光学透明接着剤（OCA）はフレキシブル電子デバイスのコア材料であり、大きな歪み、温度、湿度環境下での力学的挙動を研究することは、折り畳み可能なスクリーンの信頼性設計にとって極めて重要である。従来の研究では、小さな歪み（<100%）と通常の環境条件に限定されることが多く、実際の応用ではOCAは温度環境と1000%までの大きな歪みに耐える可能性があり、伝統的な線形粘弾性モデルはOCAの複雑な力学応答を記述することが困難である。そのため、南方科学技術大学の袁鴻雁准教授チーム異なる温度範囲、湿度レベル及び歪み率におけるOCAの大きな歪み力学的挙動を研究し、その非線形粘弾性構造モデルを構築した。

本文は95%RHの湿度環境の中で、異なる温度（-40°Cから80°C）、及び歪率（0.01-5 s⁻）の一軸延伸、単純せん断（歪1000%）と10時間クリープ試験（図1）を展開した。デジタル画像関連技術（DIC）を用いてOCAのポアソン比μ≒0.46を測定し、材料のほぼ非圧縮性の特性を検証した（図5）。

図1力学的試験（引張、せん断、クリープ、曲げ）のロード概略図

実験結果により、OCAの弾性率は顕著な温度依存性を示した：−40°Cから25°Cに上昇すると弾性率は84%低下し、25°Cから80°Cは41%低下し、低温（−40°C）では剪断弾性率は262.3 kPaに達し、高温（80°C）では20 kPaに激減した（図2）。クリープ試験では、高温高湿（80°C、95%RH）環境による水蒸気浸食によりOCA材料は急速に失効し、その破断歪は1500%に近い（図3）。しかし、常温での湿度変化が弾性率に与える影響は微弱である。歪率効果は5 s⁻¹下の応力値が0.01 s⁻下より2倍上昇し、高温下でOCA粘弾性応答が顕著に弱化したことを示した。

図2（a）25℃における異なる歪率での引張試験、（b）25℃、（c）65℃と（d）80℃における異なる歪率でのせん断試験

図3（a）異なる温度での簡単なせん断結果、（b）低温延伸結果と（c）異なる温度での50 kPa応力でのクリープ試験

本文は三次Yeoh超弾性モデルを用いて材料の非線形弾性応答を記述し、広義Maxwellモデル（Prony級数）と結合してその粘弾性を特徴づけ、伝統的な線形粘弾性仮説の限界を突破した。パラメータ決定過程において、革新的に各温度点に対してYeohモデルとProny級数モデルパラメータを独立に決定し、従来の時間−温度等価理論（WLF方程式）の大歪下での故障問題を回避し、顕著に向上したモデル精度。3点曲げシミュレーションを通じて構造モデル及びパラメータの合理性を検証し、シミュレーション結果は実験とシミュレーションの力−変位曲線が一致し、粘弾性ヒステリシスと応力緩和現象を再現することに成功した。

図4 FEM三点曲げ荷重概略図及び応力雲図

図5（a）3点曲げ試験（ロード−アンロード）、（b）ロード−保持−アンロード試験結果とFEM、（c）10、（d）60、（e）300、（f）600 sの異なる保持時間におけるロード−アンロード試験結果とFEMの比較（g）DICスペックル分布とポアソン比

以上より、本研究では、柔軟性のある電子デバイスにおけるOCAの異なる温度、歪速度、湿度条件下での大きな歪力学的挙動を実験と数値方法により系統的に研究した。OCAなどの軟質材料の力学性能を分析する汎用方法を提案し、材料試験、構造パラメータの校正、検証及び複雑な大歪力学挙動の有限要素シミュレーションにモデルとパラメータを応用することを含む。この構造モデルは主にOCAの応力−ひずみ関係に注目している。大きな歪みの間、OCA分子ネットワークが破壊され、さらに首が縮むなどの現象を引き起こす可能性があり、既存のモデルはこれらの損傷機構を考慮していない。

関連論文は「Large strain mechanical behaviors of optically clear adhesives for flexible electronic devices under different temperature，humidity，and strain rates」というタイトルで「Journal of Applied Polymer Science」に発表された。