基于特種顯示器的ITO薄膜加熱器研究

桂詩信 朱標 李正榮 胡秋瑞

摘 要：本文實驗研究了加熱器電極電阻與面電阻以及導(dǎo)電銀漿涂覆寬度之間的關(guān)系，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)獲得了ITO（Indium Tin Oxides）加熱器的經(jīng)驗公式，并結(jié)合實際生產(chǎn)應(yīng)用討論了影響ITO加熱器的因素，為特種顯示器在極端低溫環(huán)境下的ITO加熱器設(shè)計提供了重要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：ITO；面電阻；低溫加熱；特種顯示器

中圖分類號：TN36 文獻標志碼：A

Abstract：The relationship between the electrode resistance and the sheet resistance of the heater and the coating width of the conductive silver paste has been studied . The empirical formula of the ITO heater has been obtained based on the experimental data. According to the actual production， the factors affecting the ITO heater was discussed. It provides important technical support for design of ITO heater for special display in extreme low-temperature environment.

Keywords：ITO； Sheet resistance； Low-temperature Heating； Special display

0 引言

軍用特種顯示器一般低溫工作溫度通常不低于-50℃左右，而常規(guī)液晶顯示器在-30℃左右的環(huán)境中，由于液晶分子的黏度系數(shù)加大，會導(dǎo)致響應(yīng)時間變長，圖像產(chǎn)生嚴重拖尾，不能正常工作。為了保證特種顯示器能在低溫-50℃下仍然可以正常工作且畫面切換流暢無拖尾，當前采用較多的方式是利用鍍有ITO膜的玻璃（ITO加熱器）作為加熱元件對液晶顯示模塊進行低溫加熱補償。使其達到正常工作所需的溫度要求。

ITO薄膜即銦錫氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜，因其具有高導(dǎo)電率、高透過率、耐腐蝕性等特點，被廣泛應(yīng)用于船舶、航天、航空等特種顯示領(lǐng)域。目前ITO加熱器主要是通過真空蒸鍍法、化學(xué)沉積法以及磁控濺射法將ITO薄膜涂鍍到光學(xué)玻璃表面，在ITO薄膜表面邊緣涂覆導(dǎo)電銀漿，然后引出電極，使兩極之間形成多重并聯(lián)的等效電阻，通電情況下，等效電阻發(fā)熱產(chǎn)生熱量傳導(dǎo)至液晶顯示模塊，起到低溫下液晶模塊正常顯示的效果。然而，按照常溫下方塊電阻值設(shè)計的加熱器，在低溫下的實際電極電阻值較理論計算值有較大的出入，導(dǎo)致部分產(chǎn)品設(shè)計超出指標要求。

本文實驗研究了加熱器電極電阻與方塊電阻以及導(dǎo)電銀漿涂覆寬度之間的關(guān)系，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)獲得了ITO加熱器電極電阻的經(jīng)驗公式，并結(jié)合實際生產(chǎn)應(yīng)用討論了影響ITO加熱器電極電阻的因素，為特種顯示器在極端低溫環(huán)境下的ITO加熱器設(shè)計提供重要的技術(shù)支持。

1 理論分析

理想狀態(tài)下，制作好的ITO加熱器電極電阻為ITO玻璃的面電阻加上導(dǎo)電銀漿帶（兩條）的電阻：

R極 = R□ +2R導(dǎo) （1）

然而在實際生產(chǎn)中，會受到導(dǎo)電銀漿涂覆的均勻性、ITO玻璃倒角等的影響，因此在式（1）上需加上一個補償值V，即：

R極= R□ +2 R導(dǎo) + V （2）

考慮到實際生產(chǎn)當中不可能每塊玻璃都測導(dǎo)電銀漿帶電阻，所以將式（2）中的2R導(dǎo)和V進行整合，以V'替代，即：

R極= R□ + V'； （3）

涂覆好導(dǎo)電銀漿的ITO加熱器電極電阻R極，理論上應(yīng)滿足以下公式，即：

R極 =（LU / LI）× R□ （4）

或 R極 =（LU'/ LI）× R'□ （5）

其中LU是指電壓走過的寬度，即兩條導(dǎo)電銀漿帶之間的寬度；LU'是指含條導(dǎo)電銀漿帶在內(nèi)的寬度，即ITO玻璃的寬度；LI是指電流走過的長度，即導(dǎo)電銀漿帶的長度。

