基于TRIZ的大尺寸平板電腦屏幕水霧問題改善

羅 翔 馬 林 王 瑤 袁西平

(1.廈門理工學院 光電與通信工程學院,福建 廈門 361024；2.萬利達集團有限公司，福建 漳州 363000)

0 引言

大尺寸平板電腦屏幕出現(xiàn)水霧是很常見的一個問題，原因可能來自環(huán)境因素也可能由于生產過程中的組裝失誤。目前國內外解決此問題采用的是全貼合技術，然而這一技術帶來的問題就是成本很高。想要降低成本，并減少水霧問題的發(fā)生，本文利用TRIZ研究解決此問題的創(chuàng)新方案。

如今TRIZ是創(chuàng)新設計方法中最常見的一種理論方法，其含義就是發(fā)明問題解決理論。由于人類進入工業(yè)化社會，已經產生了無數(shù)的發(fā)明創(chuàng)作，設計了各種機械設備，而這些發(fā)明的創(chuàng)新過程是一個普遍的規(guī)律。理性使用TRIZ可以大大加快創(chuàng)造發(fā)明的過程，并獲得高質量的創(chuàng)新產品；幫助我們系統(tǒng)分析問題，快速發(fā)現(xiàn)性質或矛盾，并確定問題的研究方向，最終提出符合要求的最優(yōu)方案。

1 描述問題

平板電腦開機一段時間以后，整機中觸摸屏內側局部區(qū)域出現(xiàn)水霧。這種現(xiàn)象會影響顯示效果，使用戶看不清楚液晶屏幕顯示的內容，也無法屏幕觸控。

(1)該問題的產生原因：濕冷環(huán)境下，空氣濕度70%以上，開機約20分鐘易出現(xiàn)，多發(fā)在梅雨季節(jié)。

(2)采用的解決方案：整機生產過程中，控制生產車間的環(huán)境濕度，空氣濕度控制在60%之下。安全生產防靜電的要求，濕度不能小于50%。生產管控文件約定：生產環(huán)境的空氣濕度控制在50%～60%。

(3)解決方案的缺點：在工廠生產環(huán)節(jié)，通過控制生產過程中環(huán)境，解決了水霧問題。但是整機到終端用戶手上，在特定環(huán)境下(氣候濕冷的地區(qū)和氣溫潮濕的梅雨季節(jié))，還是會有出現(xiàn)?？蛻魧@種現(xiàn)象不理解，普遍會認為是質量問題，可能導致客戶投訴。

(4)目前類似問題的解決方案：采用全貼合工藝，把液晶屏幕和觸摸屏通過水膠貼合到一起，此方案缺點就是成本高，整機成本增加5%左右。

(5)公司對此問題的要求：成本不能增加太多，工藝方面要容易實現(xiàn)，對于結構的變更要少。

了解上述問題后，就可以利用TRIZ對該問題進行分析和創(chuàng)新設計。

2 分析問題

2.1 TRIZ解題步驟

TRIZ解決創(chuàng)新問題的想法是使用科學的問題來解決方法，具體方法是將特殊問題歸因于TRIZ常規(guī)問題，然后應用TRIZ里通用的創(chuàng)新理論和算法尋求標準解決方案，在此基礎上形成初始問題具體解決方案,具體的解題步驟流程[1]如圖1所示。在描述問題，進行功能組件、功能組件矩陣、功能組件模型分析后，進行根本原因分析。根本原因分析就是對整個問題的內在因果關系進行邏輯上的順序分析，從問題到答案，再結合解決問題分析中的技術矛盾創(chuàng)新原理、物理矛盾分離方法和物場模型標準解法等進行分析，最終得到一系列方案，然后進行方案評價。如果沒有得到比較好的方案則返回到分析問題，重新進行分析；相反則根據(jù)實際情況選出比較好的方案。

圖1 解題流程

2.2 功能組件分析

在TRIZ中，組件分析主要目的是尋找技術系統(tǒng)內部組件與組件之間相互作用的功能屬性。通過分析找到了如表1所示的超系統(tǒng)組件和系統(tǒng)組件。在現(xiàn)有方案中，全貼合技術中僅僅是針對觸摸屏和液晶屏進行了創(chuàng)新設計，改變其他系統(tǒng)組件也可以對改善屏幕水霧問題有幫助，因此可從這些方面切入找到創(chuàng)新點和解決方案。

