基于內聚力模型的柔性屏貼附及影響因素

黃智豪，王金彪，高浩宇，林玲，殷嘉鴻，董玉德*

基于內聚力模型的柔性屏貼附及影響因素

黃智豪1，王金彪1，高浩宇1，林玲2，殷嘉鴻2，董玉德1*

（1.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥市商巨智能裝備有限公司，安徽 合肥 230012）

本文基于內聚力模型，提出一種針對柔性屏的貼附方式，克服了傳統的屏幕貼附技術只能適用于直面屏貼合而無法貼合柔性材料的問題。通過建立仿真模型對貼合過程進行模擬并分析該過程的應力變化。討論了仿真模型中不同的下壓載荷、旋轉速度、材料屬性對仿真結果的影響。實驗結果表明，基于內聚力模型理論可建立一種針對柔性屏幕的貼合方式。下壓載荷的增加將導致薄膜所受應力增大，而旋轉速度的變化對應力的影響較小。材料屬性對仿真成功與否起著關鍵因素。

內聚力模型；柔性屏；貼合；仿真分析；影響因素

1 引言

柔性屏幕相比傳統的電子產品使用的玻璃屏幕，往往使用具有高透光率和高柔韌度的超薄材料。由于柔性屏幕將原本使用的剛性保護玻璃變成了可彎折的柔性材料，所以相比于傳統電子設備，能耗顯著降低，能夠很好地實現柔性顯示，同時柔性屏幕在耐用性方面也有很大的提高［1-3］。除此之外，柔性屏往往采用聚合高分子材料作為顯示模組，這些材料往往包含著復雜的力學行為，如粘彈性和超彈性等不同力學性質。在柔性屏貼合的過程中，柔性屏的彎折端部或彎折端角處的變形十分復雜，與彎折蓋板的底面端部或端角之間很容易出現氣泡等不良現象，甚至發生柔性屏碎裂。同時柔性顯示屏及相關柔性器件常用的材料和排布方案在大曲率的彎折條件下易產生裂紋、脫層等失效形式，無法滿足力學穩定性、不易折斷的要求。因此，建立一種針對柔性屏屏幕的貼合方式是非常必要的。

Liao和Kido等人［4-5］提出疊層結構的有機發光二極管（OLED），提高了OLED的使用效率和壽命，增加了其商業價值。過往的貼合方式常采用網板和真空貼附臺［6］，且大多是針對液晶顯示器（Liquid Crystal Display）。針對柔性屏問題，原有的研究成果一主面集中于貼合前期的定位問題，如高艷等人［7］設計并采取機械結構來自動定位，但其精度較低。汪宏昇等［8］用機器視覺來進行對準定位，目前該方法已廣為應用。另有學者針對貼合后的脫膠斷裂或彎折問題展開研究，如段元欣等人［9］對膠接結構件進行建模分析。Niu 等人［10］針對 OLED 薄膜結構進行彎折性能理論研究得到 OLED 各層應變分布情況。Shi 等人［11］對不同量級彈性模量材料彎折受力進行了理論分析。Yeh 等人［12］對可折疊 OLED 顯示模組的受力情況進行解析分析。Salmon 等人［13］通過有限單元法建立了多層結構的堆疊模型，分析彎折時的受力情況。Wang等人［14-15］針對OLED 薄膜結構等器件進行了彎折應力的仿真分析。黨鵬樂等人［16］通過調整模組之間的排列順序來尋求柔性屏應對彎折使用場景的最佳排布方案。劉正周等人［17］通過探究粘彈性和超彈性兩種材料本構方程，并借助有限元軟件應用材料特征對柔性OLED模組進行彎折應力分析。鄭宏兵等人［18］基于OLED屏幕COF（Chip on Film）連接過渡區在彎折和可靠性階段易發生金屬層斷裂的問題，通過有限元方法，分析了COF連接過渡區相關結構的偏移、膠層厚度在彎折過程和可靠性因素下對金屬層應力的影響等。

