多區(qū)域ITO膜的大尺寸LCD低溫加熱研究報(bào)告

摘 要：本文以ITO膜作為加熱元件，設(shè)計(jì)制備了大尺寸液晶顯示器的低溫加熱模塊。采用5個(gè)非等分的分區(qū)加熱結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)控各區(qū)域ITO膜加載功率的占空比和引入反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，控制加熱區(qū)域的升溫速率，優(yōu)化液晶顯示器的溫度場(chǎng)分布。在270V電壓下，先以12%的功率占空比快速升溫，再以6%的功率占空比保持溫度，能夠使液晶顯示器在300s內(nèi)達(dá)到快速啟動(dòng)要求，在500s內(nèi)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度(-5℃)，同時(shí)各區(qū)域中心溫差保持在2℃以?xún)?nèi)，較好地解決了大尺寸液晶顯示器低溫加熱不均勻的問(wèn)題。

液晶顯示器(Liquid Crystal Display，簡(jiǎn)稱(chēng)LCD)具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、電磁兼容性好等突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為主流的顯示器件。由于液晶分子在低溫環(huán)境下粘度系數(shù)加大，會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，圖像產(chǎn)生嚴(yán)重拖尾，不能正常顯示，導(dǎo)致LCD普遍存在低溫環(huán)境下工作性能差，甚至不工作的現(xiàn)象。

針對(duì)LCD在低溫環(huán)境下不能正常工作的情況，采用較多的方式是將鍍有ITO(Indium Tin Oxides)膜的玻璃作為加熱元件對(duì)LCD進(jìn)行低溫加熱補(bǔ)償。當(dāng)電流流過(guò)ITO膜時(shí)，ITO膜本身電阻產(chǎn)生的熱量傳遞給與之相貼合的LCD，使其達(dá)到正常工作所需的溫度要求。目前常用的區(qū)域ITO加熱方式其溫度場(chǎng)均勻性會(huì)隨著LCD尺寸的增大而下降，局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱或欠熱現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至引起LCD及ITO加熱元件的炸裂。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文擬采用多區(qū)域ITO膜的加熱結(jié)構(gòu)，調(diào)控占空比和引入反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，控制加熱元件的升溫速率，優(yōu)化溫度場(chǎng)分布，使大尺寸LCD顯示器能夠在低溫環(huán)境下快速啟動(dòng)并穩(wěn)定工作。

1 理論優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 加熱元件的設(shè)計(jì)

本文以624mm×240mm尺寸的LCD顯示器為研究對(duì)象，采用方塊電阻為50Ω/□的ITO玻璃對(duì)其進(jìn)行加熱。將ITO加熱片按長(zhǎng)度3∶2∶2∶2∶3的比例分成五個(gè)區(qū)域。由公式(1)可得到各區(qū)域電阻值。

其中，ρ□(Ω/□)為ITO玻璃的方塊電阻，l1為ITO加熱片分區(qū)后各區(qū)域的長(zhǎng)度，l2為寬度。

1.2 軟件仿真

ANSYS軟件分析加載電壓為135V，功率占空比為30%時(shí)各加熱區(qū)域溫度場(chǎng)分布及中心點(diǎn)的溫度上升曲線，如圖1所示。

圖1 電壓135V，功率占空比30% 下模擬各加熱區(qū)域溫度場(chǎng)及溫度上升曲線圖

由圖1可以看出，非等分各區(qū)域間的溫度差在4℃以?xún)?nèi)，該數(shù)據(jù)較以往單區(qū)域加熱的溫度場(chǎng)分布更均勻。

2 加熱片的制備

采用濕法刻蝕，將ITO基片按比例圖案化，得到5個(gè)非均勻的加熱區(qū)域。再將納米銀漿均勻地涂覆在5個(gè)分區(qū)的邊緣部分，用航空導(dǎo)線將電極引出，如圖2所示。測(cè)試各分區(qū)的電阻值，見(jiàn)表1。

圖2 分區(qū)域ITO 加熱片的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 加熱片各區(qū)域電阻值

