加固屏高溫顯示特性分析

薛亞萍，馮奇斌，嚴 喬，洪 純，呂國強

(合肥工業(yè)大學,a.特種顯示技術教育部重點實驗室； b.特種顯示技術國家工程實驗室；c.現(xiàn)代顯示技術省部共建國家重點實驗室；d.光電技術研究院，合肥 230009)

加固屏高溫顯示特性分析

薛亞萍a,b,c,d，馮奇斌d，嚴 喬d，洪 純d，呂國強d

(合肥工業(yè)大學,a.特種顯示技術教育部重點實驗室； b.特種顯示技術國家工程實驗室；c.現(xiàn)代顯示技術省部共建國家重點實驗室；d.光電技術研究院，合肥 230009)

應用于高溫環(huán)境下的加固液晶屏通常會出現(xiàn)顯示不均問題，嚴重影響顯示效果。針對這個問題，提出了利用試驗和有限元仿真相結(jié)合的方法對加固液晶屏高溫顯示特性進行分析。首先利用有限元仿真軟件對液晶原屏和加固液晶屏進行熱力學仿真，分析液晶層厚度的變化，再對其進行熱力學試驗，并與仿真相對比，最后結(jié)合仿真和試驗結(jié)果得出：出現(xiàn)顯示不均(Mura)現(xiàn)象的位置處液晶層的厚度發(fā)生了明顯的變化，并且隨著液晶層厚度變化增大，Mura現(xiàn)象更明顯；高溫環(huán)境下加固液晶屏較容易出現(xiàn)Mura，且不同廠家的液晶屏出現(xiàn)高溫顯示Mura的概率不同。為了降低高溫環(huán)境下Mura出現(xiàn)的機率，建議對原屏進行篩選。

液晶顯示器； 加固液晶屏； 顯示不均； 液晶層； 有限元仿真

0 引言

液晶顯示(Liquid Crystal Display，LCD)以其體積小、能耗低、顯示質(zhì)量高、輻射小、抗干擾性好等顯著優(yōu)點受到青睞，成為當今主流顯示器[1]。但在航空航天領域，普通液晶屏無法適應振動、強光、電磁、潮濕等惡劣環(huán)境[2]。為了保證液晶屏在特殊環(huán)境下的顯示質(zhì)量，必須對其進行加固。通常采用的加固方法是通過光學膠將普通商用的液晶屏與加固玻璃進行綁定。而當加固屏長時間工作于70 ℃高溫環(huán)境下時，由于加固玻璃、光學膠、液晶盒等原件的熱膨脹系數(shù)和彈性模量的不同將對液晶盒產(chǎn)生額外的應力[3-4]，造成顯示不均(Mura)。但由于液晶屏內(nèi)部的復雜結(jié)構，目前的測試技術和設備無法直接準確測得綁定了加固玻璃后的液晶屏在高溫環(huán)境下的液晶層厚度變化。而近年來隨著計算機運行速度的不斷提高,有限元分析[5-6]在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的應用。于是本文提出采用軟件仿真和試驗相結(jié)合的方法，針對不同廠家液晶屏展開研究，以期幫助生產(chǎn)廠家提高加固良好率。

1 有限元仿真分析

根據(jù)液晶屏顯示原理[7-8]可知LCD的光透過率T為

(1)

式中：Δn表示液晶的雙折射率；d表示液晶層的厚度；λ表示光線的波長；ψ為液晶分子的方位角。從式(1)可看出光透過率與液晶層厚度d有直接聯(lián)系。所以本文試圖通過熱力學仿真和試驗獲得不同溫度和力載荷下在液晶屏Mura顯示區(qū)域的液晶層厚度變化趨勢，以深入研究Mura顯示現(xiàn)象與液晶層厚度變化之間的聯(lián)系。

加固LCD由液晶原屏與加固玻璃綁定獲得，有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 加固液晶屏仿真模型Fig.1 Simulation model of rugged LCD

模型主要包括加固玻璃、光學膠、上偏光片、CF基板、液晶層、TFT基板以及下偏光片。由于各部件的熱力學參數(shù)很難獨立測得，故對各部件進行等效并利用試驗測量與有限元仿真分析獲得各部件的熱力學參數(shù)[9-10]。表1給出了仿真模型中各元件的熱力學參數(shù)，其中,LCD1和LCD2是性能參數(shù)完全相同，來自不同廠家的液晶原屏。Ex,Ey,Ez分別為x,y,z方向的彈性模量;Gxy,Gxz,Gyz分別為xy,xz,yz面的剪切模量;α為熱膨脹系數(shù)。

