多区域ITO膜的大尺寸LCD低温加热研究报告

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。