基于內(nèi)聚力模型的柔性屏貼附及影響因素

1、基于內(nèi)聚力模型的柔性屏貼附及影響因素柔性屏幕相比傳統(tǒng)的電子產(chǎn)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(hù)玻璃變成了可彎折的柔性材料，所以相比于傳統(tǒng)電子設(shè)備，能耗顯著降低，能夠很好地實(shí)現(xiàn)柔性顯示，同時(shí)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(fù)雜的力學(xué)行為，如粘彈性和超彈性等不同力學(xué)性質(zhì)。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(fù)雜，與彎折蓋板的底面端部或端角之間很容易出現(xiàn)氣泡等不良現(xiàn)象，甚至發(fā)生柔性屏碎裂。同時(shí)柔性顯示屏及相關(guān)柔性器件常用的材料和排布方案在大

2、曲率的彎折條件下易產(chǎn)生裂紋、脫層等失效形式，無法滿足力學(xué)穩(wěn)定性、不易折斷的要求。因此，建立一種針對(duì)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(jié)構(gòu)的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），提高了OLED的使用效率和壽命，增加了其商業(yè)價(jià)值。過往的貼合方式常采用網(wǎng)板和真空貼附臺(tái)6，且大多是針對(duì)液晶顯示器（Liquid Crystal Display）。針對(duì)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(shè)計(jì)并采取機(jī)械結(jié)構(gòu)來自動(dòng)定位，但其精度較低。汪宏昇等8用機(jī)器視覺來進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)定位，目前該方法已廣為應(yīng)用。另有學(xué)者針對(duì)貼合后的脫膠斷裂或彎折問題展開研究，如段元欣等人

3、9對(duì)膠接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行建模分析。Niu 等人10針對(duì) OLED 薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎折性能理論研究得到 OLED 各層應(yīng)變分布情況。Shi 等人11對(duì)不同量級(jí)彈性模量材料彎折受力進(jìn)行了理論分析。Yeh 等人12對(duì)可折疊 OLED 顯示模組的受力情況進(jìn)行解析分析。Salmon 等人13通過有限單元法建立了多層結(jié)構(gòu)的堆疊模型，分析彎折時(shí)的受力情況。Wang等人14-15針對(duì)OLED 薄膜結(jié)構(gòu)等器件進(jìn)行了彎折應(yīng)力的仿真分析。黨鵬樂等人16通過調(diào)整模組之間的排列順序來尋求柔性屏應(yīng)對(duì)彎折使用場(chǎng)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(gòu)方程，并借助有限元軟件應(yīng)用材料特征對(duì)柔性O(shè)LED模組進(jìn)行

4、彎折應(yīng)力分析。鄭宏兵等人18基于OLED屏幕COF（Chip on Film）連接過渡區(qū)在彎折和可靠性階段易發(fā)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(qū)相關(guān)結(jié)構(gòu)的偏移、膠層厚度在彎折過程和可靠性因素下對(duì)金屬層應(yīng)力的影響等。本文借助內(nèi)聚力模型，提出一種針對(duì)柔性屏的貼合方式，并建立仿真模型對(duì)貼合過程進(jìn)行模擬并分析貼合過程中的應(yīng)力變化。同時(shí)討論了仿真模型中選取不同的下壓載荷、旋轉(zhuǎn)速度、材料屬性等邊界條件對(duì)仿真結(jié)果的影響。仿真結(jié)果為研究柔性屏幕的貼合、貼合時(shí)所需選取的工藝參數(shù)、貼合材料的選取等問題提供了參考依據(jù)。2 柔性屏貼合與貼附原理2.1屏幕貼合傳統(tǒng)的液晶顯示器件是由保護(hù)玻璃、觸摸

5、屏和液晶顯示屏組成的，而保護(hù)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(hù)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(tǒng)的觸摸屏貼合一般采取框貼或者全貼合的方式進(jìn)行貼合?？蛸N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(jìn)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(tài)膠或OCA光學(xué)膠，將柔性O(shè)LED面板與觸摸屏之間以無縫隙的方式進(jìn)行粘連后貼合在一起，這種貼合方式很好地解決了保護(hù)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(shù)。2.2屏幕貼附技術(shù)屏幕貼附是指將兩種不同的材料貼合在一