表1 加固LCD各部件熱力學參數(shù)

利用有限元仿真軟件分別對液晶原屏和加固液晶屏進行熱力學仿真，加載和約束方式如圖2所示。

圖2 熱力學分析模型Fig.2 Thermodynamic simulation model

以液晶屏LCD1為例。圖3給出了22 ℃環(huán)境下拉力為12 N時液晶原屏和加固液晶屏液晶層應力(Mpa)分布圖及70 ℃環(huán)境下拉力為12 N,時加固液晶屏液晶層應力(Mpa)分布圖，發(fā)現(xiàn)在液晶原屏加力環(huán)周圍及加固屏加固玻璃邊緣區(qū)域出現(xiàn)應力集中，并且高溫環(huán)境下應力值明顯增大。

圖3 液晶層應力分布Fig.3 Stress distribution of liquid crystal layer

由式(1)可以看出，液晶層厚度的變化直接影響各波長光線的透過率。取70 ℃環(huán)境下，12 N拉力作用下液晶原屏LCD1和加固液晶屏LCD1液晶層厚度變化值如圖4所示。

圖4 液晶層厚度變化Fig.4 Thickness variation of liquid crystal layer

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，液晶原屏和加固液晶屏分別在加力環(huán)周圍、加固玻璃邊緣區(qū)域出現(xiàn)應力集中，且液晶層厚度有明顯的變化，導致各波長的透過率變化不一致，從而出現(xiàn)Mura。下文通過有限元仿真分別獲得在常溫和高溫環(huán)境中隨拉力增大，其加固玻璃邊緣液晶層厚度變化值，如圖5所示。

圖5 22 ℃和70 ℃不同拉力作用時液晶層厚度變化值Fig.5 Thickness variation of liquid crystal layer underdifferent forces at 22 ℃ and 70 ℃

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以看出，液晶層厚度變化值隨著拉力的增大而增大，并且通過圖5可以看出，相同的外界條件下，液晶原屏LCD1的液晶層厚度變化大于液晶原屏LCD2的液晶層厚度變化，并且加固處理和高溫環(huán)境會使液晶層厚度變化明顯增大。

為探究相同的溫度變化對不同液晶屏的影響所存在的差異，將70 ℃下的液晶厚度變化與22 ℃下的液晶層厚度變化值相減得到圖6所示數(shù)據(jù)。

圖6 70 ℃和22 ℃下液晶層厚度變化值之差Fig.6 Difference of thickness variation of liquid crystal layer at 70 ℃ and 22 ℃

液晶原屏在常溫和高溫環(huán)境下的液晶層厚度變化值之差在14～58 nm之間，而加固屏液晶屏在常溫和高溫環(huán)境下的液晶層厚度變化值之差在80～223 nm之間。所以與液晶原屏相比較，加固屏對外界環(huán)境變化更敏感，并且不同的液晶原屏對外界環(huán)境變化的敏感程度也不同。

2 液晶原屏試驗

在LCD1和LCD2的中間粘貼加力環(huán)，對其施加垂直拉力，觀察液晶屏Mura顯示現(xiàn)象。顯示現(xiàn)象如圖7所示。

圖7 液晶屏Mura顯示現(xiàn)象Fig.7 Mura of LCD

使用高低溫試驗箱給液晶原屏提供22 ℃和70 ℃恒溫環(huán)境，并通過加力裝置分別對液晶原屏LCD1和液晶原屏LCD2施加2～12 N拉力，觀察并記錄白場下是否出現(xiàn)Mura現(xiàn)象，結(jié)果如表2所示。

表2液晶原屏在不同溫度和不同拉力下Mura現(xiàn)象

Table 2 Mura of LCD under different temperature and different forces

可以看出，隨著拉力的增加，在拉力環(huán)附近逐漸出現(xiàn)黃色Mura，并且結(jié)合仿真結(jié)果可以得出，隨著拉力的增大，液晶層厚度變化值增大，Mura越明顯。即液晶層厚度變化大小與Mura顯示明顯程度呈正相關。常溫環(huán)境試驗中，LCD1在8 N拉力下開始出現(xiàn)Mura，LCD2在12 N拉力下開始出現(xiàn)Mura，對應的液晶層厚度變化值分別為213 nm，200 nm。而在70 ℃高溫環(huán)境下，液晶屏LCD1在6 N作用力下開始出現(xiàn)Mura，液晶屏LCD2在8 N作用力下開始出現(xiàn)Mura，對應的液晶層厚度變化值分別為181 nm,182 nm?？梢姰斠壕影l(fā)生181 nm的厚度變化時，液晶屏開始出現(xiàn)Mura，并且在高溫環(huán)境下更是容易出現(xiàn)Mura，且LCD1較容易出現(xiàn)顯示不均現(xiàn)象。

