柔性O(shè)LED模組的落筆沖擊仿真與模組優(yōu)化分析

鄒嵐韜，廖敦明，吳 棣，時(shí)俊克，黃麗婷，石 爽

（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

1 引 言

與傳統(tǒng)的LCD屏幕相比，有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）模組具有廣視角、自發(fā)光、超薄的厚度、更好的畫質(zhì)與更低的功耗、輕重量、可彎曲等諸多的優(yōu)勢［1-3］?；谶@些優(yōu)勢，柔性O(shè)LED模組在商標(biāo)、醫(yī)療、照明、環(huán)境顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［4-8］。目前，柔性O(shè)LED模組正在向折疊、卷曲等領(lǐng)域發(fā)展。

由于對(duì)彎折方面的需要，柔性O(shè)LED模組去掉了其表面用來保護(hù)內(nèi)部元件的玻璃蓋板，使其抗沖擊性能有所下降，在日常的使用當(dāng)中，其內(nèi)部的電子元件更容易受碰撞、摔落等因素?fù)p傷。為了改善柔性O(shè)LED模組的力學(xué)性能，學(xué)者們通常通過改進(jìn)膜材的性能并使用機(jī)械試驗(yàn)來分析模組的相關(guān)性能［9-10］。對(duì)于柔性顯示OLED模組的機(jī)械試驗(yàn)，國際社會(huì)制定了《柔性顯示器件機(jī)械試驗(yàn)方法沖擊和硬度測試》、《柔性顯示器件機(jī)械試驗(yàn)方法形變測試》等來規(guī)定機(jī)械試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［11-12］。其中，主要通過沖擊試驗(yàn)來進(jìn)行模組的抗沖擊性能的研究。但機(jī)械試驗(yàn)的成本較為昂貴，準(zhǔn)備時(shí)間較長，在數(shù)值上也存在著較大誤差，通過有限元建模進(jìn)行分析能夠很好地解決這些問題。

本文通過仿真分析的方法，使用ABAQUS軟件建立落筆沖擊的有限元模型，分析柔性O(shè)LED模組的疊構(gòu)組成、厚度和模量的變化對(duì)OLED模組應(yīng)變的影響，為改善柔性O(shè)LED模組的抗沖擊性能提供指導(dǎo)。

2 仿真模型建立

2.1 幾何模型建立與邊界條件設(shè)置

本文使用的OLED模組由多重結(jié)構(gòu)組成，材料組成及尺寸參數(shù)如圖1所示。其中，薄膜封裝（TFE）層及AMOLED層都由多層復(fù)合結(jié)構(gòu)組成，并且其有幾層結(jié)構(gòu)厚度相對(duì)很薄，因此對(duì)這兩層疊構(gòu)進(jìn)行等效模量處理，將其視為一層進(jìn)行計(jì)算。在落筆沖擊試驗(yàn)中，圓珠筆在一定的高度下做自由落體，在接觸屏體后減速再彈起。試驗(yàn)時(shí)，屏體放置在由支架撐起的金屬板上，金屬支撐板與支架之間通過亞克力背膠粘合在一起，支架放置在大理石地面上，如圖2所示，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示，落筆試驗(yàn)中使用的圓珠筆重12 g，筆尖圓珠直徑0.5 mm，落筆初始位置高度為15 cm。

圖1 OLED模組的結(jié)構(gòu)Fig.1 Stack structure and thickness of OLED

圖2 落筆沖擊系統(tǒng)剖視圖Fig.2 Cutaway view of the impact system

表1 模型使用的材料參數(shù)Tab.1 Parameters of OLED used in the model

由于落筆沖擊過程較為復(fù)雜，三維仿真模型存在計(jì)算量過大、計(jì)算時(shí)間過長以及占用資源較大等問題，本文通過設(shè)置相應(yīng)的對(duì)稱邊界條件，將三維的沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喕癁槎S的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。同時(shí)，為了減小有限元分析的計(jì)算量，采用顯式動(dòng)態(tài)分析的方法，并設(shè)定初始時(shí)刻圓珠筆就與屏體接觸，使用初速度來代替自由落體所帶來的速度，根據(jù)初始高度15 cm，換算為圓珠筆的初速度為1 714.6 mm/s。由于圓珠筆在碰撞過程中主要是前端的筆頭與OLED模組進(jìn)行接觸，為了節(jié)約計(jì)算資源，將圓珠筆模組進(jìn)行化簡，只保留圓珠筆頭，調(diào)整圓珠筆頭的密度使筆頭能夠達(dá)到原來整支筆的質(zhì)量。地面和筆頭的剛度較大，試驗(yàn)時(shí)也不關(guān)注其變化，因而將其設(shè)置為剛體。