6、起的生產(chǎn)技術(shù)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(xiàn)；（2）貼附時(shí)角度與貼附位置之間的偏差應(yīng)盡可能地小，減少貼附產(chǎn)生的誤差；（3）在貼附結(jié)束后要避免貼附好的屏幕上面存在氣泡、灰塵、顆粒雜質(zhì)等。現(xiàn)階段使用的貼附技術(shù)主要有平板吸附輥輪貼附和網(wǎng)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(tái)上，通過真空吸附方式進(jìn)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(tái)上，等待上平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整貼合位置，最后輥輪下壓開始從頭部開始貼合，上平臺(tái)與下平臺(tái)之間相對(duì)移動(dòng)帶動(dòng)薄膜移動(dòng)，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

7、輪貼附示意圖Fig.1Flat plate attached schematic diagram網(wǎng)版吸附輥輪貼附是近年來發(fā)展比較快的一種新型的貼附方式。網(wǎng)版貼附可以進(jìn)行軟對(duì)硬貼附，也可以實(shí)現(xiàn)軟對(duì)軟、硬對(duì)硬貼附，適應(yīng)范圍比較寬。它的過程是：將較硬的玻璃放在下平臺(tái)上，定位并用真空吸附，將要貼附的材質(zhì)吸附定位并吸附在網(wǎng)箱的網(wǎng)版上，撕去保護(hù)膜，網(wǎng)箱下降到一定高度后，輥輪下壓并沿貼附方向移動(dòng)，完成貼附動(dòng)作（圖2）。圖2網(wǎng)版吸附輥輪貼附示意圖Fig.2Screen attached schematic diagram3 仿真模型建立3.1內(nèi)聚力模型以上兩種貼附技術(shù)都是應(yīng)用于直面屏的貼附，對(duì)于柔性屏而言均是

8、不適用的。為解決柔性屏的貼附問題，通過對(duì)內(nèi)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(duì)處理非線性問題的優(yōu)勢(shì)，分析貼合過程中應(yīng)力的變化，并對(duì)貼合過程進(jìn)行模擬。內(nèi)聚力模型是指通過內(nèi)聚力與界面相對(duì)位移之間的本構(gòu)關(guān)系模擬界面的損傷萌生、脫粘發(fā)生及擴(kuò)展的整個(gè)過程20-21。內(nèi)聚力模型不僅能夠準(zhǔn)確計(jì)算裂紋的損傷起始位置，同時(shí)可以應(yīng)用于裂紋的擴(kuò)展等方面的研究。在實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)聚力單元通常被布置在復(fù)合材料界面或者涂層基體界面處22-23，用來描述非均質(zhì)物體法向、切向之間的牽引分離行為。ABAQUS軟件中對(duì)內(nèi)聚

9、力模型的模擬可以通過“相對(duì)分離位移-力”關(guān)系表達(dá)式來描述。自帶的內(nèi)聚力模型近似是一個(gè)三角形形狀，也可以是梯形或者指數(shù)型等形狀，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)單元子程序進(jìn)行設(shè)定模擬實(shí)現(xiàn)24-25。ABAQUS內(nèi)聚力模型有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是內(nèi)聚力單元（Cohesive Elements），另一種是內(nèi)聚力接觸（Cohesive Surfaces）。內(nèi)聚力單元初始即需膠合，脫膠后不再黏合，同時(shí)考慮到黏膠的厚度一般較小26-27，主要應(yīng)用在曲面、高低段差面或間隙的模型中28-29。而內(nèi)聚力接觸允許接觸黏合，脫膠后可再黏合，因此可處理重復(fù)黏合情況。通過對(duì)二者的比較，本次仿真需求選取內(nèi)聚力接觸來定義粘性行為。內(nèi)聚力

10、模型將復(fù)雜的破壞過程用兩個(gè)面之間的“相對(duì)分離位移-力”關(guān)系表達(dá)。這種內(nèi)聚力關(guān)系30是人們可以看見的宏觀現(xiàn)象，實(shí)際過程是微觀實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于雙線性內(nèi)聚力模型，其本構(gòu)關(guān)系如圖3所示，其中F為應(yīng)力值，F(xiàn)max為最大應(yīng)力值，為應(yīng)變大小，0為達(dá)到黏附應(yīng)力最大Fmax時(shí)的應(yīng)變大小，f為黏附失效時(shí)應(yīng)變大小。F=0Fmax(0)（1）F=(1D)0Fmax(0f)（2）圖3雙線性內(nèi)聚力模型本構(gòu)關(guān)系Fig.3Constitutive relation of bilinear cohesive force model其中界面的損傷因子D的含義為：D=0(0)（3）D=f(0)(f0)(0f)（4）圖3中，界面相對(duì)位移