3 加固液晶屏試驗

使用光學膠將LCD1和LCD2與加固玻璃進行綁定得到加固液晶屏1(加固LCD1)和加固液晶屏2(加固LCD2)，然后在加固液晶屏的中間粘貼加力環(huán)，使用相同的加力裝置對加固液晶屏施加垂直拉力,加固液晶屏Mura顯示現(xiàn)象如圖8所示。

圖8 加固屏Mura顯示現(xiàn)象Fig.8 Mura of rugged LCD

同樣將加固LCD1和加固LCD2放置在22 ℃和70 ℃恒溫環(huán)境中，并施加2～12 N拉力，觀察并記錄白場下是否出現(xiàn)Mura現(xiàn)象，結(jié)果如表3所示。

表3 加固液晶屏在不同溫度和拉力下Mura現(xiàn)象

可以看出，液晶原屏經(jīng)過加固后，Mura顯示區(qū)域由原先的中間加力環(huán)周圍區(qū)域變成了加固玻璃邊緣區(qū)域，與仿真中液晶層厚度變化區(qū)域吻合,而且高溫環(huán)境下Mura更容易出現(xiàn)。LCD1經(jīng)加固后依然較容易出現(xiàn)顯示不均現(xiàn)象。而與液晶原屏相比較，加固后的液晶屏更容易出現(xiàn)Mura。

4 結(jié)論

本文利用試驗測試與軟件仿真相結(jié)合的方法分析了加固液晶屏在70 ℃高溫環(huán)境下的顯示特性，首先利用有限元仿真軟件并結(jié)合理論分析，最后通過試驗驗證，獲得其Mura出現(xiàn)位置處液晶層厚度變化值與Mura顯示明顯程度呈正相關；高溫下液晶層厚度變化明顯增大，即高溫環(huán)境下更容易出現(xiàn)Mura顯示現(xiàn)象；加固液晶屏對溫度的變化更敏感，即相同的溫度變化下加固屏會產(chǎn)生較大的液晶層厚度的變化，進而引起Mura顯示；不同廠家的液晶屏經(jīng)過相同的加固處理后，會產(chǎn)生不同的高溫變形，即Mura出現(xiàn)的臨界值不同。建議加固液晶屏生產(chǎn)廠家加強對液晶原屏的質(zhì)量控制，以便提高加固屏的生產(chǎn)良好率，降低生產(chǎn)成本。

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AnalysisofHigh-TemperatureDisplayCharacteristicsofRuggedLCD

XUE Ya-pinga,b,c,d, FENG Qi-bind, YAN Qiaod, HONG Chund, LYU Guo-qiangd

(Hefei University of Technology,a.Key Lab of Special Display Technology； b.National Engineering Lab of Special Display Technology； c.National Key Lab of Advanced Display Technology； d.Academy of Photoelectric Technology,Hefei 230009,China)

The rugged LCD used in high-temperature environments is prone to present Mura,which severely worsens display quality.To solve the problem,the paper proposes a method based on experiments and finite-element simulation to deeply analyze the high-temperature display characteristics of the rugged LCD.Thermodynamic simulations of common LCDs and rugged LCDs are firstly performed using the finite-element simulation software,and then the thickness changes of the LC layer are analyzed.Thermodynamic experiments are finally performed.The practical and simulation results show that:1) The liquid crystal layer has obvious change at the Mura position,and the Mura becomes severe with the change of the layer thickness;and 2) The rugged LCDs have higher possibility of Mura at high temperature,and Mura possibilities of LCDs from different manufacturers are different.To minimize the problem of Mura,more work should be done to screen the LCDs.

Liquid Crystal Display (LCD); rugged LCD; Mura; liquid crystal layer; finite-element simulation

薛亞萍，馮奇斌，嚴喬，等.加固屏高溫顯示特性分析[J].電光與控制，2017，24( 11) : 105-108.XUE Y P，F(xiàn)ENG Q B，YAN Q，et al.Analysis of high-temperature display characteristics of rugged LCD[J].Electronics Optics & Control，2017，24( 11) : 105-108．

2016-12-30

2017-01-11

安徽省科技重大專項計劃項目(16030901001)

薛亞萍(1992 —)，女，安徽宿州人，碩士生，研究方向為液晶顯示。

O213.2

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.11.022