2.2 網(wǎng)格劃分

使用四邊形為主的自由網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行初始網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選擇四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形網(wǎng)格。由于屏體損壞部分基本都為落球與屏體接觸部位，故對(duì)于模型的網(wǎng)格劃分，在靠近屏體部分將網(wǎng)格密度增大以提高計(jì)算精度；而對(duì)于遠(yuǎn)離接觸碰撞區(qū)域和地面、支架等分析需求較小的網(wǎng)格，則可以將網(wǎng)格密度適當(dāng)降低來減少計(jì)算精度，從而達(dá)到計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度的一個(gè)均衡。在厚度方面，每層疊構(gòu)間使用均勻網(wǎng)格，將每一層網(wǎng)格劃分為數(shù)層，保證相鄰網(wǎng)格間的尺寸差距不要過大以減少計(jì)算不收斂的情況。

由于OCA膠材的剛度較小，在沖擊過程中，該部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格會(huì)由于擠壓發(fā)生極大的變形而導(dǎo)致計(jì)算不收斂。為了解決這些結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格不收斂問題，對(duì)OCA層進(jìn)行ALE自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，并在計(jì)算中設(shè)置雙精度計(jì)算以提高計(jì)算的精度，避免計(jì)算不收斂的問題出現(xiàn)，仿真模型如圖3所示。

圖3 簡化后的有限元模型Fig.3 Simplified finite element model

2.3 膠材本構(gòu)模型

膜層間的OCA膠材是一種同時(shí)具有超彈性和粘彈性的不可壓縮材料，其通過粘彈性來表征材料的性能與應(yīng)變率之間的關(guān)系，通過超彈性表征材料變形過程當(dāng)中的非線性彈性行為［13］。

對(duì)于超彈性材料，目前常用的本構(gòu)模型有基于唯象理論的Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、Ogden 3階模型以及基于熱力學(xué)的Arruda-Boyce模 型 和Van Der Waals模 型 等［14］。由 于Yeoh模型與本試驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)擬合較好，故本文選用Yeoh模型，具體參數(shù)如表2所示。

表2 Yeoh模型參數(shù)Tab.2 Parameters of Yeoh model

目前粘彈性的模型有Maxwell模型、Kelvin模型、三參數(shù)固體模型、廣義Maxwell模型等。本文使用基于廣義Maxwell的Prony級(jí)數(shù)方程進(jìn)行擬合。由于測試設(shè)備最高只能測試100 Hz頻率下的膠材參數(shù)，無法取得高頻條件下的膠材參數(shù)，而膠材參數(shù)受應(yīng)變速率的影響較大，所以對(duì)于落球與落筆沖擊這種過程很短的仿真計(jì)算，在表征膠材力學(xué)性能時(shí)存在著一定的誤差。為了減小這種誤差，使用時(shí)溫等效［15］的方式，通過取得低溫下的低頻模量來推算室溫下的高頻模量，圖4所示為歸一化處理后的膠材參數(shù)。

本文使用的ABAQUS軟件可以通過輸入圖4的頻率-模量數(shù)據(jù)對(duì)材料的粘彈性進(jìn)行表征，但不能夠評(píng)估擬合的精度，可以自行對(duì)其進(jìn)行擬合和評(píng)估。

圖4 時(shí)溫等效后的OCA膠材模量Fig.4 Shear modulus of OCA layer after time-temperature equivalence

根 據(jù) 廣 義Maxwell模 型［16］，膠 材 的 復(fù) 合 模量為：

其中：Gi為第i個(gè)單元的復(fù)模量，ω為頻率，τi為松弛時(shí)間，G0表示ωτi→∞時(shí)膠材的模量，從而可以得到儲(chǔ)能模量GS和損耗模量GL的Prony級(jí)數(shù)方程分別為：

進(jìn)行無量綱處理后可得到損耗模量gS與gL的Prony級(jí)數(shù)方程：

根據(jù)歸一化后的膠材儲(chǔ)能模量、損耗模量與頻率的關(guān)系，對(duì)參數(shù)進(jìn)行擬合，即可得到gi與τi的值，具體參數(shù)如表3所示。