本文借助內聚力模型，提出一種針對柔性屏的貼合方式，并建立仿真模型對貼合過程進行模擬并分析貼合過程中的應力變化。同時討論了仿真模型中選取不同的下壓載荷、旋轉速度、材料屬性等邊界條件對仿真結果的影響。仿真結果為研究柔性屏幕的貼合、貼合時所需選取的工藝參數、貼合材料的選取等問題提供了參考依據。

2 柔性屏貼合與貼附原理

2.1　屏幕貼合

傳統的液晶顯示器件是由保護玻璃、觸摸屏和液晶顯示屏組成的，而保護玻璃、觸摸屏和液晶顯示屏3部分往往需要兩次貼合粘連在一起，第一次貼合在保護玻璃和觸摸屏之間，第二次貼合是在液晶顯示屏和觸摸屏之間。傳統的觸摸屏貼合一般采取框貼或者全貼合的方式進行貼合。框貼的操作流程大致如下：取出顯示屏或者觸摸屏，用雙面膠將周邊進行固定，完成貼合，因此框貼又被稱為口字膠貼合。全貼合指使用LOCA液態膠或OCA光學膠，將柔性OLED面板與觸摸屏之間以無縫隙的方式進行粘連后貼合在一起，這種貼合方式很好地解決了保護玻璃和觸摸屏之間存在空氣層的問題，大幅改善了眩光和亮度不足的顯示效果，成為主流的貼合技術。

2.2　屏幕貼附技術

屏幕貼附是指將兩種不同的材料貼合在一起的生產技術［19］，在貼合的過程中有如下要求：（1）要注意避免貼附材料的拉伸、變形、壓傷等問題出現；（2）貼附時角度與貼附位置之間的偏差應盡可能地小，減少貼附產生的誤差；（3）在貼附結束后要避免貼附好的屏幕上面存在氣泡、灰塵、顆粒雜質等。現階段使用的貼附技術主要有平板吸附輥輪貼附和網板吸附滾輪貼附。平板吸附輥輪貼附過程大致如下：首先將玻璃板或者背板放在平臺上，通過真空吸附方式進行定位，接著將要貼附的薄膜材料放在腔體的下端吸附在平臺上，等待上平臺進行調整貼合位置，最后輥輪下壓開始從頭部開始貼合，上平臺與下平臺之間相對移動帶動薄膜移動，完成薄膜的貼附。平板吸附輥輪貼附示意圖如圖1所示。

圖1　平板吸附輥輪貼附示意圖

網版吸附輥輪貼附是近年來發展比較快的一種新型的貼附方式。網版貼附可以進行軟對硬貼附，也可以實現軟對軟、硬對硬貼附，適應范圍比較寬。它的過程是：將較硬的玻璃放在下平臺上，定位并用真空吸附，將要貼附的材質吸附定位并吸附在網箱的網版上，撕去保護膜，網箱下降到一定高度后，輥輪下壓并沿貼附方向移動，完成貼附動作（圖2）。

圖2　網版吸附輥輪貼附示意圖

3 仿真模型建立

3.1　內聚力模型

以上兩種貼附技術都是應用于直面屏的貼附，對于柔性屏而言均是不適用的。為解決柔性屏的貼附問題，通過對內聚力模型（Cohesive Model）的研究，建立了一種新型柔性屏貼合方式。由于柔性屏貼附過程中存在著高度的非線性，因此借助于ABAQUS軟件對處理非線性問題的優勢，分析貼合過程中應力的變化，并對貼合過程進行模擬。

