基于多區域ITO膜的大尺寸LCD低溫加熱研究

余承東楊勁松梁監天牛永鵬（1.特種顯示技術國家工程實驗室、特種顯示技術教育部重點實驗室、省部共建現代顯示技術國家重點實驗室，安徽 合肥230009；2.合肥工業大學 光電技術研究院，安徽 合肥 230009；3.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009；4.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002）

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基于多區域ITO膜的大尺寸LCD低溫加熱研究

余承東1，2，3楊勁松1，2梁監天1，2，3牛永鵬1，4
（1.特種顯示技術國家工程實驗室、特種顯示技術教育部重點實驗室、省部共建現代顯示技術國家重點實驗室，安徽 合肥230009；2.合肥工業大學 光電技術研究院，安徽 合肥 230009；3.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009；4.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002）

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個非等分的分區加熱結構，通過調控各區域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，優化液晶顯示器的溫度場分布。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內達到快速啟動要求，在500s內達到一個相對穩定的溫度（-5℃），同時各區域中心溫差保持在2℃以內，較好地解決了大尺寸液晶顯示器低溫加熱不均勻的問題。

關鍵詞：低溫加熱；ITO膜；分區加熱；大尺寸LCD

液晶顯示器（Liquid Crystal Display，簡稱LCD）具有體積小、質量輕、功耗低、電磁兼容性好等突出優點，已經成為主流的顯示器件。由于液晶分子在低溫環境下粘度系數加大，會導致響應時間變長，圖像產生嚴重拖尾，不能正常顯示，導致LCD普遍存在低溫環境下工作性能差，甚至不工作的現象。

針對LCD在低溫環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進行低溫加熱補償。當電流流過ITO膜時，ITO膜本身電阻產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。目前常用的單區域ITO加熱方式其溫度場均勻性會隨著LCD尺寸的增大而下降，局部區域會產生過熱或欠熱現象，嚴重時甚至引起LCD及ITO加熱元件的炸裂。

針對上述問題，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，優化溫度場分布，使大尺寸LCD顯示器能夠在低溫環境下快速啟動并穩定工作。

1 理論優化設計

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玻璃對其進行加熱。將ITO加熱片按長度3∶2∶2∶2∶3的比例分成五個區域。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%時各加熱區域溫度場分布及中心點的溫度上升曲線，如圖1所示。

圖1 電壓135V，功率占空比30%下模擬各加熱區域溫度場及溫度上升曲線圖

圖2 分區域ITO加熱片的結構示意圖

圖3 電壓135V，功率占空比30%各區域溫度上升曲線

表1 加熱片各區域電阻值

由圖1可以看出，非等分各區域間的溫度差在4℃以內，該數據較以往單區域加熱的溫度場分布更均勻。

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個非均勻的加熱區域。再將納米銀漿均勻地涂覆在5個分區的邊緣部分，用航空導線將電極引出，如圖2所示。測試各分區的電阻值，見表1。

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。

從圖3中可以看出，當加載電壓為135V，占空比為30%時，五個區域溫差不大，中間區域溫度稍高，最大溫差在4℃～5℃左右。由于加熱片產生的熱量和散失的熱量相當，隨著溫度升高，各區域最后都能保持在一個相對穩定的溫度，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“2℃”的設定閾值時，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，模塊各顯示區域間的升溫曲線。

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，LCD顯示器表面溫度能夠在300s內由-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域間溫差增大，因此選用12%作為加熱前段快速升溫時的功率占空比。

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模塊的溫度曲線圖。

由圖6可知，當加熱后段功率占空比為2%時，LCD模塊溫度場不能保持在一個穩定值；在4%、6%和8%的功率占空比下LCD溫度場分別保持在-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℃以內，更適合實際應用。

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分布不均勻等問題，設計并制備了具有5個非等分區域的大尺寸LCD加熱片。通過對各加熱區域的功率占空比進行分段控制調節，使大尺寸特種LCD模塊能夠快速升溫，且各區域升溫曲線相對一致，并通過溫度傳感器在各區域之間建立溫差反饋自動調節電路，使各區域間的溫度差控制在2℃以內，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，大尺寸LCD模塊在300s內達到正常工作溫度，并且在500s時溫度維持在一個相對穩定的值（-5℃），同時將各區域的溫度差控制在2℃以內。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、爆屏等問題，升溫速度更快，溫度場分布更均勻，可靠性更高，具有重要的實際應用意義。

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圖4 特種液晶顯示器模塊示意圖

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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

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圖6 后段占空比為2%、4%、6%、8%特種LCD模塊溫度曲線圖

中圖分類號：TN249

文獻標識碼：A

基金項目：國家自然科學基金（No.21174036）；國家高技術研究發展計劃（863計劃）（No.2012AA011901）；科技部973計劃前研專項（No.2012CB723406）。