表1 功能組件表

2.3 組件關系矩陣

組件關系矩陣是對關系的一種刻畫，即對于兩個集合之間的某個關系，能清楚地表明此二集合的任意元素是否有此關系的數(shù)字矩陣。畫出組件的關系矩陣來反映出各組件的相互作用的情況，如圖2所示，然后分析各個結點，可以看出圖中有13個節(jié)點相互作用：①后殼對前殼的支撐作用；②后殼對中框的支撐作用；③前殼對觸摸屏的黏著作用；④觸摸屏對防塵泡棉的壓縮作用；⑤液晶屏幕對觸摸屏光輻射的不足作用；⑥觸摸屏對電路控制系統(tǒng)電信號傳遞的作用；⑦觸摸屏對空氣附著的有害作用；⑧防塵泡棉對液晶屏幕的支撐作用；⑨防塵泡棉限制空氣流動不足；⑩液晶屏幕對中框的支撐作用；電路控制系統(tǒng)對液晶屏幕提供電能；液晶屏幕加熱空氣具有過度作用；中框對電路控制系統(tǒng)起到支撐作用。其中組件之間的相互作用有充分的作用、不足的作用、有害的作用、過度的作用。

圖2 組件關系矩陣

2.4 功能模型

經過對組件關系矩陣和組件之間相互作用的分析，經過繪圖得到了如圖3所示的功能模型圖，其中直線表示充分作用，波浪線表示有害作用，虛線表示不足作用，+線表示過度作用，箭頭表示方向。

通過組件功能模型圖分析，可得出導致產生水霧的幾個功能因素：①液晶模組對于夾層空氣具有加熱的功能(過度)；②外界的空氣對于觸摸屏具有冷卻的作用(有害)；③觸摸屏對液晶屏幕和觸摸屏之間的夾層空氣有冷卻的作用(不足)；④夾層的空氣中的水汽對觸摸屏具有粘附的作用(有害)；⑤防塵泡棉限制夾層空氣的流通(不足)。

圖3 功能模型

2.5 根本原因分析

通過對功能模型圖的分析理解，得到四個結果，從結果到原因，一步步尋找引發(fā)問題的根本原因，即是常說的因果分析法，通過分析可以得到如圖4所示的因果關系圖。

這4條因果鏈條最終都導致TP內側出現(xiàn)了水霧，造成TP對人信息傳遞不足。針對這4條因果鏈條，利用物場模型標準解法、物理矛盾分離方法和技術矛盾創(chuàng)新方法進行分析。

圖4 因果關系

3 解決問題

3.1 物場模型分析

物場模型是由根里奇·阿奇舒勒于1979年提出的, 一般用在分析問題時描述帶有問題的系統(tǒng)。物場模型是一種使用符號表達技術系統(tǒng)變換的建模技術, 它以解決問題中的各種矛盾為中心, 通過建立一種模型描述系統(tǒng)內的問題, 旨在用符號語言清楚地描述系統(tǒng)構成要素及構成要素之間的相互聯(lián)系[2]。針對問題“1.1 TP內側表面張力；2.TP和水蒸氣有溫度差”這一問題可以使用物場模型對問題進行分析。

(1)明確問題發(fā)生的位置：觸摸屏和夾層空氣接觸的位置。

(2)確定問題物場模型，如圖5所示，可以看出夾層的空氣中的水汽對觸摸屏具有粘附的作用是有害的。

圖5 觸摸屏與夾層空氣接觸的物場模型

(3)根據(jù)規(guī)律得到解決方案物場模型，如圖6所示采用標準解：兩個子級有13個標準解里應用“引入S3，消除有害因素”的標準解來解決空氣中的水汽對觸摸屏的有害作用。

圖6 用標準解解決后的物場模型

用物場模型解決TP和水蒸氣有溫度差的問題，解決方案就是引入S2觸摸屏變形物質，在觸摸屏中增加使用透明材質制作的電阻絲，加熱TP。

解決思路：S2變形，現(xiàn)在低溫，變?yōu)榕c夾層空氣溫度接近。

方案1：觸摸屏中，增加使用透明材質制作的電阻絲。設計電路，電阻絲通電后發(fā)熱，加熱觸摸屏；觸摸屏溫度高，就不會對夾層空氣冷卻。張少波[3]等人已研究過這種技術，其主要科技內容有：開發(fā)了超薄ITO導電膜玻璃低溫成膜技術。自主設計了真空泵抽氣口緩沖過濾裝置，有效降低了腔體中水汽含量，保證了腔體內部的真空度；開發(fā)了真空狀態(tài)下玻璃表面均衡的加熱技術，解決溫度引起的玻璃變形，實現(xiàn)了高溫精確監(jiān)控，保證ITO薄膜的光學特性和導電性能。

