機(jī)載TFT-LCD加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析*

趙玉冬，趙小珍

(1. 中航華東光電有限公司， 安徽 蕪湖 241002； 2. 特種顯示技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002;3. 安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002)

機(jī)載TFT-LCD加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析*

趙玉冬1,2,3，趙小珍1,2,3

(1. 中航華東光電有限公司， 安徽 蕪湖 241002； 2. 特種顯示技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002;3. 安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002)

為了滿足機(jī)載液晶顯示器在低溫環(huán)境下快速啟動(dòng)及正常顯示的要求，對顯示器進(jìn)行了低溫加熱設(shè)計(jì)及仿真分析。首先，從理論上計(jì)算了LCD顯示器所需的加熱功率和加熱器面電阻值。然后，建立了有限元分析模型，通過有限元分析對液晶顯示器進(jìn)行了低溫加熱仿真，得出了顯示器屏組件的溫度分布云圖以及極值點(diǎn)的溫度變化曲線。最后，分析了顯示器溫差產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明，對于20.1 inch機(jī)載液晶顯示器,在低溫-40 ℃環(huán)境下，加熱功率大于210 W才能保證顯示器大部分區(qū)域在5 min內(nèi)正常顯示。

機(jī)載液晶顯示器；加熱功率；有限元分析；溫度分布云圖

引 言

機(jī)載液晶顯示器需要在高低溫、振動(dòng)、沖擊等環(huán)境下工作,因此需要對普通顯示器進(jìn)行加固，從多方面提高顯示器的環(huán)境適應(yīng)性。加固型液晶顯示器的核心部件為液晶屏[1-4]，液晶在不同電壓作用下呈現(xiàn)不同的光特性。但液晶材料也有一定的工作范圍，在低于-20 ℃時(shí)，液晶的粘度明顯增加，光電效應(yīng)急劇減弱，具體表現(xiàn)在顯示畫面變色、對比度降低、亮度變暗、動(dòng)態(tài)畫面“拖尾”等現(xiàn)象。溫度更低時(shí)，液晶態(tài)消失，畫面無法顯示，不能滿足軍用機(jī)載顯示的要求。

為解決這一問題，目前的通用方案是采用一種ITO加熱器，通過光學(xué)膠粘接在液晶屏上，對液晶屏進(jìn)行加熱。加熱電壓一般選擇機(jī)載28 V，因此可以通過選擇不同的面電阻來確定加熱功耗，控制加熱功效。如果加熱功耗較低，液晶屏溫度上升較慢，需要較長的加熱時(shí)間才能達(dá)到正常工作溫度范圍；如果加熱功耗過高，液晶屏溫度上升較快，可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到正常工作溫度范圍。但在加熱過程中，加熱功耗較大時(shí)會產(chǎn)生較大的溫沖(尤其是對大尺寸液晶屏)，導(dǎo)致加熱

器或液晶屏開裂。

本文根據(jù)機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境要求，計(jì)算了20.1 inch液晶顯示器所需的功耗，進(jìn)行了有限元建模及仿真分析，得到了顯示器的溫度分布云圖，并分析驗(yàn)證了加熱效果。

1 液晶顯示器加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使機(jī)載液晶顯示器具有強(qiáng)光可視、抗振動(dòng)沖擊、低溫工作等功能，在液晶屏前端粘接一濾光片，后端粘接加熱器，三者加固成一個(gè)整體組件[5]，以增強(qiáng)液晶屏在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力。液晶屏組件如圖1所示。

圖1 液晶屏組件

要求液晶顯示器可在-40 ℃環(huán)境下5 min內(nèi)正常工作。所選用的20.1 inch液晶屏可在-20 ℃以上正常工作，因此需要將屏組件加熱到-20 ℃以上。預(yù)估加熱功耗為:

Q=P× Δt×η=M×Cp× ΔT

(1)

式中：Q為熱量；P為加熱功率；Δt為加熱時(shí)間；η為熱轉(zhuǎn)換效率；Cp為比熱容；M為屏組件質(zhì)量；ΔT為溫度變化。

屏組件質(zhì)量M為2.25kg，從低溫-40℃加熱到-20 ℃時(shí)所需熱量Q=30 240 J?？紤]到屏組件的輻射、傳導(dǎo)等熱量流失，取η值為0.6，此時(shí)P=210 W。

所需加熱器的電極電阻為：

R=U2/P

(2)

式中：U為加熱電壓，取值為28 V；R為加熱電阻, 此時(shí)R= 3.8 Ω。

所需加熱器的面電阻為：

(3)

