离的相邻片段1102，但是当弯曲限制层1404弯曲成其极限半径时，相邻片段与其相邻片段形成强力且坚固的接触。
图15是可折叠显示器1500的另一实施方案的示意图，其中弯曲限制层1502耦合到显示层1504。弯曲限制层1502可以包括多个子层。例如，子层可以包括外层1506、中间层1508和内层1510。内层1510可以包括一个或多个指状物1512，所述指状物朝向外层1506向外延伸，并且当弯曲限制层1502处于松弛未弯曲配置时，所述指状物各自在层的平面中与中间层1508的最接近弯曲限制层1502可以弯曲成的弯曲的中间的一部分水平间隔开间隙1514。图15中示出两个指状物1512和间隙1514，但是任何数目的指状物和对应间隙也是可能的。
图16是可折叠显示器1500在处于弯曲配置中时的示意图。如图16中所示，由于可折叠显示器的弯曲而引起的在弯曲的顶点处的内层上的压缩应变使内层的指状物1512与中间层之间的间隙1514闭合。因此，内层1510的片段可以用作响应于压缩应变而在内层上移动并且利用其拉动其对应指状物的叶片(leaves)。当间隙1514闭合时，弯曲限制层1502的刚度增加，使得可折叠显示器的进一步弯曲受限。
图17是显示器1700的另一实施方案的示意图，其中弯曲限制层1702耦合到显示层1704以及单层单向纤维增强背衬膜1720。弯曲限制层1702可以包括多个子层。例如，子层可以包括外皮层1706、中间层1708和内皮层1710。所述层可以由不同材料制成。在一个实施方案中，内层1710和外层1706可以由具有非常高的伸长率的非常薄的材料层(例如，镍钛诺膜)制成，并且中间层1708可以由其刚度根据可折叠显示器1700的弯曲半径而变化的材料制成。
图18是图17的可折叠显示器1700在其处于弯曲配置中时的示意图。如图18中所示，由于可折叠显示器的弯曲而引起的内层1708上的压缩应变使中间层1708的刚度增加。这可以通过多种不同方式进行。在一个实施方案中，内层1710和中间层1708上的压缩应变使层1710、1708朝向弯曲的中心向内变形，并且材料的变形可以增加层中的材料的刚度。在另一实施方案中，内层1710和中间层1708上的压缩应变引起层1710、1708中的至少一个内的机电装置(例如，压电装置)1712的状态变化，并且由于状态变化而产生的信号可以用于使中间层1708的刚度变化。例如，响应于弯曲引起的应变而来自机电装置1712的电信号可以触发要施加到中间层中的材料的电流或电压，这继而可以引起中间层中的材料的状态和刚度变化。例如，材料可以响应于所施加的电流或电压从液体变化到固体，或者可以将材料泵送到中间层的弯曲分，或者可以响应于所施加的电流或电压而重新布置材料颗粒的定向，以增加弯曲分的刚度。
图19是可折叠显示器1900的另一实施方案的示意图，其中弯曲限制层1902耦合到显示层1904。显示器的内容可以显示在显示器的表面上，所述表面处于可折叠显示器1900的与弯曲限制层1902相对的一侧(例如，面向下的内容侧，如图19中所示)上。弯曲限制层1902可以包括多根线或纤维1908，所述多根线或纤维跨越平面中的层1902布置并且当弯曲限制层1902处于平坦配置中时以蛇形配置布置，使得每个纤维的长度长于平面中在每个纤维的末端之间的直线端到端距离。纤维1908可以由坚固的低拉伸材料制成，例如，纤维由玻璃、
Figure BDA0002312486690000191
石墨、碳纤维、陶瓷等制成，并且可以铺设在低模量基底中。例如，可以使用专用的制造设备经由展开纤维束技术以所需图案铺设纤维1908。在一些实施方案中，纤维1908可以在位置1906处沿着纤维1908的长度被固定到可折叠显示器的层，例如，固定到弯曲限制层1902中的基底，或固定到在弯曲限制层1902与显示层1904之间的接口处的表面。例如，纤维可以固定在纤维的蛇形配置的节点处。固定可以通过多种不同技术执行。例如，激光加热过程可以将固定位置处的纤维结合到层，或者纤维可以机械地结合在所述位置处。