內聚力模型是指通過內聚力與界面相對位移之間的本構關系模擬界面的損傷萌生、脫粘發生及擴展的整個過程［20-21］。內聚力模型不僅能夠準確計算裂紋的損傷起始位置，同時可以應用于裂紋的擴展等方面的研究。在實際應用中，內聚力單元通常被布置在復合材料界面或者涂層基體界面處［22-23］，用來描述非均質物體法向、切向之間的牽引分離行為。ABAQUS軟件中對內聚力模型的模擬可以通過“相對分離位移-力”關系表達式來描述。自帶的內聚力模型近似是一個三角形形狀，也可以是梯形或者指數型等形狀，用戶可以根據實際需求對單元子程序進行設定模擬實現［24-25］。ABAQUS內聚力模型有兩種實現方式，一是內聚力單元（Cohesive Elements），另一種是內聚力接觸（Cohesive Surfaces）。內聚力單元初始即需膠合，脫膠后不再黏合，同時考慮到黏膠的厚度一般較小［26-27］，主要應用在曲面、高低段差面或間隙的模型中［28-29］。而內聚力接觸允許接觸黏合，脫膠后可再黏合，因此可處理重復黏合情況。通過對二者的比較，本次仿真需求選取內聚力接觸來定義粘性行為。

內聚力模型將復雜的破壞過程用兩個面之間的“相對分離位移-力”關系表達。

，（2）

其中界面的損傷因子的含義為：

式（1）～式（6）共同構成了粘接界面的兩個準則，即

界面的損傷萌生準則：

界面的脫粘準則：

其中，界面材料斷裂能Gic可表示為

為了獲得內聚力模型模擬粘性行為的相關數據，需要進行相關試驗測試。在進行試驗時需要選取合適的試樣進行測試，首先對檢測樣條進行大小切割，然后在特定的環境下進行測試。分別對法向剛度和法向初始損傷位移進行測試，如圖4、圖5所示（不同顏色曲線代表不同樣條）。

圖5　內聚力模型的法向測試曲線

通過推導，得出了拉伸和簡單剪切變形模式下粘性強度破壞的條件、損傷因子及斷裂能等公式（1）～（9），同時與實驗測試數據相結合，得出了內聚力模型模擬粘性行為相關參數，其擬合結果見表1（注：表中參數均為ABAQUS中接觸屬性定義粘性行為的關鍵參數）。

表1Cohesive模擬粘性行為參數

Tab.1　Cohesive simulation of cohesive behavior parameters

3.2　仿真模型建立

柔性屏貼附的過程是：通過平臺移動及輥輪的轉動，使平臺上的第一層薄膜材料（Panel）能夠貼合在輥輪外圈材料（Sheet）上；緊接著第二層薄膜材料（OCA）平移過來，在剛貼合的Panel外表面進行貼合；依次重復此操作可進行多次貼合。輥輪外圈有一層薄的粘性材料Sheet，Panel、OCA、Sus為柔性薄膜材料，示意圖如圖6所示。

圖6　柔性屏貼附示意圖

本文采用ABQAQUS進行貼附仿真測試，給定的邊界條件為：首先讓輥輪進行下壓，選擇合適的下壓載荷；隨后輥輪帶動Sheet圍繞參考點順時針旋轉，選擇合理的轉速與作用時間；同時保留Panel水平方向自由度；最后等Panel、OCA、Sus等多層完全貼附在外圈Sheet上，輥輪帶動外圈Sheet已經貼合好的薄膜進行空轉，檢驗薄膜之間是否存在脫落、滑移、間隙等問題。

在進行有限元分析計算時，先對結構進行網格劃分。網格劃分與類型的選擇是進行有限元分析中最為重要的一步，它直接決定了仿真分析是否能成功進行，同時也決定了所得分析結果是否精確可用。網格劃分從原理上來說，是為了使模型經過離散化的處理后變成有限元。在劃分網格之后，每個單元在分析過程中都會進行迭代，每個單元的位移增量就是有限元分析過程中迭代的基本未知量。考慮到作用時間，最終選取 Sheet 為雙層網格、Panel 為5層網格、OCA和Sus均為兩層網格，網格類型選取為C3D8R，大小為 2，沙漏控制方式選取為組合方式。同時為有效改善沙漏現象、質量縮放系數的影響，以及網格單元大變形等導致的求解不收斂問題，在網格劃分上引入了ALE 自適應網格技術。

