一種含有列形隔墊物液晶層的簡化模型

[摘 要] 本文考慮了LCD液晶層中列形隔墊物的作用，將液晶層視為一種復合材料層，求解了其材料參數的理論值，并利用有限元分析軟件ANSYS建立數值模型進行了檢驗。結果表明，在溫度變化時本文對含有列形隔墊物的液晶層進行的簡化是可行的。

[關鍵詞] LCD；隔墊物；有限元分析

[中圖分類號] TN141.9 [文獻標識碼] A

1 引言

隨著科學技術的日趨高速發展，近年來液晶顯示屏（LCD）被廣泛地應用于各類電子產品中，并逐漸取代了傳統顯示屏。由于液晶顯示屏具有微功耗、無輻射、不閃爍、重量輕、體積小等獨到優異的特性，因此液晶顯示技術被廣泛地用于工業、商業以及軍事等各領域的電子產品中，如：電視機、計算機、手機、數字相機和軍用儀器儀表上的液晶顯示屏等[1]。

液晶顯示屏是一個復雜的層合結構，主要由玻璃基板、液晶層、偏振片等部分組成。其中的液晶層主要是由液晶材料和層間隔墊物[2]等構成的，由于液晶層厚度一般在幾微米，大約只有玻璃基板的1/100，又由于液晶屏本身的復雜結構使得液晶屏的研究成為一個難題，因此合理的簡化液晶層就具有實際的意義。現有對液晶屏方面的研究主要有屏幕的加固以及溫度作用下的分析等[3-4]。文獻[4]中的液晶層未考慮其中隔墊物的作用，這不符合液晶層的結構特點。本文綜合考慮層中液晶和隔墊物的作用，采用復合材料力學方法進行分析，旨在為液晶屏的研究提供幫助。

2 理論分析

液晶屏各部分的材料參數，如表1所示。根據圖1a中列形隔墊物的分布形式，取圖1b中的體積代表單元，圖1中深色的為隔墊物，淺色的為液晶。根據復合材料力學中的分析方法[5]，將其簡化為一種均質材料，得到材料參數的理論值分別為：

E1=3.0MPa，E2（=E3）=24.0GPa，v31（=v21）=0.18，v13（=v12）≈0，v23（=v32）=0.23，G31（=G12）=1.15MPa，G23=9.96GPa，α1=175.2×10-6℃-1，α2=（=α3）=8.31×10-6℃-1。

3 液晶層有限元模型分析

建立液晶層的二維模型，檢驗熱膨脹系數理論值的有效性。由于液晶和玻璃隔墊物是兩種不同的材料，因此在兩者交界的邊緣處，應力的變化會比較劇烈，而中間部分的位移分布會比較均勻。為此，根據圖1b所示的結構，建立邊長為480 μm的二維分析模型，如圖2所示，是由液晶和玻璃隔墊物所組成的非均質液晶層模型，設x方向為液晶層寬度方向，z方向為液晶層厚度方向。

選用四節點四邊形的Plane42單元[6]，如圖3所示，令x=0，z=0邊界法線方向的位移為0，令溫度的改變量為Δt=20 ℃，讀取模型中間處沿x、z方向的位移值，求得熱膨脹系數的有限元值，與理論值的比較列于表2。

由表2可見，熱膨脹系數的理論值和有限元值吻合良好，誤差較小。

4 液晶屏有限元模型分析

建立二維的液晶屏模型，圖4所示為簡化的液晶屏模型結構及各部分的幾何尺寸。如圖5所示，模型尺寸為20 mm×1.008 mm，兩層玻璃基板厚度均為0.5 mm，中間液晶層厚度為0.008 mm，各層長度均為20 mm；其中圖5a的二維非均質模型的液晶層是由隔墊物和液晶構成的非均質層，圖5b的二維均質模型的液晶層采用本文中簡化的均質材料層。

在二維非均質模型液晶層下表面z=0邊界處沿z方向施加位移約束，在模型左端x=0邊界處沿x方向施加位移約束。取0 ℃為參考溫度，令溫度上升30 ℃，模型各部分的材料參數取表1中相應的數值。

均質模型與非均質液晶層模型的約束條件和溫度變化情況相同，僅將液晶層的材料參數設定為根據復合材料力學方法求得的理論值。圖6所示為網格劃分情況。

為檢驗模擬結果，如圖7所示，分別讀取非均質模型和均質模型相同位置處沿x、z方向的位移，點的位置位于x=12 mm處，分別取液晶層上中下表面和玻璃基板上表面的點作為比較對象，兩種模型各點位移的比較結果列于表3中，表中的誤差為均質模型相對于非均質模型的。

由表3可見，均質模型和非均質模型相應位置各點處的位移吻合良好，誤差均在0.1%以內。

5 總結

本文將由液晶和一種列形玻璃隔墊物構成的液晶層視為一種均質材料層，通過ANSYS有限元計算軟件建立二維液晶層模型對此簡化模型的熱膨脹系數進行了檢驗，建立了液晶屏的二維均質和非均質模型并對兩種模型中相同位置點的位移進行了比較，結果表明在溫度變化時本文建立的簡化模型是可行的。

參考文獻：

[1]毛學軍.液晶顯示技術[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2]張麥麗，王秀峰，張方輝等.液晶顯示器用隔墊物的研究現狀與最新進展[J].液晶與顯示，2004，19（1）：24-29.

[3]曹允，王勇，范彬等.加固液晶顯示器關鍵技術[J].光電子技術，2011，31（2）：73-77.

[4]華懿魁，馮奇斌，牛紅林.加固液晶顯示器高溫環境下熱應力探究[J].現代顯示，2012，（7）：38-44.

[5]沈觀林，胡更開.復合材料力學[M].北京：清華大學出版社，2006：230-252.

[6]薛鳳先，胡仁喜，康士廷.ANSYS 12.0機械與結構有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010：130-160.

作者簡介：孫鵬（1987-），研究生，研究方向：固體力學。