【技术篇】可折叠AMOLED屏幕弯折应力深度解析

当前，柔性OLED屏幕正在向商业化的方向发展，可折叠屏幕是其发展方向之一。当柔性OLED屏幕沿某一中线折叠时，光学透明导电胶(Optically Clear Adhesive，OCA)胶层易产生剥离，各个膜层均有应力中性层的出现，即应力应变为0的位置，显示层的光学器件最容易产生损伤。因此，如何改善整个结构中的应力应变分布情况成为了多层堆叠结构屏幕所面临的主要问题，针对这些情况，已有学者从结构设计的角度对柔性屏幕进行性能改进，但仅比较了保护盖板厚度对中性层的影响，研究范围少，且对胶层剥离问题没有讨论 。

本文重点探究影响显示层处应力中性层位置的因素，从而进行调整，避免弯折过程对显示层造成的过度破坏，同时，减小胶层应变，使胶层剥离问题得到改善。对柔性OLED屏幕的弯折过程进行仿真分析，比较弯折90°。并静置300s时，各层材料的堆叠结构、保护盖板刚度、OCA胶层厚度、背板厚度以及弯折半径对显示层的应力、各OCA胶层应变产生的影响，通过材料参数、结构的调整，达到改善、消除上述缺陷的目的。

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仿真模型建立

几何模型建立及边界条件设置

柔性OLED屏幕由多层结构组成，屏幕长度为150 mm，下方设置刚性体，其尺寸参数如图1(a)所示。

图1(a) 屏幕尺寸参数

弯折时，由刚性体的转动带动屏幕弯折，为使弯折部位形成圆弧状以尽量减小受力，设定对称轴与参考点之间的距离为（π/4）R，当半径为5mm时，该距离即7.85 mm，此外，参考点还需向左运动[（π/4）-1]R，即2.85 mm，最终达到图1(b)位置。

图 1(b) 弯折后尺寸参数

结构由上至下依次为保护盖板、OCA、触摸层、OCA、偏光片、OCA、显示层、基板、OCA、背板，各部分厚度如图2所示。

图2 屏幕结构

文采用Abaqus，将仿真模型简化为二维平面应变问题，给定的边界条件为，前1 S内，刚性体围绕参考点逆时针旋转，转速为1.57 rad／s，同时向左移动，速度为2.85 mm／s；随后，静置300 S以贴近实际使用情况。

网格划分

分析模型采用四面体网格进行划分，长度方向尺寸为0.025 mm，厚度方向所有结构均划分为三层。网格单元类型选择平面应变、杂交、减缩积分单元。

材料模型

本文中保护盖板弹性模量为5.6 GPa；背板弹性模量为4.076 GPa；选用的OCA胶材具有超弹性和黏弹性，是一种不可压缩材料。其中，超弹性描述变形过程中的非线性弹性行为；黏弹性描述材料性能与应变率之间的关系。超弹性本构模型有Ogden、Mooney-Rivlin、Van der Waals、Yeoh等多种形式。由于Yeoh模型与实验数据拟合结果较好，且计算收敛性强，因此本文采用Yeoh模型，其具体参数如表1所示。

表1 Yeoh模型参数

黏弹性参数可通过剪切松弛实验数据经归一化处理后输入得到，如图3所示。

图3 黏弹性数据

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结果与讨论

不同堆叠结构对比

在探究不同堆叠结构对显示层应力中性层的影响时，由于显示层与基板为一整体，因此选取显示层与封装层作为空白对照，以此为基础增加其他材料，对比5组不同结构(1、显示层+基板；2、偏光片+OCA+显示层+基板；3、触摸层+OCA+偏光片+OCA+显示层+基板；4、保护盖板+OCA+触摸层+OCA+偏光片+OCA+显示层+基板；5、全结构模型)中显示层在弯折90°。并静置300 S时的应力中性层变化，结果如图4所示。

图4 不同堆叠结构对显示层应力影响

可见，在显示层与基板的基础上，增加偏光片后，应力中性层明显上移，加入触摸层后，应力中性层继续上移，保护盖板的加入没有产生影响，但最后加入背板后，应力中性层位置发生了显著变化，下移程度较大，基本回到初始位置。从中可以发现，结构的变化和调整对应力中性层位置改变有很大影响。

保护盖板不同刚度对比

保护盖板属于柔性屏幕结构中较易进行调整的膜层，基于此，对保护盖板进行材料参数调整，探究其刚度对应力应变的影响。

选用弹性模量分别为2.8 GPa、5.6 GPa、11.2GPa、28.0 GPa、56.0 GPa的保护盖板进行对比分析，讨论对显示层应力中性层和OCA胶层应变的影响，结果如图5所示。