当显示器弯曲时，当弯曲限制层1902处于弯曲的外侧上并且显示层1904处于弯曲的内侧上时，纤维可以限制可折叠显示器1900的弯曲半径，因为当达到所需的最小弯曲半径时，纤维可以变直并且限制可折叠显示器的弯曲半径。换句话说，当纤维未被拉伸时，弯曲限制层1902对层中的拉伸应变的阻力非常低，并且随后当纤维被拉伸到其全长时，所述阻力变高。由于纤维在固定位置处结合到弯曲限制层1902中的材料，当弯曲限制层1902的弯曲使纤维在相邻固定位置1906之间变直时，发生弯曲限制层的刚度突然增加。
图20是可折叠显示器1900当该显示器处于弯曲配置中时的示意图，其中弯曲限制层1902处于弯曲的外侧上并且显示层1904处于弯曲的内侧上。在此配置中，当弯曲限制层处于拉伸应变下时，纤维可以在弯曲限制层1902的弯曲平面中变直，并且在弯曲平面内相邻固定位置1906之间的每个纤维片段的端到端距离可以接近相邻固定位置1906之间的每个纤维的长度或与所述长度相同。在此配置中，坚固的低拉伸纤维抵抗弯曲限制层上的拉伸应变，由此限制可折叠显示器1900的弯曲半径。
图21是可折叠显示器2100的另一实施方案的示意图，其中弯曲限制层2102和单层单向纤维增强背衬膜2120耦合到显示层2104。弯曲限制层2102可以包括材料的图案化结构，所述材料可以对由可折叠显示器2100的弯曲引起的压缩力具有非线性刚度响应。
在一个实施方案中，图案化结构可以包括远离显示层2104延伸的肋状物2106的阵列。如图21中所示，肋状物2106可以是矩形，但是其它形状也是可能的。肋状物2106可以是相对刚性的，因为所述肋状物具有高体积模量和高剪切模量。因此，当可折叠显示器2100弯曲时，肋状物2106保持其形状。肋状物可以包括各种不同的刚性材料，包括例如，金属(例如，铝、铜、钢等)、陶瓷材料、玻璃材料等。
相邻肋状物2106之间的间隙或沟槽2108可以部分地或完全地用第二材料填充，所述第二材料对由可折叠显示器2100的弯曲引起的压缩力具有非线性刚度响应。材料可以包括泡沫(例如，以及开孔泡沫)、凝胶，或其它材料，所述材料的体积模量根据材料上的压缩力而变化。
当弯曲限制层2102处于松弛未弯曲配置如图21中所示时，在肋状物2106之间的间隙2108中的材料可以将相对较低的力施加到保持在间隙中的适当位置的肋状物，例如，因为在未弯曲配置中，间隙2108中的材料处于未变形状态，因此材料由于其可压缩性而施加很小的力。在肋状物的远端处(即，远离显示层2104)的相邻肋状物之间的距离可以大致等于在肋状物的近端处(即，接近显示层2104)的相邻肋状物2106之间的距离。
图22是图21的可折叠显示器2100在该显示器处于弯曲配置中时的示意图。如图22中所示，弯曲限制层2102层中的压缩应变可以导致在肋状物的近端处的相邻肋状物2106之间的距离小于弯曲限制层2102处于松弛未弯曲配置中时的距离。另外，由于弯曲限制层2102的弯曲以及肋状物的非零长度，因此与在弯曲限制层2102处于未弯曲配置中时相比，在弯曲限制层2102处于弯曲配置中时，在肋状物2106的远端处的相邻肋状物之间的距离甚至更短。因此，当层2102弯曲时，肋状物2106之间的间隙或沟槽2108中的材料被挤压。当弯曲半径变得小于阈值半径时，材料的挤压可能导致材料的刚度突然增加。例如，在肋状物2106之间的间隙2108中的开孔泡沫材料的情况下，当压缩材料时，可以从孔中挤出空气，并且在当半径达到阈值半径时已从材料中挤出临界量的空气时，材料的刚度可以突然增加。
尽管在图21和22中说明矩形肋状物2106并且在图21中示出在肋状物2106之间的矩形间隙2108，但是肋状物之间的其它形状以及在肋状物之间的间隙中的材料也是可能的。例如，如图23A中所示，肋状物2302可以是大体上T形轮廓。在另一实例中，如图23B中所示，肋状物2304可以具有大体上梯形轮廓。在另一实例中，如图23C中所示，肋状物2306的轮廓在肋状物的中间可以比在肋状物的顶部和底部处窄。在另一实例中，如图23D中所示，肋状物2308可以具有定制形状的轮廓，所述轮廓结合肋状物之间的间隙中的材料的类型和形状配置以实现所需刚度与弯曲半径响应。