解決思路：S2變形，變形為提高表面張力。

方案2：在觸摸屏內側，增加一層防霧膜。這種膜是種透明的PET膜。具有比較高的表面張力。可以使得水滴形狀變更為水膜，改變視覺上的效果。解決TP內側表面張力的問題，引入S2觸摸屏變形物質，在觸摸屏內側增加一層防霧膜。防霧膜的產品構造如圖7所示。

圖7 防霧膜產品構造

3.2 物理矛盾分析

物理矛盾通俗講便是在整個技術系統(tǒng)中，對產品中的一個參數(shù)有著對應不同的要求，如長與短、大與小，因此產生了矛盾，這里就稱為物理矛盾。針對問題“4.1泡棉阻礙空氣”采用物理矛盾方法求解。對物理矛盾進行提問如下：

Step 1：定義物理矛盾？

參數(shù)： 防塵泡棉的密度。

要求1：降低密度，提高空氣的流通性；

要求2：增加密度，防止灰塵進入機器。

Step 2：如果想實現(xiàn)技術系統(tǒng)的理想狀態(tài)，這個參數(shù)的不同要求應該在什么空間得以實現(xiàn)？

空間1： 整機所有的使用環(huán)境；

空間2： 整機所有的使用環(huán)境。

Step 3：以上兩個空間是否交叉？

交叉，無法通過空間分離方法解決。

Step4：如果想實現(xiàn)技術系統(tǒng)的理想狀態(tài)，這個參數(shù)的不同要求應該在什么時間得以實現(xiàn)？

時間1：整機使用的所有時間段；

時間2： 整機使用的所有時間段。

Step5：以上兩個時間是否交叉？

交叉，無法使用時間分離解決。

Step6：如果想實現(xiàn)技術系統(tǒng)的理想狀態(tài)，這個參數(shù)的不同要求應該在什么條件時間得以實現(xiàn)？

條件1：從機器內部到外部空氣流動要快；

條件2：從機器外部到內部要求防塵和空氣流動差。

Step5：以上兩個條件是否交叉？

不交叉，因此在使用空氣流動方向這個條件下，可以把這兩個從機器外部到內部要求防塵和空氣流動差，而從機器內部到外部空氣流動要快的需求分離，通過上述分析問題，最終采用條件分離的方式解決。

方案3：更改防塵泡棉的外形參數(shù)。最終根據(jù)實際可操作情況，防塵泡棉按照如圖8所示方式設計(圖示為局部)。其工作原理是改變泡棉的通道形狀使外部到內部的空氣流動性受阻、內部到外部的空氣順利流通。

圖8 改變防塵泡棉的外形

3.3 技術矛盾分析

技術矛盾指技術系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間存在相互制約，是在提高技術系統(tǒng)的某一參數(shù)時，導致了另一個參數(shù)的惡化而產生的矛盾。所以設計人員或者技術人員在面對技術系統(tǒng)做出改善的時候，不僅是要考慮兩個參數(shù)方面相互影響的后果，還有對最終成果預期值的判斷。為此，TRIZ理論提供了39個通用技術參數(shù)，用來對問題進行分析，每種參數(shù)都對應不同的矛盾，由此還有40個發(fā)明原理，以便在后續(xù)解決問題和創(chuàng)新過程中，又能夠依據(jù)TRIZ理論體系。同時為了提高效率和矛盾間的關聯(lián)性，創(chuàng)建了矛盾矩陣，這個矩陣提供了不同參數(shù)的技術矛盾和發(fā)明原理之間的問題解決原理推薦，幫助設計人員在處理矛盾時選擇合適的發(fā)明原理[2]。針對問題“4.2缺乏讓空氣流動的裝置”可以采用技術矛盾方法求解。對技術矛盾進行提問如下：

Step 1：問題是什么？

液晶模組對于夾層空氣具有加熱的功能。

Step 2：現(xiàn)在有什么解決辦法？

降低液晶模組的溫度(降低液晶模組中LED的電流)。

Step 3：上述的方法有什么缺點？

物體會產生有害因素。

找到技術矛盾，且根據(jù)改善和惡化查找矛盾矩陣表中對應的發(fā)明原理結果。其改善的條件是溫度，惡化的條件是物體產生有害因素，通過查找矛盾矩陣表找了對應的發(fā)明原理35、24、22、2這4個。最后利用知識庫思考找到新的創(chuàng)新方案，結果如表2所示。根據(jù)上述改善方案各產生不同的確切方案技術。

