多區域ITO膜的大尺寸LCD低溫加熱研究報告

摘 要：本文以ITO膜作為加熱元件，設計制備了大尺寸液晶顯示器的低溫加熱模塊。采用5個(gè)非等分的分區加熱結構，通過(guò)調控各區域ITO膜加載功率的占空比和引入反饋調節機制，控制加熱區域的升溫速率，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內達到快速啟動(dòng)要求，在500s內達到一個(gè)相對穩定的溫度(-5℃)，同時(shí)各區域中心溫差保持在2℃以?xún)?，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)境下粘度系數加大，會(huì )導致響應時(shí)間變長(cháng)，圖像產(chǎn)生嚴重拖尾，不能正常顯示，導致LCD普遍存在低溫環(huán)境下工作性能差，甚至不工作的現象。

針對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LCD進(jìn)行低溫加熱補償。當電流流過(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，使其達到正常工作所需的溫度要求。目前常用的區域ITO加熱方式其溫度場(chǎng)均勻性會(huì )隨著(zhù)LCD尺寸的增大而下降，局部區域會(huì )產(chǎn)生過(guò)熱或欠熱現象，嚴重時(shí)甚至引起LCD及ITO加熱元件的炸裂。

針對上述問(wèn)題，本文擬采用多區域ITO膜的加熱結構，調控占空比和引入反饋調節機制，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)并穩定工作。

1 理論優(yōu)化設計

1.1 加熱元件的設計

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

其中，ρ□(Ω/□)為ITO玻璃的方塊電阻，l1為ITO加熱片分區后各區域的長(cháng)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)各加熱區域溫度場(chǎng)分布及中心點(diǎn)的溫度上升曲線(xiàn)，如圖1所示。

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

由圖1可以看出，非等分各區域間的溫度差在4℃以?xún)?，該數據較以往單區域加熱的溫度場(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)非均勻的加熱區域。再將納米銀漿均勻地涂覆在5個(gè)分區的邊緣部分，用航空導線(xiàn)將電極引出，如圖2所示。測試各分區的電阻值，見(jiàn)表1。

圖2 分區域ITO 加熱片的結構示意圖

表1 加熱片各區域電阻值

3 測試與分析

3.1 加熱片測試分析

如圖3所示為加載電壓為135V，功率占空比為30%加熱片各區域的升溫曲線(xiàn)。從圖3中可以看出，當加載電壓為135V，占空比為30%時(shí)，五個(gè)區域溫差不大，中間區域溫度稍高，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，隨著(zhù)溫度升高，各區域最后都能保持在一個(gè)相對穩定的溫度，這和軟件仿真的結果基本上是吻合的。

3.2 模塊測試分析

將多區域加熱片和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，熱量以熱對流和熱輻射的形式傳遞。為進(jìn)一步減小各區域間的溫差，我們引入反饋機制，在各加熱區域中心安裝溫度傳感器。首先將各區域的溫度值取平均，再將各區域溫度與平均值作比較。當溫差超過(guò)“2℃”的設定閾值時(shí)，降低或升高相應加熱區域的功率占空比，使各區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)，模塊各顯示區域間的升溫曲線(xiàn)。

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

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 內由-45℃升到-20℃~-10℃左右。但隨著(zhù)功率占空比增加，14%功率占空比下各顯示區域間溫差增大，因此選用12%作為加熱前段快速升溫時(shí)的功率占空比。

當溫度達到一定值以后，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(xiàn)圖。

圖6 后段占空比為2%、4%、6%、8%特種LCD 模塊溫度曲線(xiàn)圖

由圖6可知，當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;而在6%的功率占空比下，LCD模塊各顯示區域能保持一個(gè)相對穩定的溫度值(-5℃)，且各區域中心部分的溫差保持在2℃以?xún)?，更適合實(shí)際應用。

結論

本文針對傳統單區域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，設計并制備了具有5個(gè)非等分區域的大尺寸LCD加熱片。通過(guò)對各加熱區域的功率占空比進(jìn)行分段控制調節，使大尺寸特種LCD模塊能夠快速升溫，且各區域升溫曲線(xiàn)相對一致，并通過(guò)溫度傳感器在各區域之間建立溫差反饋自動(dòng)調節電路，使各區域間的溫度差控制在2℃以?xún)?，有效保證了大尺寸LCD模塊的加熱均勻性。當加載電壓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內達到正常工作溫度，并且在500s時(shí)溫度維持在一個(gè)相對穩定的值(-5℃)，同時(shí)將各區域的溫度差控制在2℃以?xún)?。該多區域ITO加熱片有效解決了傳統單區域加熱片對大尺寸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)際應用意義。