結(jié)合公式（2）可得到：

R極 =（LU / LI）× R□ + 2R導(dǎo)+ V （6）

或R極 =（LU'/ LI）× R'□+ 2R導(dǎo) + V （7）

由于不論是以LU 還是LU'計算，V值都是相同的，所以此處忽略V值，通過公式（6）、（7）反推得到ITO玻璃的面電阻，即：

R□ =（LI / LU）×（R極 -2 R導(dǎo)） （8）

或 R'□=（LI / LU'）×（R極 -2 R導(dǎo)） （9）

通過實驗具體數(shù)據(jù)分析涂覆好導(dǎo)電銀漿的ITO玻璃面電阻R□究竟是應(yīng)該以LU / LI還是LU'/ LI為準，同時估算一下補償值V及V'，進而獲得加熱器電極電阻的經(jīng)驗公式。

2 實驗

選用一面電阻均值為11Ω的ITO玻璃，從整塊ITO玻璃上準確裁取17塊5寸（120mm×80mm×1.1mm）大小的ITO玻璃備用，取出其中兩塊裁切好的5寸ITO玻璃，在其光玻璃一面分別均勻涂覆寬度為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm的CB-813導(dǎo)電銀漿各3條，待烘干后分別測取不同寬度導(dǎo)電銀漿的電阻值R導(dǎo)，并記錄數(shù)據(jù)見表1，表中A表示導(dǎo)電銀漿電阻值所占加熱器ITO玻璃面電阻的比例。

通過對上述數(shù)據(jù)的分析，研究了導(dǎo)電銀漿帶電阻值與涂覆寬度之間的關(guān)系，如圖1所示。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)電銀漿帶涂覆寬度的不斷增加，其電阻值不斷減小，從寬度為1mm時的1.3Ω降到寬度為5mm時的0.3Ω，分別占其所在ITO玻璃面電阻的23.6%和5.4%。由此可見，隨著導(dǎo)電銀漿帶寬度的增加，其對加熱器電極電阻的影響逐漸減小，當導(dǎo)電銀漿帶寬度大到一定時，其電阻值可忽略不計。

將剩余的15塊ITO玻璃均分為5組，每組3塊，分別標記為A組（A1、A2、A3）、B組（B1、B2、B3）、C組（C1、C2、C3）、D組（D1、D2、D3）、E組（E1、E2、E3），A組ITO玻璃兩邊按正常操作涂覆寬度為1mm的CB-813導(dǎo)電銀漿；B組ITO玻璃兩邊按正常操作涂覆寬度為2mm的導(dǎo)電銀漿；C組ITO玻璃兩邊按正常操作涂覆寬度為3mm的導(dǎo)電銀漿；D組ITO玻璃兩邊按正常操作涂覆寬度為4mm的導(dǎo)電銀漿；E組ITO玻璃兩邊按正常操作涂覆寬度為5mm的導(dǎo)電銀漿，烘干后測得不同組別ITO玻璃上導(dǎo)電銀漿帶的長度LI、兩條導(dǎo)電銀漿帶之間的寬度LU、ITO玻璃的寬度LU'（含條導(dǎo)電銀漿帶在內(nèi)的寬度）以及其電極電阻值，并根據(jù)前面的理論分析計算出了ITO玻璃的面電阻值和補償值，記錄數(shù)據(jù)見表2。

