基于特種顯示器的隔熱電容觸摸屏研究

桂詩(shī)信 胡詩(shī)駿 印龍生 孫 勇 后明鋼 王 杰

（1．中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241000；2． 93145 部隊(duì)，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

軍用特種穿戴顯示器一般工作環(huán)境溫度較高，易使人體不適，甚至造成皮膚病變，如何將熱源屏蔽在觸摸穿戴顯示器外部，避免熱源與太陽(yáng)光都輻射進(jìn)入顯示器內(nèi)部導(dǎo)致溫度上升是一個(gè)重要的研究課題。當(dāng)前，雖然已經(jīng)有了將隔熱紙貼覆于玻璃外表面的解決方案，但是隔熱紙的黏貼品質(zhì)是否良好取決于工藝手法，品質(zhì)不易掌控。再者，長(zhǎng)時(shí)間下來(lái)隔熱紙仍有破損或內(nèi)部產(chǎn)生氣泡等缺陷。

眾所周知，傳統(tǒng)電容觸摸屏一般只包括蓋板玻璃、Sensor功能層，這類電容式觸摸屏內(nèi)部都不具有隔熱、吸熱結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品長(zhǎng)期在戶外使用，特別是使用在特種穿戴顯示器設(shè)備上，人體會(huì)受到紅外線及紫外線的長(zhǎng)期侵害，在特種高溫環(huán)境中，產(chǎn)品內(nèi)部及表面的溫度都會(huì)不斷升高，觸摸屏表面的高溫會(huì)影響用戶的使用及體驗(yàn)，隨著時(shí)間的不斷推移，紫外線會(huì)加速產(chǎn)品的老化，導(dǎo)致產(chǎn)品黃變、氣泡返彈等，大大降低了產(chǎn)品的使用壽命。

該文分析并設(shè)計(jì)了一種新型隔熱電容觸摸屏，研究了其黏接液晶屏后對(duì)特種顯示器溫度的影響，為特種觸摸顯示器在極端高溫環(huán)境下的使用提供了重要的技術(shù)支持[1-4]。

1 抗輻射電容觸摸屏設(shè)計(jì)

1.1 觸摸屏總體設(shè)計(jì)

為了滿足觸摸性能、抗輻射要求以及電磁兼容要求，該電容觸摸屏總體設(shè)計(jì)思路上采用G+G+G 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，第一層為蓋板玻璃，第二層為傳感器功能玻璃（上下兩面分別為Rx 電極層及走線、Tx 電極層及走線），第三層為ITO屏蔽玻璃，其作用是起到電磁屏蔽的目的，3 層玻璃之間通過(guò)0.2 mm 的光學(xué)膠全貼合[5-7]。各層組成如圖1 所示。

圖1 電容屏層疊結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)光學(xué)膠將Sensor 功能片與蓋板玻璃和屏蔽玻璃進(jìn)行有效的黏接，起到加強(qiáng)保護(hù)和固定的作用，主要通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。1）選擇高透光性、耐高溫的OCA 光學(xué)膠。2）通過(guò)定制專用的貼合夾具，來(lái)滿足整體厚度的要求和貼合尺寸的控制。

1.2 隔熱蓋板玻璃設(shè)計(jì)

隔熱玻璃又叫低輻射玻璃，是采用磁控真空濺射技術(shù)，在玻璃表面鍍9～12層厚50 nm～300 nm的金屬化合物膜涂層。涂層的作用首先是反射遠(yuǎn)紅外輻射，有效降低玻璃的傳熱系數(shù)。其次是反射太陽(yáng)中的熱輻射，有選擇地降低遮陽(yáng)系數(shù)。同時(shí)，并不過(guò)多的限制可見(jiàn)光的穿透，其示意圖如圖2 所示。

圖2 示意圖

可達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)。1） 抗彎強(qiáng)度≥200 MPa。2） 1 100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，透過(guò)率衰減率≤0.8%。3） 二次電子發(fā)射系數(shù)≤3.0。4） 耐熱沖擊溫度：≥280 ℃。將其作為觸摸屏的蓋板玻璃，通過(guò)光學(xué)膠水綁定觸摸Sensor 功能片達(dá)到抗輻射隔熱玻璃和觸摸屏二合一的效果，一方面起到保護(hù)和加固觸摸屏功能片的作用，另一方面切斷對(duì)人體有害的電子輻射、紫外線、遠(yuǎn)紅外線，起到了防輻射的效果[8]。

