白碧海，曹春燕*，黃倪慧，陳子軍，謝 安

（1.福建省功能材料及應用重點實驗室，福建 廈門 361024；2.廈門理工學院材料科學與工程學院，福建 廈門 361024）

觸摸屏（touch panel，TP）又稱為“觸控屏”或“觸控面板”，是一種可接收輸入信號的感應裝置，當觸碰觸控屏時，屏幕上的觸控系統(tǒng)根據(jù)感應輸入數(shù)據(jù)進行相應的顯示反饋。觸控屏由觸控檢測部件和觸控屏控制器組成。觸控檢測部件安裝在顯示屏前面，用于檢測用戶的觸控位置，將信號送至觸控屏控制器。觸控屏控制器的主要作用是將接收到的信號轉(zhuǎn)換成觸點坐標，再傳送給中央處理器（central processing unit，CPU），同時接受CPU 發(fā)來的命令并加以執(zhí)行［1］。柔性觸控屏即“可應用于柔性顯示屏上的觸控產(chǎn)品”，要求其具有一定的固定彎曲半徑、可做成曲面、輕薄如紙張，具有可以隨意卷曲、折疊、拉伸的特性［2-3］。柔性觸控屏/觸摸屏在全球車載市場和電子消費市場逐漸爆發(fā)，主要用于車載、醫(yī)療、教育、消費電子（手機、平板、筆記本電腦、家用大屏顯示器等）、戶外等場景［4］。

近年來流行的折疊屏手機顯示面板通常采用柔性有機發(fā)光二極管（organic light emitting diode，OLED）［5］。OLED 屏幕包含玻璃基板、OLED、上偏光片等結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)簡單，在厚度上具備彎曲甚至柔性的可能。柔性OLED 用塑料替代玻璃基板，可以進一步實現(xiàn)彎曲。然而，實現(xiàn)高性能的柔性觸控屏幕仍面臨許多挑戰(zhàn)，如彎折性能、透明度、可靠性等。因此，選擇合適的柔性觸控屏模組材料對于提高產(chǎn)品性能具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對柔性觸控屏模組材料選型的研究日益增多，許多研究者對不同類型的材料進行分析測試，比較它們在力學性能、光學性能、可靠性等方面的差異［6-7］。但這些研究往往僅針對單一材料在某一方面的性能進行分析，缺乏對整個觸控顯示模組的系統(tǒng)研究，也尚未有研究者對不同廠家生產(chǎn)的材料進行比較和分析。為此，本研究針對可彎折、環(huán)繞、折疊柔性觸控屏實現(xiàn)彎折半徑3 mm（記為R3 mm）、彎折20 萬次這一業(yè)內(nèi)公認的柔性屏幕可商業(yè)量產(chǎn)并實際應用的目標，采用系統(tǒng)性的方法，綜合考慮觸控顯示模組中不同廠家生產(chǎn)的各種材料的性能，進行觸控顯示模組關鍵材料數(shù)據(jù)收集、力學模擬分析，并開展DOE（design of experiment）驗證［8-9］。

1 觸控層TP基材選型及模擬

觸控面板TP 通過柔性電路（flexible print circuit，F(xiàn)PC）板與電路主板結(jié)合。觸控層TP 基材的彎折能力是整個可彎折柔性觸控顯示模組的基礎，本研究通過ANSYS軟件仿真分析材料極限彎折半徑，篩選最優(yōu)的觸控層基材，進而縮短研發(fā)周期，減少研發(fā)資金投入。可彎折柔性觸控顯示模組觸控層TP簡化彎折前后的示意圖如圖1 所示。圖1 中，觸控層厚度記為T，彎折半徑為R，即直徑為2R。

圖1 TP彎折前后示意圖Fig.1 Schematic diagram of TP before and after bending

1.1 TP基材簡介

目前，薄膜柔性觸控層TP 基材有3 種材質(zhì)薄膜：1）聚對苯二甲酸已二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）薄膜。它是以聚對苯二甲酸已二醇酯為原料，采用擠出法制成厚片，再經(jīng)雙向拉伸制成薄膜材料。2）環(huán)烯烴聚合物（cyclo olefin polymer，COP）薄膜。它是采用環(huán)烯烴聚合物粒子材料制成的薄膜。3）CPI（clear polyimide）薄膜，即透明聚酰亞胺薄膜。