方案4：后殼邊框區(qū)域開孔。這種方法湯雙才等人就設計過，該技術是通過在殼體中提供對流熱室，對流熱室可以進一步與多個單獨的空腔分離，然后在殼體對應于腔的情況下，下部提供多組流過孔，使得殼體空氣對流可以在體內進行，并且殼體與絕緣構件組合，使得殼體的內壁表面也可以完全涉及整理產品的散熱，所以最終散熱區(qū)域會比一般的產品多3倍以上。

方案5：在后殼特定位置增加風扇散熱。在許多公司研究超小型筆記本電腦時就會利用風扇往外抽風，在殼體出風口的另外一側開進風孔，使得機器內部通過空氣對流進行散熱。這種方法對大尺寸平板電腦來說也是經常用到的。

方案6：對液晶屏的驅動板貼石墨片進行散熱措施。以石墨為原料通過溫和電化學溶脹工藝，常溫常壓下高效制備高質量的石墨烯。液體循環(huán)使用，不用濃硫酸。該工藝具有石墨烯產率高、成本低、能耗低、無污染和可規(guī)?；a的特點。使用該工藝可制備出石墨烯粉、墨和薄膜多種產品。其中石墨烯粉具有單片大，質量好，缺陷少、高度晶化的優(yōu)點，其壓實密度可達2.2g/ml。石墨烯薄膜具有較好的導熱導電和力學性能。其經高溫(1000℃)熱處理后不脆裂，具有良好的拉伸強度[4]。

表2 基于發(fā)明原理的改善方案

方案7： 整機出貨的時候，放干燥劑。保證整機在開箱使用時候，整機內的環(huán)境濕度不要太大。

3.4 技術系統(tǒng)進化法則分析

針對問題“2.2.1 液晶屏的LED發(fā)光發(fā)熱”采用根據(jù)技術系統(tǒng)進化法則二提高理想度法則，液晶模組將會被顯示效率更高的OLED模組替代。OLED模組，顯示粒子是自發(fā)光的，顯示效率更高。目前在LCD模組，液晶粒子是不會發(fā)光，是背光發(fā)光，穿透液晶模組，發(fā)光效率不高，容易產生大量熱量[5]。

方案8：用效率高自發(fā)光的OLED代替效率低背光板發(fā)光的LCD顯示屏。該技術是由北京科技大學李立東教授課題組圍繞白光有機發(fā)光二極管研制中的關鍵問題, 合成了兩種類型的有機白光材料，如聚合物白光材料和有機小分子白色材料，并制備了一層白光OLED 設備，最大亮度大于10000cd/m2，發(fā)光效率大于30鎘/a，壽命大于1500小時，色溫4000～7000k。

4 方案評價及決策

4.1 方案評價

基于TRIZ理論對大尺寸平板電腦屏幕水霧問題改善研究得出了8個方案，但還沒有從需求方面進行分析即滿足成本不多增加、工藝容易實現(xiàn)、結構變更要少這3個方面。對這8個方案進行評價，對應地就可以從經濟性、技術可行性、可生產性3個方面客觀評分進行可行性評估。通過企業(yè)員工對上述方案評價進行總結與打分，最終結果如表3所示。

表3 方案可行性評估表

4.2 方案選擇

在進行可行性分析之后，根據(jù)綜合得分可得出最佳方案3、4、7，分別是更改防塵泡棉的外形參數(shù)、在后殼邊框區(qū)域開孔提高散熱和整機出貨放干燥劑。但除開得分20以下的方案1、8外，其他方案也是值得采納的。各生產商可根據(jù)自身的經濟實力和發(fā)展狀況選擇最優(yōu)方案，本文總結的方案可行性評價表可幫助其在客觀上進行選擇。

5 結語

本文結合TRIZ對改善大尺寸平板電腦屏幕水霧問題進行了研究，取得了創(chuàng)新成果。采用了TRIZ中提出問題、問題分析、解決問題的流程，運用了對事物技術矛盾、物理矛盾和物場模型的分析方法，提出了科學有序的多個設計方案。關于改善大尺寸平板電腦屏幕水霧問題，首先進行了創(chuàng)建模型，根據(jù)所需要的前提畫出組件關系矩陣，構建結構模型和組件功能模型。再根據(jù)組件功能模型，利用TRIZ研究新的創(chuàng)新設計和方案，對這些方案進行可行性分析得到最優(yōu)解決方案。得出的最終方案在降低成本、簡化工藝方面都基本滿足了要求。