1.3 光學(xué)綁定及加固設(shè)計(jì)

目前，光學(xué)綁定主要采用面黏和框貼2 種形式，面黏工藝在光學(xué)顯示以及可靠性均優(yōu)于框貼工藝，面黏工藝難度以及復(fù)雜程度要高于框貼工藝，面黏工藝熟練程度以及工藝實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性較高，面黏框貼對(duì)比表見(jiàn)表1。

表1 面黏框貼對(duì)比表

結(jié)合前期類似產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)，決定實(shí)驗(yàn)選用面黏工藝，并選用一款雙組分膠水。該款膠水已經(jīng)在很多項(xiàng)目中應(yīng)用，性能穩(wěn)定、可靠。使用溫度范圍為-55 ℃～200 ℃，滿足該實(shí)驗(yàn)的要求。

光學(xué)綁定主要需要考慮5 個(gè)參數(shù)：1）表面漏光角度和遮光方案設(shè)計(jì)。2）光學(xué)膠固化方案設(shè)計(jì)。3）對(duì)齊控制。4）補(bǔ)強(qiáng)及密封設(shè)計(jì)。5）抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)。

1.3.1 液晶屏組件表面遮光處理

由于顯示器趨向于輕薄化，液晶屏組件安裝框架較薄，背光發(fā)光區(qū)域遠(yuǎn)大于AA 區(qū)，如果遮光處理不可靠，背光發(fā)出的光會(huì)從液晶屏組件側(cè)邊直射或者反射出來(lái)，影響顯示效果。漏光角度示意圖如圖3 所示。

液晶屏組件易發(fā)生漏光、反光的區(qū)域主要有以下地方：未被偏振片覆蓋的上下玻璃基板、偏振片側(cè)壁以及觸摸屏背面絲印圖形。

圖3 漏光角度示意圖

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，液晶屏組件本身的漏光角度在25°以內(nèi)，漏光角度較大，需要進(jìn)行遮光處理。在無(wú)效區(qū)的漏光區(qū)域設(shè)計(jì)遮光層，通過(guò)遮擋，使反射光降低到5°以內(nèi)，其示意圖如圖4 所示。

圖4 設(shè)置遮光層后漏光角度示意圖

1.3.2 光學(xué)膠厚度控制工藝

綁定示意圖如圖5所示，光學(xué)膠厚度選擇為0.5 mm～0.6 mm，基于以下3 點(diǎn)考慮：1）較好的緩沖能力。2）膠層比較均勻，不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。3）工藝比較成熟，很少產(chǎn)生氣泡等故障。

對(duì)于膠水厚度的控制，準(zhǔn)備采用模切好的墊片，均勻地放置在屏的4 條邊上，共24 個(gè)墊片。為了保證一致性，將墊片全部放置在上偏振片上（距離偏振片邊緣1.0 mm～1.5 mm，此處位置距離有效區(qū)及結(jié)構(gòu)窗口較遠(yuǎn)，不會(huì)外露出顯示窗口，風(fēng)險(xiǎn)較?。Ｃ總€(gè)墊片的厚度為0.5 mm～0.6 mm?？紤]到濾光片的自重和膠水的收縮，會(huì)對(duì)墊片造成一定的壓力，所以，將墊片的厚度設(shè)置成6 層。該工藝屬于成熟工藝，難度較低，最后對(duì)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行膠水應(yīng)力仿真。

圖5 光學(xué)膠綁定工藝示意圖

1.3.3 電容觸摸屏對(duì)齊工藝

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中選用的21.5 寸觸摸屏和液晶屏組件均為現(xiàn)有的零部件，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)對(duì)齊方式，即出線兩邊是1.9 mm、2.2 mm 的對(duì)齊尺寸，對(duì)齊示意圖如圖6 所示。