一般而言，50 μm厚的PET原材料制成觸控感應器薄膜后厚度（T）為60 μm；25 μm厚的COP原材料制成觸控感應器薄膜后厚度（T）為35 μm；選用12.5 μm 厚的CPI 基材制成觸控感應器薄膜后厚度（T）為23 μm。本研究結(jié)合目前市場量產(chǎn)材料和生產(chǎn)可行性，選取上述3 種材料制成觸控感應薄膜，并進行不同彎折半徑仿真模擬分析。

1.2 TP基材屈服極限測量

本研究使用英斯特朗（Instron）5969萬用拉力機測量3 種材料的拉伸應力應變曲線，獲得3 種材料屈服極限，結(jié)果如表1所示。

表1 PET、COP、CPI 3種材料的屈服極限Table 1 Yield limit of materials PET,COP,CPI

1.3 TP基材應力模擬與選型

通過ANSYS 軟件仿真模擬、了解TP 材料在不同彎折半徑（R=5.0、3.0、2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 mm）下彎折后TP 彎折區(qū)所受最大應力，進一步通過對比材料本身的屈服應力極限找出不同材料的極限彎折半徑，從而篩選最優(yōu)的TP 基材。利用ANSYS Workbench 進行參數(shù)化建模，實際模型長為150 mm，寬為70 mm，厚度根據(jù)具體材料進行設置，下方設置剛性體，彎折時由剛性體的轉(zhuǎn)動帶動屏幕彎折。為使彎折部位形成的圓弧狀盡量減小受力，采用四面體單元劃分網(wǎng)格。

PET（60 μm）基材在彎折半徑R=5.0、3.0、2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 mm下的應力仿真云圖如圖2 所示。從圖2 可見，隨著彎折半徑的減小，最大應力分別為32、51、71、90、121、183、373 MPa，基材最大應力快速增大。COP（35 μm）基材仿真結(jié)果云圖及CPI（23 μm）基材仿真結(jié)果云圖與PET（60 μm）基材仿真結(jié)果云圖類似，文中不再展示。

圖2 PET 基材應力仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of stress of PET substrate

根據(jù)應力仿真結(jié)果和測試屈服極限結(jié)果，將3 種PET、COP、CPI 基材在不同彎折半徑下的最大應力數(shù)據(jù)和屈服極限數(shù)據(jù)作圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 3種基材在不同彎折半徑下的最大應力Fig.3 Maximum stress of three types of substrates under different bending radius

從圖3（a）可見，隨著彎折半徑減小，PET 基材最大應力快速增大。當彎折半徑為2.0 mm 時，PET最大應力90 MPa，超過屈服應力值（由表1可知，材料PET的屈服應力為89 MPa），材料有屈服風險，即PET 基材安全工作半徑為2.0 mm。從圖3（b）可見，隨著彎折半徑減小，COP基材最大應力增大。當彎折半徑為1.5 mm時，最大應力會超出屈服應力（由表1可知，COP的最大屈服應力為51 MPa），即COP基材安全彎折半徑為1.5 mm。從圖3（c）可見，隨著彎折半徑減小，最大屈服應力在增大，但彎折半徑R≥1.0 mm 時，最大屈服應力均小于屈服應力（由表1 可知，CPI 的屈服應力為80 MPa）；當彎折半徑R=0.5 mm時，最大屈服應力均大于屈服應力，CPI材料有屈服風險。

進一步分析3種材料應力模擬結(jié)果可知，彎折半徑越小，TP單體所受的張、壓應力越大；PET屈服半徑R=2.0～2.5 mm，COP 屈服半徑R=1.5～2.0 mm，CPI 屈服半徑R=0.5～1.0 mm；CPI 可耐彎折性能最好，故建議選用CPI為TP基材。

2 CPI、OCA材料選型及DOE驗證

OCA（optically clear adhesive，OCA）是一種重要的光學透明膠材，用于觸控顯示屏和其他透明光學元器件的黏合，具有高潔凈度、高透光率、低霧度、高粘力等優(yōu)點［10］。CPI 和OCA 為柔性觸控模組重要組合材料。從CPI、OCA 入手測試驗證并建立材料庫，找出材料彎折特性關鍵因素，仿真分析彎折模型，可達到縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本投入的目的。