11、為時(shí)界面的斷裂能Gic為Gic=0FdF=220Fmax(0)（5）Gic=0FdF=(f0)+f(0)2(f0)Fmax,（0f） .（6）式（1）式（6）共同構(gòu)成了粘接界面的兩個(gè)準(zhǔn)則，即界面的損傷萌生準(zhǔn)則：=0（7）界面的脫粘準(zhǔn)則：G=Gic（8）其中，界面材料斷裂能Gic可表示為Gic=G(f)=12maxf（9）為了獲得內(nèi)聚力模型模擬粘性行為的相關(guān)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要選取合適的試樣進(jìn)行測(cè)試，首先對(duì)檢測(cè)樣條進(jìn)行大小切割，然后在特定的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。分別對(duì)法向剛度和法向初始損傷位移進(jìn)行測(cè)試，如圖4、圖5所示（不同顏色曲線代表不同樣條）。圖4內(nèi)聚力模型的切向測(cè)試曲線F

12、ig.4Tangential test curve of cohesive force mode圖5內(nèi)聚力模型的法向測(cè)試曲線Fig.5Normal test curve of cohesive force model通過推導(dǎo)，得出了拉伸和簡(jiǎn)單剪切變形模式下粘性強(qiáng)度破壞的條件、損傷因子及斷裂能等公式（1）（9），同時(shí)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相結(jié)合，得出了內(nèi)聚力模型模擬粘性行為相關(guān)參數(shù)，其擬合結(jié)果見表1（注：表中參數(shù)均為ABAQUS中接觸屬性定義粘性行為的關(guān)鍵參數(shù)）。表1Cohesive模擬粘性行為參數(shù)Tab.1Cohesive simulation of cohesive behavior paramet

13、ersCohesive模擬粘性行為相關(guān)參數(shù)KnnNormal：2 330KssTangential：1 165KttTangential：1 165ssNormal：845.79，Tangential：2 516.4GicNormal：845.79，Tangential：2513.2仿真模型建立柔性屏貼附的過程是：通過平臺(tái)移動(dòng)及輥輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使平臺(tái)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(jìn)行貼合；依次重復(fù)此操作可進(jìn)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

14、材料，示意圖如圖6所示。圖6柔性屏貼附示意圖Fig.6Flexible screen attached schematic diagram本文采用ABQAQUS進(jìn)行貼附仿真測(cè)試，給定的邊界條件為：首先讓輥輪進(jìn)行下壓，選擇合適的下壓載荷；隨后輥輪帶動(dòng)Sheet圍繞參考點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，選擇合理的轉(zhuǎn)速與作用時(shí)間；同時(shí)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(dòng)外圈Sheet已經(jīng)貼合好的薄膜進(jìn)行空轉(zhuǎn)，檢驗(yàn)薄膜之間是否存在脫落、滑移、間隙等問題。在進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)，先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分與類型的選擇是進(jìn)行有限元分析中最為重要的一步，它

15、直接決定了仿真分析是否能成功進(jìn)行，同時(shí)也決定了所得分析結(jié)果是否精確可用。網(wǎng)格劃分從原理上來說，是為了使模型經(jīng)過離散化的處理后變成有限元。在劃分網(wǎng)格之后，每個(gè)單元在分析過程中都會(huì)進(jìn)行迭代，每個(gè)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?？紤]到作用時(shí)間，最終選取 Sheet 為雙層網(wǎng)格、Panel 為5層網(wǎng)格、OCA和Sus均為兩層網(wǎng)格，網(wǎng)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(shí)為有效改善沙漏現(xiàn)象、質(zhì)量縮放系數(shù)的影響，以及網(wǎng)格單元大變形等導(dǎo)致的求解不收斂問題，在網(wǎng)格劃分上引入了ALE 自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。4 影響因素將上述分析應(yīng)用于有限元分析軟件ABAQUS中，實(shí)現(xiàn)

16、基于內(nèi)聚力模型的柔性屏貼附，并進(jìn)行應(yīng)力仿真分析。柔性屏貼附流程和應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。圖7柔性屏貼附流程圖Fig.7Flexible screen attached flow chart圖8柔性屏貼附應(yīng)力云圖Fig.8Flexible screen attached process stress cloud通過ABAQUS求解器，采用雙精度求解，根據(jù)本案例中設(shè)置的邊界條件可得仿真結(jié)果。4.1輥輪下壓量與下壓力在進(jìn)行有限元分析時(shí)，邊界條件和Sheet薄膜材料屬性的選取將對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，同時(shí)邊界條件的選取和生產(chǎn)有直接的聯(lián)系，選取合理的輥輪下壓載荷、輥輪旋轉(zhuǎn)速度對(duì)生產(chǎn)有重要意義。由上述可知，