圖6 屏蔽濾光片對(duì)齊方式示意圖

該種凸出對(duì)齊方案，須使用定位夾具來(lái)輔助精準(zhǔn)完成，如圖7 所示。

圖7 定位夾具三維圖

“夾緊裝置”將定位夾具固定到綁定用的墊高夾具上，通過(guò)“千分尺”調(diào)整“擋塊”的縮進(jìn)，該項(xiàng)目中將調(diào)整到距離液晶屏組件大玻璃邊緣2.4 mm 的位置處，“翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)”可以實(shí)現(xiàn)擋塊的整體翻轉(zhuǎn)，方便操作員進(jìn)行防漏膠處理，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠的對(duì)齊尺寸控制，定位示意圖如圖8 所示。

圖8 定位工藝示意圖

1.3.4 硅膠封口補(bǔ)強(qiáng)工藝

為了避免液晶屏組件四周因膠層厚度不同導(dǎo)致在高低溫下出現(xiàn)應(yīng)力的現(xiàn)象，因此工藝上需要對(duì)液晶屏組件上玻璃基板以外的區(qū)域進(jìn)行掏膠處理。為了減少因掏膠而導(dǎo)致的四周綁定力度較差的情況，工藝人員在掏膠完成后，需要在掏膠的位置處涂覆硅膠封口，進(jìn)行四周補(bǔ)強(qiáng)處理，如圖9 所示，該措施同時(shí)也可以最大限度地減少光學(xué)膠與空氣的接觸，提升產(chǎn)品可靠性。

圖9 硅膠封口補(bǔ)強(qiáng)示意圖

1.3.5 抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)

由于顯示器外形較大，振動(dòng)強(qiáng)度高，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝處理方面要求較高。首先，對(duì)液晶屏進(jìn)行光學(xué)綁定，以增加玻璃基板的強(qiáng)度，光學(xué)膠對(duì)液晶屏起到了減震、緩沖的作用，提高了屏本身的抗振性。其次，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝處理對(duì)液晶屏組件進(jìn)行加固減振。該顯示器的液晶屏組件由液晶屏、電容觸摸屏組成。由于電容觸摸屏的尺寸大于液晶屏的大玻璃尺寸，屏框架內(nèi)腔與電容觸摸屏四周及下表面均留有1.0 mm間隙用于貼覆減振泡棉和硅橡膠灌封，以此來(lái)加固整個(gè)液晶屏組件。液晶屏與屏框架四周留有1.0 mm 間隙貼覆減震泡棉，屏框架底面與液晶屏底面空間不需要貼泡棉，液晶屏中除了上表面與電容觸摸屏接觸外，其余方向不受力，減少了液晶屏受力變形的概率。一方面采用灌封的方式加固，另一方面通過(guò)背光框架擠壓固定。經(jīng)過(guò)前期的加固驗(yàn)證，可以滿足振動(dòng)要求，抗振動(dòng)沖擊的工藝處理相對(duì)穩(wěn)定，如圖10 所示。

2 實(shí)驗(yàn)

選用全貼合71.67 cm 液晶屏制作完成的71.67 cm 胸前穿戴觸摸顯示器做溫度隔熱試驗(yàn)，顯示器內(nèi)置溫度傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)試溫度，筆者將其綁定在模擬人體的胸前放置在溫度試驗(yàn)箱中保溫1 h 后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到了環(huán)境溫度與顯示器內(nèi)部溫度之間的關(guān)系，并記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 溫度試驗(yàn)

從圖中可以看出，隨著溫度的增加，隔熱電容觸摸屏的隔熱效果逐漸變低，這是因?yàn)橥獠凯h(huán)境溫度逐步上升后，內(nèi)部溫度在逐漸積累，熱量很難散去，溫度也會(huì)逐漸加大，隔熱效果降低[9]。

圖10 液晶屏組件加固結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

該文分析并設(shè)計(jì)了一種新型隔熱電容觸摸屏。研究了其全貼合液晶屏后對(duì)特種穿戴顯示器溫度的影響，為特種觸摸穿戴顯示器在極端高溫環(huán)境下使用提供了重要的技術(shù)支持。