相应地，在肋状物之间的间隙中的材料的形状可以具有不同形状，该材料对弯曲限制膜的曲率半径具有非线性刚度响应。例如，图24A、图24B、图24C和图24D示出矩形肋状物2402之间的矩形间隙，但是间隙中的材料在不同图式中具有不同形状。例如，如图24A中所示，矩形间隙可以用非线性刚度响应材料2405填充，所述非线性刚度响应材料2405在弯曲限制层处于其松弛配置中时在间隙的顶部上方凸出。在另一实例中，如图24B中所示，矩形间隙可以用非线性刚度响应材料2406填充，所述非线性刚度响应材料在弯曲限制层处于其松弛配置中时精确地填充矩形间隙。在另一实例中，如图24C中所示，矩形间隙可以用非线性刚度响应材料2408填充，所述非线性刚度响应材料在弯曲限制层处于其松弛配置中时下降到间隙的顶部下方。在另一实例中，如图24D中所示，沿着间隙的侧面和底部，而不是在间隙的中心部分上，矩形间隙可以用非线性刚度响应材料2410填充。可以选择肋状物之间的间隙中的材料的类型和形状，以实现对弯曲限制层的弯曲半径响应的所需刚度响应。
图25是可折叠显示器2500的示意图，所述可折叠显示器2500具有绕着最小半径Rmin弯曲的可弯曲部分2501)。显示器2500还可以包括一个或多个直的或不可弯曲的部分。可折叠显示器2500可以包括显示层2502，所述显示层包括组件(例如，OLED层、TFT层、触摸屏层、偏振层等)，所述组件在可折叠显示器上生成图像；以及弯曲限制层2504，所述弯曲限制层将可折叠显示器2500可以弯曲的半径限制成大于或等于最小半径Rmin。弯曲限制层2504通过耦合层2503耦合到显示层2502。例如，耦合层2503可以包括在触摸显示层2502和弯曲限制层2504的相应表面上的粘合材料或结合材料。显示器2500还包括耦合到显示层2504的单层单向纤维增强背衬膜2520。
如上所述，当显示层2502以平坦配置制造时，使显示层2502弯曲沿着弯曲的内径引起压缩应变，并且沿着弯曲的外径引起拉伸应变。期望将组合件的中性平面2506保持在组合件的易碎和敏感组件(例如，TFT)所处的平面处或附近，在所述中性平面处不会响应于弯曲而发生应变。因此，耦合层2503可以包括低模量材料(例如，橡胶、凝胶等)，使得在显示层2502与弯曲限制层2504之间传输在层的平面内的很小应变。在一些实施方案中，显示器2500可以包括在显示层2502的与弯曲限制层2504相对的一侧上的附加层2510，并且当弯曲限制层2504用于限制显示器2500的弯曲半径时，所述附加层用于将中性平面保持接近其在显示层2502内的设计位置。例如，附加层2510的刚度可以补偿弯曲限制层的刚度对中性平面的位置的影响，使得当显示层2502耦合到弯曲限制层2504时，中性平面不会从其在显示层2502中的设计位置移位。
还应理解，当元件称为处于、连接到、电连接到、耦合到，或电耦合到另一元件时，所述元件可以直接处于、连接或耦合到另一元件，或可以存在一个或多个中介元件。相反，当元件称为直接处于、直接连接到或直接耦合到另一元件时，不存在中介元件。尽管可能在整个详细描述中未使用术语“直接处于……上”、“直接连接到……”或“直接耦合到……”，但是示为直接处于、直接连接或直接耦合的元件可以如此引用。可以对本申请的权利要求进行修改以列举在说明书中描述或在图式中示出的示例性关系。
尽管已经如本文所描述的那样说明所描述实施方案的某些特征，但是本领域技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等效物。因此，应理解，所附权利要求书预期涵盖落入实施方案的范围内的所有此类修改和改变。应理解，它们仅以实例而非限制性方式呈现，并且可以在形式和细节上进行各种改变。除了相互排斥的组合之外，本文所描述的设备和/或方法的任何部分可以通过任何组合进行组合。本文所描述的实施方案可以包括所描述的不同实施方案的功能、组件和/或特征的各种组合和/或子组合。