17、邊界條件包含輥輪下壓載荷和輥輪旋轉(zhuǎn)速度兩部分。在實(shí)際的生產(chǎn)加工中，往往是通過施加下壓力達(dá)到下壓目的。但是由于Panel、OCA、Sus為彈性薄膜材料，在受壓后會(huì)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(duì)受力情況的影響，在下壓階段采取不同的下壓量進(jìn)行測(cè)試。為研究下壓力對(duì)受力情況的影響，同時(shí)驗(yàn)證下壓力與下壓量?jī)煞N不同載荷施加方式是否會(huì)對(duì)仿真產(chǎn)生影響，在下壓階段采取不同的下壓力進(jìn)行測(cè)試。在下壓量與下壓力測(cè)試中固定轉(zhuǎn)速、網(wǎng)格等基本條件不變。通過仿真分析所得結(jié)果如圖9所示。圖9下壓量和下壓力仿真測(cè)試結(jié)果Fig.9Simulation test resul

18、ts of down force and press amount載荷的施加方式包括下壓量和下壓力兩種。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得下壓力與下壓量?jī)煞N不同載荷施加方式對(duì)仿真不會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)采用下壓量的載荷施加方式時(shí)選取4 m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(duì)應(yīng)的下壓力。4.2輥輪轉(zhuǎn)速輥輪的速度直接決定整個(gè)分析過程、生產(chǎn)過程所需的時(shí)間，無論是對(duì)受力的影響還是生產(chǎn)來說，選擇合適的速度是很關(guān)鍵的。對(duì)輥輪采取不同的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行貼附測(cè)試。在本次輥輪轉(zhuǎn)速測(cè)試中固定下壓量、網(wǎng)格等基本條件不變。通過仿真分析所得結(jié)果如圖10所示。圖10輥輪轉(zhuǎn)速仿真測(cè)試結(jié)果Fig.10Simulati

19、on test results of roller speed輥輪轉(zhuǎn)速與網(wǎng)格大小有著很大關(guān)系，隨著網(wǎng)格密度增加，速度最大值隨之增大（非線性）。同時(shí)轉(zhuǎn)速的改變對(duì)薄膜受力影響較小，對(duì)外圈Sheet受力影響較大。由于速度較快，會(huì)讓輥輪和外圈Sheet產(chǎn)生較大的慣性力。轉(zhuǎn)速快雖然會(huì)減少求解時(shí)間，但是也會(huì)導(dǎo)致波速比過大，所以選取1.22.4 rad/s 是較為合理的轉(zhuǎn)速。由于該仿真模型不具有保壓時(shí)間模擬功能，因此貼合轉(zhuǎn)速難以模擬實(shí)際貼合效果，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中可以根據(jù)材料的屬性和生產(chǎn)的實(shí)際需求選擇合適的輥輪轉(zhuǎn)速。4.3材料屬性影響因素Sheet作為貼附的外圈材料對(duì)仿真的成功與否有決定性影響，并對(duì)應(yīng)力大

20、小有著直接影響。在本次Sheet薄膜材料測(cè)試中固定下壓量、網(wǎng)格、輥輪轉(zhuǎn)速等基本條件不變。Sheet分別選取具有超彈性的材料進(jìn)行測(cè)試，材料參數(shù)和應(yīng)力分析如表2和圖11所示，Sheet材料默認(rèn)參數(shù)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(yīng)力為0.22 MPa。表2Sheet薄膜材料及最大應(yīng)力結(jié)果Tab.2Film material and maximum stress resultsSheet材料密度/mm-3屬性最大應(yīng)力/MPaC10C01D1超彈性材料11.14e-090.729 50.022 40.011 3536超彈性材料21.12e-090

21、.7200.415 50.020 6486超彈性材料31.12e-090.323 20.563 80.011 3603超彈性材料41.20e-091.637 9-0.133 90.006 7522超彈性材料51.22e-091.047 11.239 90.004 4598圖11不同Sheet薄膜材料薄膜受力分析Fig.11Film stress analysis of different sheet film materials由圖11和表2可知，將Sheet材料屬性改變?yōu)榫哂谐瑥椥圆牧蠈傩院?，外圈Sheet應(yīng)力會(huì)發(fā)生突變，Panel、OCA、Sus 的應(yīng)力情況也都有較大的變化。外圈Sheet在受到這么大的應(yīng)力的情況下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力值超出自身承受極限，使外圈出現(xiàn)撕裂被穿透等現(xiàn)象，導(dǎo)致外圈材料受損，使整個(gè)貼附過程失效。因此外圈Sheet的材料屬性對(duì)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(jié)論本文基于內(nèi)聚力模型理論，結(jié)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(duì)不同邊界