柔性OLED模组的落笔冲击仿真与模组优化分析

邹岚韬，廖敦明，吴 棣，时俊克，黄丽婷，石 爽

（华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点试验室，湖北 武汉 430074）

1 引 言

与传统的LCD屏幕相比，有机发光二极管（OLED）模组具有广视角、自发光、超薄的厚度、更好的画质与更低的功耗、轻重量、可弯曲等诸多的优势［1-3］。基于这些优势，柔性OLED模组在商标、医疗、照明、环境显示等领域有着广泛的应用前景［4-8］。目前，柔性OLED模组正在向折叠、卷曲等领域发展。

由于对弯折方面的需要，柔性OLED模组去掉了其表面用来保护内部元件的玻璃盖板，使其抗冲击性能有所下降，在日常的使用当中，其内部的电子元件更容易受碰撞、摔落等因素损伤。为了改善柔性OLED模组的力学性能，学者们通常通过改进膜材的性能并使用机械试验来分析模组的相关性能［9-10］。对于柔性显示OLED模组的机械试验，国际社会制定了《柔性显示器件机械试验方法冲击和硬度测试》、《柔性显示器件机械试验方法形变测试》等来规定机械试验的相关标准［11-12］。其中，主要通过冲击试验来进行模组的抗冲击性能的研究。但机械试验的成本较为昂贵，准备时间较长，在数值上也存在着较大误差，通过有限元建模进行分析能够很好地解决这些问题。

本文通过仿真分析的方法，使用ABAQUS软件建立落笔冲击的有限元模型，分析柔性OLED模组的叠构组成、厚度和模量的变化对OLED模组应变的影响，为改善柔性OLED模组的抗冲击性能提供指导。

2 仿真模型建立

2.1 几何模型建立与边界条件设置

本文使用的OLED模组由多重结构组成，材料组成及尺寸参数如图1所示。其中，薄膜封装（TFE）层及AMOLED层都由多层复合结构组成，并且其有几层结构厚度相对很薄，因此对这两层叠构进行等效模量处理，将其视为一层进行计算。在落笔冲击试验中，圆珠笔在一定的高度下做自由落体，在接触屏体后减速再弹起。试验时，屏体放置在由支架撑起的金属板上，金属支撑板与支架之间通过亚克力背胶粘合在一起，支架放置在大理石地面上，如图2所示，相关材料参数如表1所示，落笔试验中使用的圆珠笔重12 g，笔尖圆珠直径0.5 mm，落笔初始位置高度为15 cm。

图1 OLED模组的结构Fig.1 Stack structure and thickness of OLED

图2 落笔冲击系统剖视图Fig.2 Cutaway view of the impact system

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

由于落笔冲击过程较为复杂，三维仿真模型存在计算量过大、计算时间过长以及占用资源较大等问题，本文通过设置相应的对称边界条件，将三维的冲击试验模型简化为二维的试验模型。同时，为了减小有限元分析的计算量，采用显式动态分析的方法，并设定初始时刻圆珠笔就与屏体接触，使用初速度来代替自由落体所带来的速度，根据初始高度15 cm，换算为圆珠笔的初速度为1 714.6 mm/s。由于圆珠笔在碰撞过程中主要是前端的笔头与OLED模组进行接触，为了节约计算资源，将圆珠笔模组进行化简，只保留圆珠笔头，调整圆珠笔头的密度使笔头能够达到原来整支笔的质量。地面和笔头的刚度较大，试验时也不关注其变化，因而将其设置为刚体。

2.2 网格划分

使用四边形为主的自由网格划分方式进行初始网格划分，网格选择四节点双线性轴对称四边形网格。由于屏体损坏部分基本都为落球与屏体接触部位，故对于模型的网格划分，在靠近屏体部分将网格密度增大以提高计算精度；而对于远离接触碰撞区域和地面、支架等分析需求较小的网格，则可以将网格密度适当降低来减少计算精度，从而达到计算时间与计算精度的一个均衡。在厚度方面，每层叠构间使用均匀网格，将每一层网格划分为数层，保证相邻网格间的尺寸差距不要过大以减少计算不收敛的情况。

由于OCA胶材的刚度较小，在冲击过程中，该部分结构的网格会由于挤压发生极大的变形而导致计算不收敛。为了解决这些结构的网格不收敛问题，对OCA层进行ALE自适应网格划分，并在计算中设置双精度计算以提高计算的精度，避免计算不收敛的问题出现，仿真模型如图3所示。