2.1 CPI彎折性能參數(shù)

材料的彈性模量、屈服應變、斷裂應變是影響彎折性能的重要參數(shù)，可通過材料彎折失效分析和材料性能分析獲得。對CPI 單體采用拉伸法可以獲得彈性模量、屈服應變、斷裂應變等材料性能參數(shù)［11］。彈性模量是工程材料的重要性能參數(shù)。宏觀上，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度；微觀上，彈性模量是原子、離子或者分子之間鍵合強度的反映［12］。當材料彎折時處于彈性變形階段即屈服點以下階段時，材料彎折是安全的；當材料彎折處于塑性變形階段，即工作于屈服點和斷裂點之間時，材料反復彎折可造成塑性變形積累至失效；當材料彎折處于斷裂點之后時，材料會立刻失效。

一般而言，CPI 的彈性模量越小，表示彈性越好；屈服應變、斷裂應變越大，表示可以抵御的變形就越大、彎折性能越好。本研究使用英斯特朗（Instron）5969 萬用拉力機對A、B、C 3 個廠家的CPI 材料進行彈性模量、斷裂應變、屈服應變的測試，測試結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，3 個廠家CPI 彎折性能的排序為：A ＞ C ＞ B。

表2 不同廠家CPI 的材料性能參數(shù)Table 2 Material performance parameters of CPI from different manufacturers

2.2 OCA儲能模量

黏彈性是表征材料使用性能的重要參數(shù)，其中黏彈性特性參數(shù)――儲能模量（G′），是衡量材料剛性及彈性性質(zhì)的重要指標。在柔性折疊產(chǎn)品中，OCA 具備一定的流動性，又保持較高的黏性，能吸收彎折過程中上下錯層產(chǎn)生的應力［13］。因此，OCA亦是一種黏彈體。本研究對不同廠家OCA（標號為1～5）使用美國TA/DMA850 動態(tài)熱機械分析儀（DMA）進行材料關鍵性能參數(shù)儲能模量測試，結(jié)果如表3所示。

表3 不同廠家OCA儲能模量G′測試結(jié)果Table 3 Test results of OCA storage modulus from different manufacturers

一般而言，OCA 的儲能模量G′越小，模組的彎折性能越好。從表3可見，-20 ℃下各廠家產(chǎn)品的彎折性能排序為：4 ＞ 3 ＞ 5 ＞ 2 ＞ 1。

2.3 CPI-OCA-CPI三合一疊構(gòu)DOE驗證

本研究以CPI 外增加硬涂層（hard-coating，HC）作為蓋板層，以重要組合CPI-OCA-CPI 三合一疊構(gòu)進行DOE驗證分析，選出最佳的柔性觸控屏模組。三合一疊構(gòu)展平與彎折狀態(tài)如圖4 所示。彎折狀態(tài)下，上層CPI受拉應力，下層CPI受壓應力。

圖4 CPI-OCA-CPI三合一疊構(gòu)展平與彎折狀態(tài)Fig.4 Flat and bending state of CPI-OCA-CPI triple stack

選取CPI（A）、CPI（B）、OCA（4）、OCA（3）進行CPIOCA-CPI 三合一疊構(gòu)，分別為CPI（A）OCA（4）CPI（A）、CPI（A）OCA（3）CPI（A）及CPI（B）OCA（4）CPI（B）。對3 種由不同廠家生產(chǎn)的材料構(gòu)成CPI-OCA-CPI 三合一疊構(gòu)進行DOE 測試模擬驗證，外彎半徑選擇R=3.5、3.0、2.5 mm 3 種情況，使用日本 YUASA/CL09-typeD01-FSC 烘箱型彎折試驗機進行彎折實驗，測試溫度為-20 ℃，彎折次數(shù)選擇20 萬次（疊構(gòu)破壞情況除外）。CPI-OCA-CPI 三合一疊構(gòu)外加HC 通過ANSYS 軟件軟體模擬得到CPI 最大應變量。CPI-OCACPI三合一疊構(gòu)模型長寬高分別為150 mm×70 mm×0.195 mm，模型全部采用四面體單元劃分網(wǎng)格。選用的OCA 膠材具有超彈性，是一種不可壓縮的材料。超彈性本構(gòu)模型有Ogden、Mooney-Rivlin、Van der Waals、Yeoh 等多種形式。由于Yeoh 模型與實驗數(shù)據(jù)擬合效果較好，且計算收斂性強，故本模型采用Yeoh模型進行模擬。