通過表2對比發(fā)現(xiàn)，R□的數(shù)值更接近于標準面電阻，因此，無論是在理論計算或者實際生產(chǎn)當中，電壓走過的寬度LU都應(yīng)該以兩條導(dǎo)電銀漿內(nèi)側(cè)的寬度為準（不含導(dǎo)電銀漿帶寬度）。根據(jù)公式（6）、（7）計算可得V值，但是考慮到實際生產(chǎn)當中不可能每塊加熱器玻璃都測導(dǎo)電銀漿帶電阻，所以此處將2R導(dǎo)和V進行整合，以V'替代2R導(dǎo)+ V，研究了V、V'值與導(dǎo)電銀漿帶寬度之間的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2可見，隨著導(dǎo)電銀漿寬度的增加，V值越來越大。根據(jù)前面的實驗結(jié)果和理論推算，當導(dǎo)電銀漿帶寬度達到一定程度時，導(dǎo)電銀漿帶電阻可以完全忽略，此時V值達到最大；另外還發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)電銀漿寬度的增加，V'值逐漸降低，但是數(shù)值相對很小，在0左右波動。因此實際設(shè)計中V值相比V'值對加熱器設(shè)計影響更大。

下面結(jié)合實際生產(chǎn)中的一些項目及數(shù)據(jù)進行對比分析。表3和表4分別為相同尺寸（5寸）不同型號面電阻值的ITO加熱器生產(chǎn)數(shù)據(jù)與不同尺寸相同型號面電阻值的ITO加熱器生產(chǎn)數(shù)據(jù)：

由表3和表4的生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在大多數(shù)尺寸和型號下V'值基本都在0左右浮動，與之前分析基本吻合。由此可見，實際生產(chǎn)當中，在大多數(shù)情況下，電極電阻可以直接用

R極 =（LU / LI）× R□

來替代計算，少數(shù)情況下則仍需使用公式：

R極 =（LU / LI）× R□+ V'

將A1、B1、C1、D1、E1整條涂上DS-PF-7180VR型導(dǎo)電銀漿，然后在100℃下烘烤10min，再在230℃下烘烤10min，測其電極電阻并記錄，見表5；將A2、A3，B2、B3，C2、C3，D2、D3，E2、E3涂上長度為5mm的DS-PF-7180VR型導(dǎo)電銀漿，相同條件烘干測其電極電阻并記錄，見表6。

對比表5和表6發(fā)現(xiàn)，在CB-813表面整條涂覆上DS-PF-7180VR后，其電極電阻平均下降0.32Ω，而在CB-813表面涂覆上長度為5mm的DS-PF-7180VR后，其電極電阻平均下降0.02Ω，其涂覆前后電極電阻已經(jīng)沒有差別，因此涂覆DS-PF-7180VR長度其對小尺寸加熱器電極電阻影響可以忽略不計。

表7為DS-PF-7180VR導(dǎo)電銀漿涂覆長度對大尺寸加熱器電極電阻的影響。

由表7可見，DS-PF-7180VR導(dǎo)電銀漿涂覆長度對大尺寸加熱器電極電阻的影響十分明顯。這主要是由于小尺寸加熱器ITO玻璃的面電阻均勻性較好，面電阻誤差較小，而大尺寸加熱器ITO玻璃的面電阻均勻性較差，面電阻誤差很大所致。同時，還發(fā)現(xiàn)整條涂覆DS-PF-7180VR導(dǎo)電銀漿時電極電阻偏大，K'值幾乎可以忽略不計。因此在實際生產(chǎn)當中，當電極電阻偏大時，可以通過整條涂覆DS-PF-7180VR導(dǎo)電銀漿來進行修正，此時可以使用R極 =（LU / LI）× R□模型，否則，只能使用R極 =（LU / LI）× R□+ K'模型。

結(jié)論

本文實驗研究了加熱器電極電阻與面電阻以及導(dǎo)電銀漿涂覆寬度之間的關(guān)系，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)獲得了ITO加熱器電極電阻的經(jīng)驗公式，并結(jié)合實際生產(chǎn)應(yīng)用討論了影響ITO加熱器電極電阻的因素，為特種顯示器在極端低溫環(huán)境下的ITO加熱器設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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