3 測(cè)試與分析

3.1 加熱片測(cè)試分析

如圖3所示為加載電壓為135V，功率占空比為30%加熱片各區(qū)域的升溫曲線。從圖3中可以看出，當(dāng)加載電壓為135V，占空比為30%時(shí)，五個(gè)區(qū)域溫差不大，中間區(qū)域溫度稍高，最大溫差在4℃~5℃左右。由于加熱片產(chǎn)生的熱量和散失的熱量相當(dāng)，隨著溫度升高，各區(qū)域最后都能保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度，這和軟件仿真的結(jié)果基本上是吻合的。

3.2 模塊測(cè)試分析

將多區(qū)域加熱片和LCD顯示器裝入圖4所示的模塊殼體中，其中加熱元件和LCD之間為空氣層，熱量以熱對(duì)流和熱輻射的形式傳遞。為進(jìn)一步減小各區(qū)域間的溫差，我們引入反饋機(jī)制，在各加熱區(qū)域中心安裝溫度傳感器。首先將各區(qū)域的溫度值取平均，再將各區(qū)域溫度與平均值作比較。當(dāng)溫差超過(guò)“2℃”的設(shè)定閾值時(shí)，降低或升高相應(yīng)加熱區(qū)域的功率占空比，使各區(qū)域間的溫度分布盡量保持一致。

圖4 特種液晶顯示器模塊示意圖

圖5所示為加裝多區(qū)域加熱片的特種LCD顯示器模塊在加載電壓為270V，功率占空比分別為8%、10%、12%和14%時(shí)，模塊各顯示區(qū)域間的升溫曲線。

圖5 電壓為270V，占空比8%、10%、12%、14% 特種LCD 模塊顯示各區(qū)域升溫曲線

由圖5可以看出，功率占空比越高，升溫越快。功率占空比為12%、14%時(shí)，L C D 顯示器表面溫度能夠在3 0 0 s 內(nèi)由-45℃升到-20℃~-10℃左右。但隨著功率占空比增加，14%功率占空比下各顯示區(qū)域間溫差增大，因此選用12%作為加熱前段快速升溫時(shí)的功率占空比。

當(dāng)溫度達(dá)到一定值以后，加熱后段再采用低功率占空比保持溫度。圖6所示為加熱前段12%加熱300s后，再改用以2%、4%、6%和8%作為加熱后段功率占空比特種LCD模塊的溫度曲線圖。

圖6 后段占空比為2%、4%、6%、8%特種LCD 模塊溫度曲線圖

由圖6可知，當(dāng)加熱后段功率占空比為2%時(shí)，LCD模塊溫度場(chǎng)不能保持在一個(gè)穩(wěn)定值;在4%、6%和8%的功率占空比下LCD溫度場(chǎng)分別保持在-12℃、-5℃和1℃左右。其中在4%和8%的功率占空比下，LCD的溫度場(chǎng)分別有少許的下降和上升趨勢(shì);而在6%的功率占空比下，LCD模塊各顯示區(qū)域能保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度值(-5℃)，且各區(qū)域中心部分的溫差保持在2℃以?xún)?nèi)，更適合實(shí)際應(yīng)用。

結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)單區(qū)域ITO加熱片在大尺寸LCD模塊加熱中存在的溫度場(chǎng)分布不均勻等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制備了具有5個(gè)非等分區(qū)域的大尺寸LCD加熱片。通過(guò)對(duì)各加熱區(qū)域的功率占空比進(jìn)行分段控制調(diào)節(jié)，使大尺寸特種LCD模塊能夠快速升溫，且各區(qū)域升溫曲線相對(duì)一致，并通過(guò)溫度傳感器在各區(qū)域之間建立溫差反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)電路，使各區(qū)域間的溫度差控制在2℃以?xún)?nèi)，有效保證了大尺寸LCD模塊的加熱均勻性。當(dāng)加載電壓270V，加熱前段占空比12%，后段占空比6%時(shí)，大尺寸LCD模塊在300s內(nèi)達(dá)到正常工作溫度，并且在500s時(shí)溫度維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值(-5℃)，同時(shí)將各區(qū)域的溫度差控制在2℃以?xún)?nèi)。該多區(qū)域ITO加熱片有效解決了傳統(tǒng)單區(qū)域加熱片對(duì)大尺寸LCD模塊加熱不均勻、爆屏等問(wèn)題，升溫速度更快，溫度場(chǎng)分布更均勻，可靠性更高，具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。