式中：Rsq為面電阻；ρ為電阻率；D為電阻的厚度；L1為加熱器長度，取值420 mm；L2為加熱器寬度，取值320 mm，此時(shí)Rsq為5 Ω。

因此，選擇面電阻為5 Ω的加熱器可以滿足設(shè)計(jì)需求。

2 液晶顯示器仿真模型建立

2.1 有限元模型建立

20.1 inch液晶顯示器主要由加固液晶顯示屏(AMLCD)組件、LED背光組件、屏溫控制組件、按鍵導(dǎo)光板以及結(jié)構(gòu)組件組成。在低溫下，熱源除加熱器外還有LED背光組件，此部分功耗較小，且距液晶屏較遠(yuǎn)，在分析時(shí)忽略此部分熱量的影響。產(chǎn)品三維模型如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品三維模型

分析軟件能直接打開已有的CAD模型進(jìn)行熱分析，然而CAD模型通常包含更多用于制造的細(xì)節(jié)，諸如螺孔、螺釘、小的倒圓角、小的特征等。如果熱分析模型中包含這些細(xì)節(jié)，則網(wǎng)格就會急劇增長，不過這些特征對計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)，因此可以對模型做一些簡化。在簡化的時(shí)候，同樣需要考慮實(shí)際模型的傳熱和流動(dòng)問題。在不影響分析結(jié)果的情況下，對模型進(jìn)行如下簡化處理：1)去掉把手、小壓塊、螺釘、柔性帶等對計(jì)算結(jié)果的影響可忽略不計(jì)的零件；2)去掉倒角、部分減重槽、螺紋等特征。運(yùn)用ANSYS 15.0軟件，采用四面體結(jié)合的網(wǎng)格劃分方式對模型進(jìn)行網(wǎng)格化分。簡化后的模型及有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 材料參數(shù)

在實(shí)際工作時(shí)，液晶顯示器屬于自然對流散熱，需設(shè)置各零部件材料屬性。液晶顯示器結(jié)構(gòu)件材料為鋁合金，印制板材料為FR-4，濾光片、液晶屏和加熱器材料為玻璃，模組材料為PC，導(dǎo)光板材料為PMMA，光學(xué)膠材料為多晶硅。忽略其余輔助材料的影響，各主要材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

3 液晶顯示器仿真模型優(yōu)化

建立分析模型時(shí)刪除了部分小零件，簡化了零部件特征，對分析結(jié)果有一定的影響，同時(shí)難以確定一些材料在低溫下的特性。為保證分析結(jié)果的正確性，需要在低溫下對液晶顯示模塊進(jìn)行溫度測量，將測量值與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比，并優(yōu)化仿真模型，使分析值更真實(shí)有效。

使用2臺溫度測試設(shè)備，分別將傳感器貼在顯示屏表面A點(diǎn)及B點(diǎn)處。溫度傳感器的分布如圖4所示。

圖4 溫度傳感器分布圖

把液晶顯示模塊與檢測設(shè)備感溫探頭一起放置在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，箱內(nèi)溫度達(dá)到-40 ℃并保溫30 min。然后打開加熱電源，加熱電壓設(shè)置為28 V，加熱電流設(shè)置為7.5 A。5 min后記錄測試值，測試值與分析結(jié)果的對比見表2。

表2 試驗(yàn)與分析結(jié)果對比℃

位置試驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)果誤差A(yù)點(diǎn)-1．518．019．5B點(diǎn)-28．5-21．57．0

從表2可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果有一定的誤差，分析值高于試驗(yàn)值，最大誤差達(dá)19.5 ℃。分析發(fā)現(xiàn)，仿真模型幾何結(jié)構(gòu)與實(shí)際比較符合，軟件接觸設(shè)置及網(wǎng)格劃分合理，因此判斷參數(shù)設(shè)置有較大誤差，需進(jìn)一步優(yōu)化。表1中的部分材料屬性可從分析軟件模型庫中得到，有些常用材料的參數(shù)可以通過文獻(xiàn)獲得，而有些材料(如光學(xué)膠)經(jīng)過了實(shí)際測試，因此可以排除材料參數(shù)設(shè)置的問題。在低溫下輻射率與實(shí)際工作狀態(tài)有關(guān)，很難獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，而輻射率對仿真結(jié)果有較大影響。通過修改仿真模型中輻射率的參數(shù)，對仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，最終確定輻射率為0.55時(shí)與測試結(jié)果比較相近，分析優(yōu)化后的結(jié)果對比見表3。最大誤差在10 ℃之內(nèi)，保證了仿真結(jié)果的精確度。

表3 優(yōu)化后結(jié)果對比 ℃

位置試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化后結(jié)果誤差A(yù)點(diǎn)-1．53．04．5B點(diǎn)-28．5-35．57．0