图3 简化后的有限元模型Fig.3 Simplified finite element model

2.3 胶材本构模型

膜层间的OCA胶材是一种同时具有超弹性和粘弹性的不可压缩材料，其通过粘弹性来表征材料的性能与应变率之间的关系，通过超弹性表征材料变形过程当中的非线性弹性行为［13］。

对于超弹性材料，目前常用的本构模型有基于唯象理论的Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、Ogden 3阶模型以及基于热力学的Arruda-Boyce模 型 和Van Der Waals模 型 等［14］。由 于Yeoh模型与本试验的测量数据拟合较好，故本文选用Yeoh模型，具体参数如表2所示。

表2 Yeoh模型参数Tab.2 Parameters of Yeoh model

目前粘弹性的模型有Maxwell模型、Kelvin模型、三参数固体模型、广义Maxwell模型等。本文使用基于广义Maxwell的Prony级数方程进行拟合。由于测试设备最高只能测试100 Hz频率下的胶材参数，无法取得高频条件下的胶材参数，而胶材参数受应变速率的影响较大，所以对于落球与落笔冲击这种过程很短的仿真计算，在表征胶材力学性能时存在着一定的误差。为了减小这种误差，使用时温等效［15］的方式，通过取得低温下的低频模量来推算室温下的高频模量，图4所示为归一化处理后的胶材参数。

本文使用的ABAQUS软件可以通过输入图4的频率-模量数据对材料的粘弹性进行表征，但不能够评估拟合的精度，可以自行对其进行拟合和评估。

图4 时温等效后的OCA胶材模量Fig.4 Shear modulus of OCA layer after time-temperature equivalence

根 据 广 义Maxwell模 型［16］，胶 材 的 复 合 模量为：

其中：Gi为第i个单元的复模量，ω为频率，τi为松弛时间，G0表示ωτi→∞时胶材的模量，从而可以得到储能模量GS和损耗模量GL的Prony级数方程分别为：

进行无量纲处理后可得到损耗模量gS与gL的Prony级数方程：

根据归一化后的胶材储能模量、损耗模量与频率的关系，对参数进行拟合，即可得到gi与τi的值，具体参数如表3所示。

表3 Prony级数方程参数Tab.3 Parameters of Prony series

2.4 强度理论选择

整个模组受落笔冲击过程中竖直方向受压，水平方向受拉，根据第二强度理论，选择水平方向的拉应变LE11最大值进行分析。由于OLED模组在冲击中TFE层较容易损坏，故分析结果时提取TFE层的最大拉应变。

3 结果与讨论

3.1 CWF层的影响

CWF盖板的作用是保护下面的脆性机电元件，避免其受到机械损伤，本文使用的OLED模组为双盖板结构，也有许多OLED模组使用单盖板结构。与AMOLED的复合迭层材料和其他膜层相比，CWF层的参数也比较容易调整。分别对CWF层的模量和厚度进行调整并与单层盖板的冲击结果进行比较，分析这些变化对模组应变的影响。为了便于分析，修改最上层的CWF层的参数。

分别将上侧CWF层的模量从5.5 GPa增加到11 GPa、16.5 GPa……，对计算结果进行分析，再分别将其厚度从原来的50 μm修改为25 μm、75 μm、100 μm、125 μm和150 μm，并与去掉最上层CWF层和OCA层的单层盖板的模组比较，结果如图5所示。

图5 上侧CWF层参数对TFE层最大应变的影响。（a）上侧CWF层厚度的影响；（b）上侧CWF层模量的影响。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.

根据仿真结果，增加CWF层，将模组变更为双盖板结构后TFE层拉应变有明显的降低，起到了更好的缓冲效果。双层盖板相比于单层盖板，其对TFE层的保护作用更加明显。当上侧盖板的厚度增加时，TFE层的最大拉应变随之降低，盖板的缓冲效果增加，从而提高了柔性OLED模组的抗冲击性能。随着上侧盖板的模量的增加带来的刚度增加，TFE层的最大拉应变有一定的减少，说明提高上侧盖板的刚度能增加模组的抗冲击性能。

3.2 OCA胶材模量和厚度的影响

OCA胶材可通过变更胶材的种类变更胶材的模量，其厚度也可以通过在粘合时涂抹的量来变更，这些都较容易进行变更。基于此，分别调整OCA胶材的模量和厚度，来分析其对OLED模组中脆弱层TFE层的最大拉应变的影响。

首先调整OCA胶材的弹性模量，分别将OCA的模量缩小和放大。并提取TFE层在冲击过程中的最大拉应变LE11；对于OCA胶材的厚度，为了方便比较，依次变更两层玻璃盖板之间的胶材OCA1和下层盖板下的胶材OCA2以及两层胶材同时变更厚度（OCA1&2），从13 μm依次调整到75 μm，并对模型提交计算，输出TFE层单元的LE11的最大值，将结果与原始情况进行对比，如图6所示。

图6 OCA参数 对TFE层最大应变影响。（a）OCA胶层的模量的影响；（b）OCA胶层厚度的影响。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.