图5(a) 保护盖板刚度对显示层应力影响

图5(b) 保护盖板刚度对各OCA胶层应变影响

从图5中可以看出，在不同刚度下，显示层应力曲线基本重合，即保护盖板刚度对显示层应力中性层的影响可以忽略不计；而OCA胶层的应变随着刚度变化有明显改变，保护盖板弹性模量变大，各OCA 胶层的应变也有不同程度增加。保护盖板的刚度变化，仅对该层应力产生了较为显著的影响，随着刚度增加，该层应力显著上升，因此与之相邻的OCA 胶层应变也随之变化，从而间接影响到其他胶层的应变。适当降低保护盖板刚度，有利于屏幕弯折过程的优化。

保护盖板下OCA胶层不同厚度对比

OCA胶层用于屏幕中不同膜层之间的粘结，其厚度易于调整，因此探究OCA 胶层厚度对应力应变的影响很有必要。

为便于比较，仅对保护盖板下的OCA 胶层厚度进行改变，厚度分别取为25 m、50 m、75 m、i00 m、125 m，其结果如图6所示。

图6(a) 保护盖板下OCA厚度对显示层应力影响

图6(b) 保护盖板下OCA厚度对各0CA胶层应变影响

由图6可知，在不同OCA厚度下，显示层应力曲线基本重合，即OCA 胶层厚度对显示层应力中性层的影响可以忽略不计；而各OCA胶层的应变，与0CA胶层厚度变化关系密切，随着保护盖板下0CA胶层厚度增大，该层应变明显降低，其他层应变也有较小减小。OCA胶层厚度的增大，仅对与之相邻的保护盖板、触摸层产生较明显的影响。一方面，保护盖板由于胶层厚度增加，使弯折时的曲率增加，从而导致应力的增大，对胶层应变减小起抑制作用；另一方面，胶层厚度增大，使单位长度胶层受力减小，对应变减小起促进作用，且效果更为显著，因此，胶层应变最终呈现出降低趋势。为降低保护盖板的剥离风险，可以适当增厚其下部OCA胶材的厚度。

背板不同厚度对比

背板常常处在柔性屏幕的最下方，对光学器件起到保护和支撑的作用，因此，背板对显示层中性层的影响也需进行探讨。选用厚度分别为25μm、50μm、75μm、100μm、125μm的背板进行对比分析，其结果如图7所示。

图7(a) 背板厚度对显示层应力影响

图7(b) 背板厚度对各OCA胶层应变影响

可见，背板厚度对显示层的应力中性层位置和胶层应变均有很大影响。背板厚度的增加，使显示层的弯折曲率增大，应力中性层位置下移。因此，增大背板厚度有利于降低OLED器件所受到的拉应力，对显示层起保护作用，但不利于胶层应变的降低，需综合考虑进行调整。

不同弯折半径对比

柔性OLED屏幕的弯折半径是设计时必须考虑的因素。在进行弯折半径对屏幕影响的研究时，采用半径3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 rflITl做对比，其结果如图8所示。可以看出，随着弯折半径的增大，显示层应力下降，胶层应变变化不显著。弯折半径的增大，使得整体结构的受力情况都有所改善。

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结 论

本文针对柔性OLED屏幕弯折时的应力应变进行模拟分析，并讨论了堆叠结构、玻璃盖板刚度、玻璃盖板下OCA胶层厚度、弯折半径等4个因素，对显示层应力中性层位置和各OCA 胶层厚度的影响，经过对比分析，得出以下结论：

不同堆叠结构对显示层的应力中性层位置有很大影响，是造成应力中性层位置变化的重要因素。

当保护盖板刚度从2.8 GP提高到56GPa时，显示层的应力中性层位置基本没有改变，但各个OCA胶层应变有所增加。

保护盖板下OCA胶层厚度从25μm 增加到125μm 时，显示层的应力中性层位置基本无变化，但该层应变有显著降低。

背板厚度由25μm增大到125μm 时，显示层的应力中性层位置下移，与其相邻的OCA胶层应变增大。

弯折半径由3 mm增大到7 mm 时，显示层应力有明显下降，且OCA 胶层应变变化不显著。

综合以上可知，适当减小保护盖板刚度、背板厚度，增大保护盖板下OCA厚度，均有利于改善胶层剥离现象；增大背板厚度有利于显示层拉应力降低，弯折半径的增大有利于结构整体应力优化，可对显示层起保护作用。

作者：刘正周/廖敦明/贾永臻/张博/吴棣/陈继举

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