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[导读]本文以ITO膜作为加热元件,设计制备了大尺寸液晶显示器的低温加热模块。采用5个非等分的分区加热结构,通过调控各区域ITO膜加载功率的占空比和引入反馈调节机制,控制加热区域的升温速率,优化液晶显示器的温度场分布。

摘 要:本文以ITO膜作为加热元件,设计制备了大尺寸液晶显示器的低温加热模块。采用5个非等分的分区加热结构,通过调控各区域ITO膜加载功率的占空比和引入反馈调节机制,控制加热区域的升温速率,优化液晶显示器的温度场分布。在270V电压下,先以12%的功率占空比快速升温,再以6%的功率占空比保持温度,能够使液晶显示器在300s内达到快速启动要求,在500s内达到一个相对稳定的温度(-5℃),同时各区域中心温差保持在2℃以内,较好地解决了大尺寸液晶显示器低温加热不均匀的问题。

液晶显示器(Liquid Crystal Display,简称LCD)具有体积小、质量轻、功耗低、电磁兼容性好等突出优点,已经成为主流的显示器件。由于液晶分子在低温环境下粘度系数加大,会导致响应时间变长,图像产生严重拖尾,不能正常显示,导致LCD普遍存在低温环境下工作性能差,甚至不工作的现象。

针对LCD在低温环境下不能正常工作的情况,采用较多的方式是将镀有ITO(Indium Tin Oxides)膜的玻璃作为加热元件对LCD进行低温加热补偿。当电流流过ITO膜时,ITO膜本身电阻产生的热量传递给与之相贴合的LCD,使其达到正常工作所需的温度要求。目前常用的区域ITO加热方式其温度场均匀性会随着LCD尺寸的增大而下降,局部区域会产生过热或欠热现象,严重时甚至引起LCD及ITO加热元件的炸裂。

针对上述问题,本文拟采用多区域ITO膜的加热结构,调控占空比和引入反馈调节机制,控制加热元件的升温速率,优化温度场分布,使大尺寸LCD显示器能够在低温环境下快速启动并稳定工作。

1 理论优化设计

1.1 加热元件的设计

本文以624mm×240mm尺寸的LCD显示器为研究对象,采用方块电阻为50Ω/□的ITO玻璃对其进行加热。将ITO加热片按长度3∶2∶2∶2∶3的比例分成五个区域。由公式(1)可得到各区域电阻值。

其中,ρ□(Ω/□)为ITO玻璃的方块电阻,l1为ITO加热片分区后各区域的长度,l2为宽度。

1.2 软件仿真

ANSYS软件分析加载电压为135V,功率占空比为30%时各加热区域温度场分布及中心点的温度上升曲线,如图1所示。

图1 电压135V,功率占空比30% 下模拟各加热区域温度场及温度上升曲线图

由图1可以看出,非等分各区域间的温度差在4℃以内,该数据较以往单区域加热的温度场分布更均匀。

2 加热片的制备

采用湿法刻蚀,将ITO基片按比例图案化,得到5个非均匀的加热区域。再将纳米银浆均匀地涂覆在5个分区的边缘部分,用航空导线将电极引出,如图2所示。测试各分区的电阻值,见表1。

图2 分区域ITO 加热片的结构示意图

表1 加热片各区域电阻值

3 测试与分析

3.1 加热片测试分析

如图3所示为加载电压为135V,功率占空比为30%加热片各区域的升温曲线。从图3中可以看出,当加载电压为135V,占空比为30%时,五个区域温差不大,中间区域温度稍高,最大温差在4℃~5℃左右。由于加热片产生的热量和散失的热量相当,随着温度升高,各区域最后都能保持在一个相对稳定的温度,这和软件仿真的结果基本上是吻合的。

3.2 模块测试分析

将多区域加热片和LCD显示器装入图4所示的模块壳体中,其中加热元件和LCD之间为空气层,热量以热对流和热辐射的形式传递。为进一步减小各区域间的温差,我们引入反馈机制,在各加热区域中心安装温度传感器。首先将各区域的温度值取平均,再将各区域温度与平均值作比较。当温差超过“2℃”的设定阈值时,降低或升高相应加热区域的功率占空比,使各区域间的温度分布尽量保持一致。

图4 特种液晶显示器模块示意图

图5所示为加装多区域加热片的特种LCD显示器模块在加载电压为270V,功率占空比分别为8%、10%、12%和14%时,模块各显示区域间的升温曲线。

图5 电压为270V,占空比8%、10%、12%、14% 特种LCD 模块显示各区域升温曲线

由图5可以看出,功率占空比越高,升温越快。功率占空比为12%、14%时,L C D 显示器表面温度能够在3 0 0 s 内由-45℃升到-20℃~-10℃左右。但随着功率占空比增加,14%功率占空比下各显示区域间温差增大,因此选用12%作为加热前段快速升温时的功率占空比。

当温度达到一定值以后,加热后段再采用低功率占空比保持温度。图6所示为加热前段12%加热300s后,再改用以2%、4%、6%和8%作为加热后段功率占空比特种LCD模块的温度曲线图。

图6 后段占空比为2%、4%、6%、8%特种LCD 模块温度曲线图

由图6可知,当加热后段功率占空比为2%时,LCD模块温度场不能保持在一个稳定值;在4%、6%和8%的功率占空比下LCD温度场分别保持在-12℃、-5℃和1℃左右。其中在4%和8%的功率占空比下,LCD的温度场分别有少许的下降和上升趋势;而在6%的功率占空比下,LCD模块各显示区域能保持一个相对稳定的温度值(-5℃),且各区域中心部分的温差保持在2℃以内,更适合实际应用。

结论

本文针对传统单区域ITO加热片在大尺寸LCD模块加热中存在的温度场分布不均匀等问题,设计并制备了具有5个非等分区域的大尺寸LCD加热片。通过对各加热区域的功率占空比进行分段控制调节,使大尺寸特种LCD模块能够快速升温,且各区域升温曲线相对一致,并通过温度传感器在各区域之间建立温差反馈自动调节电路,使各区域间的温度差控制在2℃以内,有效保证了大尺寸LCD模块的加热均匀性。当加载电压270V,加热前段占空比12%,后段占空比6%时,大尺寸LCD模块在300s内达到正常工作温度,并且在500s时温度维持在一个相对稳定的值(-5℃),同时将各区域的温度差控制在2℃以内。该多区域ITO加热片有效解决了传统单区域加热片对大尺寸LCD模块加热不均匀、爆屏等问题,升温速度更快,温度场分布更均匀,可靠性更高,具有重要的实际应用意义。

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