表3 Prony級(jí)數(shù)方程參數(shù)Tab.3 Parameters of Prony series

2.4 強(qiáng)度理論選擇

整個(gè)模組受落筆沖擊過程中豎直方向受壓，水平方向受拉，根據(jù)第二強(qiáng)度理論，選擇水平方向的拉應(yīng)變LE11最大值進(jìn)行分析。由于OLED模組在沖擊中TFE層較容易損壞，故分析結(jié)果時(shí)提取TFE層的最大拉應(yīng)變。

3 結(jié)果與討論

3.1 CWF層的影響

CWF蓋板的作用是保護(hù)下面的脆性機(jī)電元件，避免其受到機(jī)械損傷，本文使用的OLED模組為雙蓋板結(jié)構(gòu)，也有許多OLED模組使用單蓋板結(jié)構(gòu)。與AMOLED的復(fù)合迭層材料和其他膜層相比，CWF層的參數(shù)也比較容易調(diào)整。分別對(duì)CWF層的模量和厚度進(jìn)行調(diào)整并與單層蓋板的沖擊結(jié)果進(jìn)行比較，分析這些變化對(duì)模組應(yīng)變的影響。為了便于分析，修改最上層的CWF層的參數(shù)。

分別將上側(cè)CWF層的模量從5.5 GPa增加到11 GPa、16.5 GPa……，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，再分別將其厚度從原來的50 μm修改為25 μm、75 μm、100 μm、125 μm和150 μm，并與去掉最上層CWF層和OCA層的單層蓋板的模組比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 上側(cè)CWF層參數(shù)對(duì)TFE層最大應(yīng)變的影響。（a）上側(cè)CWF層厚度的影響；（b）上側(cè)CWF層模量的影響。Fig.5 Influence of parameters of top CWF layer on the maximum strain of TFE layer.（a）Influence of modulus of top CWF layer；（b）Influence of thickness of top CWF layer.

根據(jù)仿真結(jié)果，增加CWF層，將模組變更為雙蓋板結(jié)構(gòu)后TFE層拉應(yīng)變有明顯的降低，起到了更好的緩沖效果。雙層蓋板相比于單層蓋板，其對(duì)TFE層的保護(hù)作用更加明顯。當(dāng)上側(cè)蓋板的厚度增加時(shí)，TFE層的最大拉應(yīng)變隨之降低，蓋板的緩沖效果增加，從而提高了柔性O(shè)LED模組的抗沖擊性能。隨著上側(cè)蓋板的模量的增加帶來的剛度增加，TFE層的最大拉應(yīng)變有一定的減少，說明提高上側(cè)蓋板的剛度能增加模組的抗沖擊性能。

3.2 OCA膠材模量和厚度的影響

OCA膠材可通過變更膠材的種類變更膠材的模量，其厚度也可以通過在粘合時(shí)涂抹的量來變更，這些都較容易進(jìn)行變更?；诖?，分別調(diào)整OCA膠材的模量和厚度，來分析其對(duì)OLED模組中脆弱層TFE層的最大拉應(yīng)變的影響。

首先調(diào)整OCA膠材的彈性模量，分別將OCA的模量縮小和放大。并提取TFE層在沖擊過程中的最大拉應(yīng)變LE11；對(duì)于OCA膠材的厚度，為了方便比較，依次變更兩層玻璃蓋板之間的膠材OCA1和下層蓋板下的膠材OCA2以及兩層膠材同時(shí)變更厚度（OCA1&2），從13 μm依次調(diào)整到75 μm，并對(duì)模型提交計(jì)算，輸出TFE層單元的LE11的最大值，將結(jié)果與原始情況進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 OCA參數(shù) 對(duì)TFE層最大應(yīng)變影響。（a）OCA膠層的模量的影響；（b）OCA膠層厚度的影響。Fig.6 Influence of parameters of OCA layer on the maximum strain of TFE layer.（a）Influence of OCA’s modulus；（b）Influence of OCA’s thickness.