上述3 種由不同廠家生產(chǎn)材料構(gòu)成的CPI-OCA-CPI 三合一疊構(gòu)DOE 模擬與實際彎折驗證結(jié)果如表4所示。表中CPI最大應變均為仿真值。

表4 不同廠家CPI-OCA-CPI三合一疊構(gòu)DOE模擬與實際彎折驗證Table 4 DOE simulation and actual bending verification of CPI-OCA-CPI triple stack from different manufacturers

若材料彎折時應變小于屈服應變，則該材料處于彈性形變的安全狀態(tài)；若材料彎折時的應變大于等于屈服應變且小于斷裂應變，則該材料因反復彎折造成的塑形形變積累將可能出現(xiàn)斷裂；若材料彎折時應變大于等于斷裂應變，則該材料將立刻斷裂。由表4可見，對于CPI（A）OCA（4）CPI（A）疊構(gòu)，測試溫度為-20 ℃，外彎半徑R=3.5、3.0、2.5 mm 時，通過ANSYS 軟件軟體模擬得到CPI 最大應變量分別為1.20%、1.45%、2.02%，小于CPI 屈服應變2.8%，說明CPI（A）OCA（4）CPI（A）疊構(gòu)模擬結(jié)果可行。實際測試時，不同外彎半徑下20萬次彎折測試結(jié)果均通過，說明CPI（A）OCA（4）CPI（A）疊構(gòu)可行。類似，對于CPI（A）OCA（3）CPI（A）疊構(gòu)，外彎半徑R=3.5、3.0 mm 時，CPI 軟體模擬最大應變小于屈服應變，實際測試時，彎折20 萬次亦通過。當外彎半徑R=2.5 mm 時，軟體模擬得到CPI 最大應變量為3.14%，大于CPI 屈服應變2.8%，說明外彎半徑為2.5 mm 時疊構(gòu)會損壞，實際彎折1 千次后疊構(gòu)斷裂。對于CPI（B）OCA（4）CPI（B）疊構(gòu)，在外彎半徑R=2.5 mm 時，軟體模擬CPI 最大應變超過屈服應變，實際彎折測試1萬次時斷裂，故模擬與實際實驗是一致的。當模擬與實際實驗不一致時，應及時進行模型和實驗參數(shù)分析，進行反復驗證，使模擬與實際一致。由以上分析可知，在可彎折、環(huán)繞、折疊柔性觸控屏實現(xiàn)彎折半徑3 mm、彎折20 萬次的前提下，CPI（A）OCA（4）CPI（A）為最佳疊構(gòu)選擇。

3 結(jié)論

本研究針對可彎折、環(huán)繞、折疊柔性觸控屏實現(xiàn)彎折半徑R=3 mm、彎折20 萬次性能這一目標，進行了柔性觸控屏模組的關鍵材料選型、材料數(shù)據(jù)收集及力學模擬分析與DOE 驗證。先利用ANSYS軟件仿真篩選出了最優(yōu)的TP 基材——性能優(yōu)異的光學級聚酰亞胺CPI；再與光學可膠OCA 疊構(gòu)成CPIOCACPI，利用ANSYS 軟件對相關模組應力模擬仿真，對不同廠家生產(chǎn)的材料進行了比較分析，選出了最佳的柔性觸控屏模組并通過了DOE 測試模擬驗證。研究結(jié)果表明，最佳的柔性觸控屏模組材料選型組合為CPI（A）OCA（4）CPI（A）。

相較于前人的研究，本研究采用系統(tǒng)性的方法，綜合考慮觸控顯示模組中各種材料的性能，通過對不同廠家生產(chǎn)的材料進行比較、分析，為后續(xù)相關模組材料選型設計、模組疊構(gòu)設計提供一定的依據(jù)，且仿真分析能夠預測材料和具體結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)，可幫助研究人員更快地確定最佳的材料和結(jié)構(gòu)設計方案，以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，減少研發(fā)資金投入。本研究仍存在一些不足和值得進一步深入研究的地方，如僅針對部分材料進行了測試和分析，未來可以考慮對更多種類的材料進行研究，以便為實際生產(chǎn)提供更多的選擇；本研究主要側(cè)重于材料選型，未來可以進一步研究柔性觸控屏模組材料的制造工藝，以利于上游廠家提高產(chǎn)量與降低成本；隨著柔性觸控屏技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的研究可以關注新材料和新技術(shù)在柔性觸控屏領域的應用，進一步拓展研究范圍和深度。