从图中6可以看出，随着OCA模量的增加，TFE层的拉压应变均有所减小，即便OCA胶材的模量增大到原来的10倍时，TFE层的拉压应变依旧在随之减小。而减少胶层的厚度会导致TFE层的应变增加，对结构的抗冲击性能有不利的影响。增加胶层的厚度能够减少TFE层的应变，单一胶层的改变对TFE层应变的影响较小，而同时增加两层胶层的厚度后，其影响明显增大。

3.3 在底板下层增加一层钢片（SUS）层的影响

考虑到屏体结构在冲击过程中会产生抖动从而可能与其余部位发生更强的碰撞或者接触从而导致受力增大，在底板BPF下侧加上一层25 μm的OCA胶材及一层30 μm SUS片对模组进行约束处理，从而限制其抖动，并将SUS层的厚度依次增加到60，80，100，120 μm，并与原始模组进行对比，其结果如图7所示。

图7 SUS层及其厚度对TFE层应变的影响Fig.7 Influence of SUS and thickness of SUS on the strain of TFE layer

在底板下加入OCA层和SUS层后，模组的整体受到了有较大模量的SUS层约束，其在冲击过程中产生的抖动减小，从而使得TFE层的最大应变有所减小，随着SUS层厚度的增加，TFE层的最大应变会随之降低。结果表明，加入SUS层叠构对TFE层的应变改善有利，并且这种改善情况会随着SUS层的厚度增加而增加。

3.4 试验验证

为了验证仿真的结果，使用试验进行验证。以1 cm为间隔，调整落球初始高度，分别记录模组破坏时的初始高度，试验装置如图8（a）所示。为了与试验进行对照，分别在减半OCA1厚度和增加SUS层的模型中，通过调节落球的高度，使TFE层的最大应变与未调整模型前保持一致，通过对比不同方案中落球提高的高度分析对下落高度的影响，结果如图8（b）所示。

图8 落笔试验与仿真。（a）冲击试验装置；（b）仿真与试验结果对比。Fig.8 Pencil-impacted test and simulation.（a）Impacted test system；（b）Comparison between simulation and test results.

根据仿真结果，对于减半OCA1厚度的方案，当初始高度在9.2 cm时，其造成的应变与原始叠构在初始高度为10 cm时相同，落笔造成损坏的高度从10 cm降低到9.2 cm，抗冲击性能有所下降。增加SUS层的结果也与之类似。仿真结果说明，原始模组如果在10 cm时损坏，则现在会在12.3 cm的初始高度被圆珠笔冲击损坏，抗冲击性能有所提升。减半OCA1的厚度，其初始高度由10 cm降低至9 cm，SUS层由10 cm增加至12 cm，试验与仿真的结果十分接近。

4 结 论

本文根据柔性OLED模组在性能测试时使用的落笔冲击试验，建立了有限元模型，对模组的抗冲击性能进行分析，并讨论了CWF盖板、SUS层和OCA胶材等影响因素对模组的影响。对仿真结果的对比分析，得出以下结论：

（1）盖板对模组内部元件的保护作用十分明显，双层盖板结构要比单层盖板的效果更好。上侧盖板的模量在5.5～55 GPa之间变更，厚度在25～150 μm之间变更时，随着模量和厚度的增大TFE层的最大拉应变减小，抗冲击性能得到提升。

（2）盖板下的OCA胶层模量在原来的0.1～10倍，厚度在13～75 μm之间变更时，随着OCA胶材模量和厚度的增加，会减小TFE层的最大拉应变。同时增加两层盖板下的OCA胶材厚度会有更好的效果。

（3）在底板下增加一层SUS层能够通过减小冲击中的抖动很好地减小TFE层的最大应变，SUS层厚度在30～120 μm范围内增加时，随着SUS层厚度的增加，应变会继续减小

综合以上结果，使用双层盖板结构、增大盖板自身或者盖板下的OCA厚度和模量、在底板下增加SUS层均能够减小TFE层的最大应变，从而达到增加OLED模组的抗冲击性能的效果。