4 影響因素

將上述分析應用于有限元分析軟件ABAQUS中，實現基于內聚力模型的柔性屏貼附，并進行應力仿真分析。柔性屏貼附流程和應力云圖如圖7、圖8所示。

圖7　柔性屏貼附流程圖

圖8　柔性屏貼附應力云圖

通過ABAQUS求解器，采用雙精度求解，根據本案例中設置的邊界條件可得仿真結果。

4.1　輥輪下壓量與下壓力

在進行有限元分析時，邊界條件和Sheet薄膜材料屬性的選取將對仿真結果產生影響，同時邊界條件的選取和生產有直接的聯系，選取合理的輥輪下壓載荷、輥輪旋轉速度對生產有重要意義。由上述可知，邊界條件包含輥輪下壓載荷和輥輪旋轉速度兩部分。

在實際的生產加工中，往往是通過施加下壓力達到下壓目的。但是由于Panel、OCA、Sus為彈性薄膜材料，在受壓后會有明顯的回彈過程，采取下壓力無法確定回彈量，所以可以通過下壓量來施加載荷。

為研究不同下壓量對受力情況的影響，在下壓階段采取不同的下壓量進行測試。為研究下壓力對受力情況的影響，同時驗證下壓力與下壓量兩種不同載荷施加方式是否會對仿真產生影響，在下壓階段采取不同的下壓力進行測試。在下壓量與下壓力測試中固定轉速、網格等基本條件不變。通過仿真分析所得結果如圖9所示。

圖9　下壓量和下壓力仿真測試結果

載荷的施加方式包括下壓量和下壓力兩種。通過實驗測試可得下壓力與下壓量兩種不同載荷施加方式對仿真不會產生影響。當采用下壓量的載荷施加方式時選取4 μm下壓量，效果與施加載荷200 N效果類似。其余大小的下壓量也都有與之一一對應的下壓力。

4.2　輥輪轉速

輥輪的速度直接決定整個分析過程、生產過程所需的時間，無論是對受力的影響還是生產來說，選擇合適的速度是很關鍵的。對輥輪采取不同的旋轉速度進行貼附測試。在本次輥輪轉速測試中固定下壓量、網格等基本條件不變。通過仿真分析所得結果如圖10所示。

圖10　輥輪轉速仿真測試結果

輥輪轉速與網格大小有著很大關系，隨著網格密度增加，速度最大值隨之增大（非線性）。同時轉速的改變對薄膜受力影響較小，對外圈Sheet受力影響較大。由于速度較快，會讓輥輪和外圈Sheet產生較大的慣性力。轉速快雖然會減少求解時間，但是也會導致波速比過大，所以選取1.2～2.4 rad/s 是較為合理的轉速。由于該仿真模型不具有保壓時間模擬功能，因此貼合轉速難以模擬實際貼合效果，所以在實際生產過程中可以根據材料的屬性和生產的實際需求選擇合適的輥輪轉速。

4.3　材料屬性影響因素

Sheet作為貼附的外圈材料對仿真的成功與否有決定性影響，并對應力大小有著直接影響。在本次Sheet薄膜材料測試中固定下壓量、網格、輥輪轉速等基本條件不變。Sheet分別選取具有超彈性的材料進行測試，材料參數和應力分析如表2和圖11所示，Sheet材料默認參數如下：密度為1.1e-09/mm3，楊氏模量為2 370 MPa，泊松比為0.23，最大應力為0.22 MPa。

表2Sheet薄膜材料及最大應力結果

Tab.2　Film material and maximum stress results

圖11　不同Sheet薄膜材料薄膜受力分析

由圖11和表2可知，將Sheet材料屬性改變為具有超彈性材料屬性后，外圈Sheet應力會發生突變，Panel、OCA、Sus 的應力情況也都有較大的變化。外圈Sheet在受到這么大的應力的情況下，其內部結構所受到的應力值超出自身承受極限，使外圈出現撕裂被穿透等現象，導致外圈材料受損，使整個貼附過程失效。因此外圈Sheet的材料屬性對仿真的求解以及各薄膜層受力情況具有決定性因素，在仿真模型中選定合適的材料屬性尤為重要。