從圖中6可以看出，隨著OCA模量的增加，TFE層的拉壓應(yīng)變均有所減小，即便OCA膠材的模量增大到原來的10倍時(shí)，TFE層的拉壓應(yīng)變依舊在隨之減小。而減少膠層的厚度會(huì)導(dǎo)致TFE層的應(yīng)變增加，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能有不利的影響。增加膠層的厚度能夠減少TFE層的應(yīng)變，單一膠層的改變對(duì)TFE層應(yīng)變的影響較小，而同時(shí)增加兩層膠層的厚度后，其影響明顯增大。

3.3 在底板下層增加一層鋼片（SUS）層的影響

考慮到屏體結(jié)構(gòu)在沖擊過程中會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)從而可能與其余部位發(fā)生更強(qiáng)的碰撞或者接觸從而導(dǎo)致受力增大，在底板BPF下側(cè)加上一層25 μm的OCA膠材及一層30 μm SUS片對(duì)模組進(jìn)行約束處理，從而限制其抖動(dòng)，并將SUS層的厚度依次增加到60，80，100，120 μm，并與原始模組進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 SUS層及其厚度對(duì)TFE層應(yīng)變的影響Fig.7 Influence of SUS and thickness of SUS on the strain of TFE layer

在底板下加入OCA層和SUS層后，模組的整體受到了有較大模量的SUS層約束，其在沖擊過程中產(chǎn)生的抖動(dòng)減小，從而使得TFE層的最大應(yīng)變有所減小，隨著SUS層厚度的增加，TFE層的最大應(yīng)變會(huì)隨之降低。結(jié)果表明，加入SUS層疊構(gòu)對(duì)TFE層的應(yīng)變改善有利，并且這種改善情況會(huì)隨著SUS層的厚度增加而增加。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真的結(jié)果，使用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。以1 cm為間隔，調(diào)整落球初始高度，分別記錄模組破壞時(shí)的初始高度，試驗(yàn)裝置如圖8（a）所示。為了與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照，分別在減半OCA1厚度和增加SUS層的模型中，通過調(diào)節(jié)落球的高度，使TFE層的最大應(yīng)變與未調(diào)整模型前保持一致，通過對(duì)比不同方案中落球提高的高度分析對(duì)下落高度的影響，結(jié)果如圖8（b）所示。

圖8 落筆試驗(yàn)與仿真。（a）沖擊試驗(yàn)裝置；（b）仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。Fig.8 Pencil-impacted test and simulation.（a）Impacted test system；（b）Comparison between simulation and test results.

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)于減半OCA1厚度的方案，當(dāng)初始高度在9.2 cm時(shí)，其造成的應(yīng)變與原始疊構(gòu)在初始高度為10 cm時(shí)相同，落筆造成損壞的高度從10 cm降低到9.2 cm，抗沖擊性能有所下降。增加SUS層的結(jié)果也與之類似。仿真結(jié)果說明，原始模組如果在10 cm時(shí)損壞，則現(xiàn)在會(huì)在12.3 cm的初始高度被圓珠筆沖擊損壞，抗沖擊性能有所提升。減半OCA1的厚度，其初始高度由10 cm降低至9 cm，SUS層由10 cm增加至12 cm，試驗(yàn)與仿真的結(jié)果十分接近。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)柔性O(shè)LED模組在性能測試時(shí)使用的落筆沖擊試驗(yàn)，建立了有限元模型，對(duì)模組的抗沖擊性能進(jìn)行分析，并討論了CWF蓋板、SUS層和OCA膠材等影響因素對(duì)模組的影響。對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）蓋板對(duì)模組內(nèi)部元件的保護(hù)作用十分明顯，雙層蓋板結(jié)構(gòu)要比單層蓋板的效果更好。上側(cè)蓋板的模量在5.5～55 GPa之間變更，厚度在25～150 μm之間變更時(shí)，隨著模量和厚度的增大TFE層的最大拉應(yīng)變減小，抗沖擊性能得到提升。

（2）蓋板下的OCA膠層模量在原來的0.1～10倍，厚度在13～75 μm之間變更時(shí)，隨著OCA膠材模量和厚度的增加，會(huì)減小TFE層的最大拉應(yīng)變。同時(shí)增加兩層蓋板下的OCA膠材厚度會(huì)有更好的效果。

（3）在底板下增加一層SUS層能夠通過減小沖擊中的抖動(dòng)很好地減小TFE層的最大應(yīng)變，SUS層厚度在30～120 μm范圍內(nèi)增加時(shí)，隨著SUS層厚度的增加，應(yīng)變會(huì)繼續(xù)減小

綜合以上結(jié)果，使用雙層蓋板結(jié)構(gòu)、增大蓋板自身或者蓋板下的OCA厚度和模量、在底板下增加SUS層均能夠減小TFE層的最大應(yīng)變，從而達(dá)到增加OLED模組的抗沖擊性能的效果。