柔性OLED模組的落筆沖擊仿真與模組優化分析

鄒嵐韜，廖敦明，吳 棣，時俊克，黃麗婷，石 爽

（華中科技大學材料科學與工程學院材料成形與模具技術國家重點試驗室，湖北 武漢 430074）

1 引 言

與傳統的LCD屏幕相比，有機發光二極管（OLED）模組具有廣視角、自發光、超薄的厚度、更好的畫質與更低的功耗、輕重量、可彎曲等諸多的優勢［1-3］。基于這些優勢，柔性OLED模組在商標、醫療、照明、環境顯示等領域有著廣泛的應用前景［4-8］。目前，柔性OLED模組正在向折疊、卷曲等領域發展。

由于對彎折方面的需要，柔性OLED模組去掉了其表面用來保護內部元件的玻璃蓋板，使其抗沖擊性能有所下降，在日常的使用當中，其內部的電子元件更容易受碰撞、摔落等因素損傷。為了改善柔性OLED模組的力學性能，學者們通常通過改進膜材的性能并使用機械試驗來分析模組的相關性能［9-10］。對于柔性顯示OLED模組的機械試驗，國際社會制定了《柔性顯示器件機械試驗方法沖擊和硬度測試》、《柔性顯示器件機械試驗方法形變測試》等來規定機械試驗的相關標準［11-12］。其中，主要通過沖擊試驗來進行模組的抗沖擊性能的研究。但機械試驗的成本較為昂貴，準備時間較長，在數值上也存在著較大誤差，通過有限元建模進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OLED模組的疊構組成、厚度和模量的變化對OLED模組應變的影響，為改善柔性OLED模組的抗沖擊性能提供指導。

2 仿真模型建立

2.1 幾何模型建立與邊界條件設置

本文使用的OLED模組由多重結構組成，材料組成及尺寸參數如圖1所示。其中，薄膜封裝（TFE）層及AMOLED層都由多層復合結構組成，并且其有幾層結構厚度相對很薄，因此對這兩層疊構進行等效模量處理，將其視為一層進行計算。在落筆沖擊試驗中，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。試驗時，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，相關材料參數如表1所示，落筆試驗中使用的圓珠筆重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模組的結構Fig.1 Stack structure and thickness of OLED

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

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

由于落筆沖擊過程較為復雜，三維仿真模型存在計算量過大、計算時間過長以及占用資源較大等問題，本文通過設置相應的對稱邊界條件，將三維的沖擊試驗模型簡化為二維的試驗模型。同時，為了減小有限元分析的計算量，采用顯式動態分析的方法，并設定初始時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模組進行接觸，為了節約計算資源，將圓珠筆模組進行化簡，只保留圓珠筆頭，調整圓珠筆頭的密度使筆頭能夠達到原來整支筆的質量。地面和筆頭的剛度較大，試驗時也不關注其變化，因而將其設置為剛體。

2.2 網格劃分

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

由于OCA膠材的剛度較小，在沖擊過程中，該部分結構的網格會由于擠壓發生極大的變形而導致計算不收斂。為了解決這些結構的網格不收斂問題，對OCA層進行ALE自適應網格劃分，并在計算中設置雙精度計算以提高計算的精度，避免計算不收斂的問題出現，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 膠材本構模型

膜層間的OCA膠材是一種同時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變率之間的關系，通過超彈性表征材料變形過程當中的非線性彈性行為［13］。

對于超彈性材料，目前常用的本構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的Arruda-Boyce模 型 和Van Der Waals模 型 等［14］。由 于Yeoh模型與本試驗的測量數據擬合較好，故本文選用Yeoh模型，具體參數如表2所示。

表2 Yeoh模型參數Tab.2 Parameters of Yeoh model

目前粘彈性的模型有Maxwell模型、Kelvin模型、三參數固體模型、廣義Maxwell模型等。本文使用基于廣義Maxwell的Prony級數方程進行擬合。由于測試設備最高只能測試100 Hz頻率下的膠材參數，無法取得高頻條件下的膠材參數，而膠材參數受應變速率的影響較大，所以對于落球與落筆沖擊這種過程很短的仿真計算，在表征膠材力學性能時存在著一定的誤差。為了減小這種誤差，使用時溫等效［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。

本文使用的ABAQUS軟件可以通過輸入圖4的頻率-模量數據對材料的粘彈性進行表征，但不能夠評估擬合的精度，可以自行對其進行擬合和評估。

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

根 據 廣 義Maxwell模 型［16］，膠 材 的 復 合 模量為：

其中：Gi為第i個單元的復模量，ω為頻率，τi為松弛時間，G0表示ωτi→∞時膠材的模量，從而可以得到儲能模量GS和損耗模量GL的Prony級數方程分別為：

進行無量綱處理后可得到損耗模量gS與gL的Prony級數方程：

根據歸一化后的膠材儲能模量、損耗模量與頻率的關系，對參數進行擬合，即可得到gi與τi的值，具體參數如表3所示。

表3 Prony級數方程參數Tab.3 Parameters of Prony series

2.4 強度理論選擇

整個模組受落筆沖擊過程中豎直方向受壓，水平方向受拉，根據第二強度理論，選擇水平方向的拉應變LE11最大值進行分析。由于OLED模組在沖擊中TFE層較容易損壞，故分析結果時提取TFE層的最大拉應變。