5 結論

本文基于內聚力模型理論，結合ABAQUS有限元分析軟件，建立了一種新型柔性屏貼合方式，并對不同邊界條件進行優化測試，經過對比分析，得出以下結論：

（1）基于對內聚力模型理論的研究結合相關實驗的驗證，在ABAQUS中選取粘聚力接觸來定義粘性行為和脫粘行為，進而模擬出貼附效果，建立了一種新型的柔性屏貼合方式，并對這一貼合方式進行了仿真驗證。

（2）載荷的施加方式包括下壓量和下壓力兩種。通過實驗測試可得下壓力與下壓量兩種不同載荷施加方式對仿真不會產生影響，因此在生產中可采用下壓量或者下壓力任意一種載荷的施加方式。根據仿真優化測試所得數據可知，施加下壓力或下壓量與材料所受載荷呈正相關，因此可根據材料的屬性確定合適的下壓載荷，如下壓力選取4～6 μm。

（3）通過對輥輪轉速的測試結果可得：轉速的改變對薄膜材料受力影響較小，對Sheet受力影響較大。轉速較快會讓Sheet產生較大的離心力慣性。選擇較快的轉速會節約加工所需時間，同時會增大外圈Sheet的應力情況。材料選擇較低的轉速會使工藝更為平穩，但同時耗費了更多的時間，所以在實際生產過程中可以根據實際需求選擇合適的轉速，本文給定的轉速為1.2～2.4 rad/s。

盡管我們建立了一種新型柔性屏貼附加工方法，并對下壓載荷、旋轉速度對應力仿真結果的影響進行仿真優化測試，但目前本加工方式還需進一步完善：

（1）本文所做的工作是基于3層模型進行仿真模擬，而實際的屏幕由觸摸層、顯示層等多層構成，因此還需建立多層模型進行仿真實驗。

（2）本文仿真模型中選取的材料，只考慮了密度、楊氏模量、泊松比未考慮材料超彈性、熱場等相關屬性。因此若要得到精準的仿真數據結果，還需考慮材料更多的屬性。

（3）由于該貼附方式尚未應用于實際生產加工，所以在實際生產中可能會存在問題，因此針對柔性屏貼附加工工藝還需要進一步的完善。

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Simulation and influencing factor of flexible screen based on cohesion model

HUANG Zhi-hao1，WANG Jin-biao1，GAO Hao-yu1，LIN ling2，YIN Jia-hong2，DONG Yu-de1*

（1，，230009，；2，230012，）

Based on the theory of cohesive force model， this paper proposes a flexible screen adhesion method， which overcomes the problem that the traditional screen adhesion technology can only be used for flat screen adhesion but not flexible material adhesion. A simulation model is established to simulate the bonding process and analyze the stress variation of the process. The influence of different down loading and rotation speed on the simulation results is discussed. Based on the cohesion model theory， a kind of fitting method for flexible screen can be established. The influence of the change of the down load on the stress is linear. The change of rotation speed has little effect on stress.

cohesion model； the flexible screen； laminating； simulation analysis； influencing factor

TN141.9；TH873+.93

A

10.37188/CJLCD.2022-0079

1007-2780（2022）07-0840-09

2022-03-10；

2022-04-15.

國家自然科學基金（No.51775159）

Supported by National Natural Science Foundation of China（No. 51775159）

，E-mail：yddong@hfut.edu.cn

黃智豪（1997—），男，安徽合肥人，碩士研究生，2019年于合肥學院獲得學士學位，主要從事數字設計與智能制造方面的研究。E-mail：1744076286@qq.com

董玉德（1966—），男，安徽舒城人，博士，教授，2000年于浙江大學獲得博士學位，主要從事數字設計、CAD二次開發方面的研究。E-mail：yddong@hfut.edu.cn