另外，附图中描绘的逻辑流程不一定需要按所示的特定次序或按顺序实现所需要的结果。另外，可以提供其它步骤，或可以从所描述的流程中去除步骤，并且其它组件可以添加到所描述系统，或从所描述系统移除。因此，其它实施例在所附权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种计算装置，包括：
可折叠显示器；
弯曲限制层，所述弯曲限制层耦合到所述可折叠显示器，所述弯曲限制层被配置成当所述可折叠显示器弯曲成小于极限半径的曲率半径时非线性地增加所述弯曲限制层的刚度，所述极限半径小于10mm；以及
耦合到所述可折叠显示器的背衬膜，所述背衬膜包括：
第一层，所述第一层包括在第一方向上定向并且嵌入所述第一层内的单向第一纤维，其中所述第一层具有小于25μm的厚度；以及
第二层，所述第二层结合到所述第一层，所述第二层包括在第二方向上定向并且嵌入所述第二层内的单向第二纤维，其中所述第二层具有小于25μm的厚度，其中所述第一方向与所述第二方向不平行。
2.根据权利要求1所述的计算装置，其中，所述弯曲限制层包括多个片段，所述多个片段附接到膜并且在所述可折叠显示器的所述曲率半径大于所述极限半径时彼此物理地分离以及在所述可折叠显示器的所述曲率半径小于或等于所述极限半径时与相邻片段物理接触。
3.根据权利要求1所述的计算装置，其中，所述弯曲限制层包括多根低拉伸纤维，其中所述纤维布置在所述弯曲限制层中，使得当所述可折叠显示器的所述曲率半径大于所述极限半径时，在所述弯曲限制层的平面中的每个纤维的末端之间的距离小于所述纤维的长度，并且使得当所述可折叠显示器的所述曲率半径小于或等于所述极限半径时，在所述弯曲限制层的平面中的每个纤维的末端之间的距离大致等于所述纤维的长度。
4.根据权利要求1所述的计算装置，其中，所述弯曲限制层包括下述材料：该材料的刚度响应于该材料中的应变超过阈值而非线性地变化。
5.根据权利要求1所述的计算装置，其中，所述单向第一纤维包括陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的计算装置，
其中所述可折叠显示器包括OLED层，所述OLED层具有第一热膨胀系数，
其中所述第一层中的所述单向第一纤维的加权平均热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的25％内。
7.根据权利要求6所述的计算装置，其中，所述第一层中的所述单向第一纤维包括不同材料的纤维，所述不同材料具有不同的热膨胀系数。
8.根据权利要求7所述的计算装置，其中，所述第一层中的所述第一纤维包括陶瓷纤维并且包括碳纤维。
9.根据权利要求6所述的计算装置，其中，所述第一层中的所述单向第一纤维的所述加权平均热膨胀系数大于7ppm/K。
10.根据权利要求1所述的计算装置，其中，所述第一纤维的方向基本上垂直于所述第二纤维的方向。
11.根据权利要求1所述的计算装置，其中，所述第一纤维和所述第二纤维具有基本上圆形的截面。
12.根据权利要求11所述的计算装置，其中，所述第一纤维和所述第二纤维的直径小于12μm。
13.根据权利要求11所述的计算装置，其中，相邻的单向第一纤维之间的平均间距大于所述第一纤维的直径的两倍。
14.根据权利要求11所述的计算装置，其中，相邻的单向第一纤维之间的平均间距大于所述第一纤维的直径的五倍。
15.根据权利要求1所述的计算装置，进一步包括：
第三层，所述第三层结合到所述第二层，所述第三层包括嵌入所述第三层内的单向第三纤维，其中所述第三层具有小于25μm的厚度并且其中所述第三纤维的方向与第二纤维的方向不平行。
16.根据权利要求15所述的计算装置，其中，所述第二层处于所述第一层与所述第三层之间。
17.根据权利要求16所述的计算装置，其中，所述第三纤维的方向基本上平行于所述第一纤维的方向。
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