3 結果與討論

3.1 CWF層的影響

CWF蓋板的作用是保護下面的脆性機電元件，避免其受到機械損傷，本文使用的OLED模組為雙蓋板結構，也有許多OLED模組使用單蓋板結構。與AMOLED的復合迭層材料和其他膜層相比，CWF層的參數也比較容易調整。分別對CWF層的模量和厚度進行調整并與單層蓋板的沖擊結果進行比較，分析這些變化對模組應變的影響。為了便于分析，修改最上層的CWF層的參數。

分別將上側CWF層的模量從5.5 GPa增加到11 GPa、16.5 GPa……，對計算結果進行分析，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，結果如圖5所示。

圖5 上側CWF層參數對TFE層最大應變的影響。（a）上側CWF層厚度的影響；（b）上側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.

根據仿真結果，增加CWF層，將模組變更為雙蓋板結構后TFE層拉應變有明顯的降低，起到了更好的緩沖效果。雙層蓋板相比于單層蓋板，其對TFE層的保護作用更加明顯。當上側蓋板的厚度增加時，TFE層的最大拉應變隨之降低，蓋板的緩沖效果增加，從而提高了柔性OLED模組的抗沖擊性能。隨著上側蓋板的模量的增加帶來的剛度增加，TFE層的最大拉應變有一定的減少，說明提高上側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涂抹的量來變更，這些都較容易進行變更。基于此，分別調整OCA膠材的模量和厚度，來分析其對OLED模組中脆弱層TFE層的最大拉應變的影響。

首先調整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變LE11；對于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以及兩層膠材同時變更厚度（OCA1&2），從13 μm依次調整到75 μm，并對模型提交計算，輸出TFE層單元的LE11的最大值，將結果與原始情況進行對比，如圖6所示。

圖6 OCA參數 對TFE層最大應變影響。（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層的拉壓應變均有所減小，即便OCA膠材的模量增大到原來的10倍時，TFE層的拉壓應變依舊在隨之減小。而減少膠層的厚度會導致TFE層的應變增加，對結構的抗沖擊性能有不利的影響。增加膠層的厚度能夠減少TFE層的應變，單一膠層的改變對TFE層應變的影響較小，而同時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

考慮到屏體結構在沖擊過程中會產生抖動從而可能與其余部位發生更強的碰撞或者接觸從而導致受力增大，在底板BPF下側加上一層25 μm的OCA膠材及一層30 μm SUS片對模組進行約束處理，從而限制其抖動，并將SUS層的厚度依次增加到60，80，100，120 μm，并與原始模組進行對比，其結果如圖7所示。

圖7 SUS層及其厚度對TFE層應變的影響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，其在沖擊過程中產生的抖動減小，從而使得TFE層的最大應變有所減小，隨著SUS層厚度的增加，TFE層的最大應變會隨之降低。結果表明，加入SUS層疊構對TFE層的應變改善有利，并且這種改善情況會隨著SUS層的厚度增加而增加。

3.4 試驗驗證

為了驗證仿真的結果，使用試驗進行驗證。以1 cm為間隔，調整落球初始高度，分別記錄模組破壞時的初始高度，試驗裝置如圖8（a）所示。為了與試驗進行對照，分別在減半OCA1厚度和增加SUS層的模型中，通過調節落球的高度，使TFE層的最大應變與未調整模型前保持一致，通過對比不同方案中落球提高的高度分析對下落高度的影響，結果如圖8（b）所示。

圖8 落筆試驗與仿真。（a）沖擊試驗裝置；（b）仿真與試驗結果對比。Fig.8 Pencil-impacted test and simulation.（a）Impacted test system；（b）Comparison between simulation and test results.

根據仿真結果，對于減半OCA1厚度的方案，當初始高度在9.2 cm時，其造成的應變與原始疊構在初始高度為10 cm時相同，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層的結果也與之類似。仿真結果說明，原始模組如果在10 cm時損壞，則現在會在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，試驗與仿真的結果十分接近。

4 結 論

本文根據柔性OLED模組在性能測試時使用的落筆沖擊試驗，建立了有限元模型，對模組的抗沖擊性能進行分析，并討論了CWF蓋板、SUS層和OCA膠材等影響因素對模組的影響。對仿真結果的對比分析，得出以下結論：

（1）蓋板對模組內部元件的保護作用十分明顯，雙層蓋板結構要比單層蓋板的效果更好。上側蓋板的模量在5.5～55 GPa之間變更，厚度在25～150 μm之間變更時，隨著模量和厚度的增大TFE層的最大拉應變減小，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，隨著OCA膠材模量和厚度的增加，會減小TFE層的最大拉應變。同時增加兩層蓋板下的OCA膠材厚度會有更好的效果。

（3）在底板下增加一層SUS層能夠通過減小沖擊中的抖動很好地減小TFE層的最大應變，SUS層厚度在30～120 μm范圍內增加時，隨著SUS層厚度的增加，應變會繼續減小

綜合以上結果，使用雙層蓋板結構、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層的最大應變，從而達到增加OLED模組的抗沖擊性能的效果。