4 分析結(jié)果及討論

需對液晶顯示器進(jìn)行低溫試驗(yàn)，以保證其能在-40 ℃環(huán)境下5 min內(nèi)正常工作。液晶顯示器采用定流加熱方式[6]，當(dāng)傳感器探測溫度大于0 ℃時(shí)，控制電路停止加熱。根據(jù)計(jì)算，在5 min內(nèi)顯示器為全功率加熱，加熱功耗為210 W。當(dāng)環(huán)境溫度為-40 ℃、加熱功耗為210 W時(shí)，液晶屏上的溫度分布如圖5所示。

圖5 溫度分布結(jié)果

液晶屏上溫度最高點(diǎn)及溫度最低點(diǎn)在5 min內(nèi)的溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 溫度變化曲線

從圖5和圖6可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為-40 ℃并采用全功耗加熱5 min時(shí)，液晶屏組件的整體溫度較高，顯示面積80%區(qū)域的溫度在-20 ℃以上，液晶屏大部分區(qū)域可正常工作。液晶屏溫度最高點(diǎn)在屏中心位置，溫度為3.3 ℃，液晶屏周邊及四角溫度較低，最低溫度為-34.4 ℃。在整個(gè)加熱過程中液晶屏中心位置溫度上升較快，隨著加熱時(shí)間的持續(xù)，增幅越來越小。四角處溫度一直較低，且增長緩慢。

加熱至5 min時(shí)，液晶屏中心溫度與四角處溫度差為37.7 ℃。加熱過程中溫差較大的原因分析如下：

1)加熱器是均勻面電阻，在各單位面積上發(fā)熱量相等，在加熱過程中熱量會向中部積聚，其結(jié)果為中部溫升較大。

2)由于屏組件周邊固定在結(jié)構(gòu)件上，因此熱量可以通過結(jié)構(gòu)件傳導(dǎo)，再輻射到低溫環(huán)境中，使周邊保持較低溫度。

5 結(jié)束語

本文給出了一種液晶顯示器低溫加熱功耗計(jì)算方法，通過計(jì)算，確定了20.1inch液晶顯示器能在-40 ℃環(huán)境溫度下5 min內(nèi)正常顯示，所需功耗為210 W。通過有限元分析，模擬出液晶顯示器的溫度分布及溫度極值點(diǎn)隨加熱時(shí)間的溫度變化曲線。分析結(jié)果表明：在顯示面積中部80%區(qū)域的溫度在-20 ℃以上，液晶屏可正常顯示；在邊角區(qū)域溫度較低，無法正常顯示。液晶屏中心溫度與四角處溫度差為37.7 ℃，本文對造成溫差的原因也進(jìn)行了分析。此方法對液晶顯示器低溫加熱設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

[1] 蔣愛國, 夏顯忠, 胡元?jiǎng)? 液晶顯示器加固技術(shù)探討[J]. 液晶與顯示, 2002, 17(4): 292-296.

[2] 王杰, 劉小平, 顧適夷, 等. 一種超大尺寸多功能機(jī)載液晶顯示器設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2011, 27(4): 28-32.

[3] 吳紅. 輕型液晶顯示器的加固技術(shù)[J]. 電子機(jī)械工程, 2007, 23(2): 18-21.

[4] 黃子強(qiáng). 液晶顯示原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008.

[5] 鐵斌, 余雷. LCD顯示器低溫加固方案設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2006, 26(7): 98-100.

[6] 黃衛(wèi)民, 范軍. 加固液晶顯示器自動(dòng)控溫技術(shù)[J]. 指揮控制與仿真, 2007, 29(5): 108-109.

趙玉冬(1980-)，男，工程師，主要從事液晶顯示器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

趙小珍(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事系統(tǒng)集成、測控技術(shù)、光電顯示等方面的研究工作。

Design and Analysis of Heater System for Airborne TFT-LCD

ZHAO Yu-dong1,2,3，ZHAO Xiao-zhen1,2,3

(1.AVICHuadongPhotoelectricCo.,Ltd.,Wuhu241002,China；2.NationalEngineeringLaboratoryofSpecialDisplayTechnology,Wuhu241002,China;3.KeyLaboratoryofModernDisplayTechnology,Wuhu241002,China)

In order to meet the requirement of the airborne TFT-LCD to start fleetly and display normally under low environment temperature, the heater system of TFT-LCD is designed and simulation analysis is carried out in this paper. Firstly, the power and area resistor value of the heater required by TFT-LCD are calculated. Secondly, the finite element analysis model is established and the heater simulation under low environment temperature for TFT-LCD is carried out. As a result, the temperature distributed nephogram and the change curve of the temperature absolute extremum are presented. Finally, the reasons for temperature difference are analyzed in this paper. The experiment result shows that the heater power must be higher than 210 W under -40 ℃ for 20.1 inch airborne TFT-LCD so that a majority of TFT-LCD area can display normally within 5 minutes.

airborne TFT-LCD; heater power; finite element analysis; temperature distributed nephogram

2016-06-29

TN141.9

A

1008-5300(2016)04-0035-04