一種基于薄膜電致發(fā)光顯示技術(shù)的高鐵車輛玻璃夾層透明顯示屏設(shè)計

馮 勇，盧浩典，賈 濤，陳祥龍，宋以俊，吳 顯

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅速，已經(jīng)建成了運(yùn)營速度最快、里程最長的高速鐵路網(wǎng)。為了使我國高鐵持續(xù)保持競爭力，不僅需要在列車技術(shù)上不斷創(chuàng)新進(jìn)步，也需要不斷提升旅客服務(wù)質(zhì)量，為旅客提供舒適、高效、安全、智能的高鐵旅程。

在信息科技迅猛發(fā)展的今天，顯示屏作為信息化終端顯示載體，在信息的有效傳播過程中，發(fā)揮了不可替代的重要作用。透明顯示屏作為未來顯示技術(shù)發(fā)展的重要方向，一些成熟的透明顯示產(chǎn)品早已出現(xiàn)在日常生活中。但是，目前市面上主流的透明顯示屏仍然以民用和商用為主，其可靠性尚無法滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。薄膜電致發(fā)光透明顯示屏的出現(xiàn)很好地填補(bǔ)了這一空白，其高透光率、堅實(shí)耐用、超寬溫的特性非常適合汽車和軌道交通等較為嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境。

1 常見透明顯示屏介紹

目前市面上常見的透明顯示屏主要有透明LED顯示屏、透明LCD顯示屏和透明OLED顯示屏，如圖1所示。

圖1 常見的3種透明顯示屏

1.1 透明LED顯示屏

透明LED顯示屏也被稱為“玻璃幕墻LED顯示屏”，它是由單根LED燈條組裝成透明LED模組后拼接成大面積透明顯示屏，主要安裝在商場的大型落地窗和建筑外墻玻璃上，用于商業(yè)宣傳。透明LED顯示屏普遍尺寸很大，安裝復(fù)雜，單塊LED模組質(zhì)量可達(dá)5 kg，同時功率高達(dá)200 W/m2，因此很難滿足軌道交通車輛的應(yīng)用環(huán)境要求。

1.2 透明LCD顯示屏

LCD全稱為“液晶顯示屏”，液晶是基于液晶電光效應(yīng)的顯示器件，其材料本身并不能自發(fā)光，所以在液晶顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板(或稱勻光板)和反光膜，用來提供均勻的背光源。這就導(dǎo)致透明LCD顯示屏必須以類似“燈箱”的形式出現(xiàn)，四周必須配備發(fā)光管以增加其可讀性。因此，目前透明LCD顯示屏大多以商業(yè)櫥窗的形式出現(xiàn)，櫥窗內(nèi)部擺有待展示的產(chǎn)品，櫥窗前玻璃替換為透明LCD顯示屏，以顯示相應(yīng)的推廣材料或者產(chǎn)品規(guī)格型號等。

1.3 透明OLED顯示屏

OLED全稱為“有機(jī)發(fā)光二極管或有機(jī)發(fā)光顯示”，其原理是通過正負(fù)載流子注入有機(jī)半導(dǎo)體薄膜后復(fù)合產(chǎn)生發(fā)光[1]。OLED的結(jié)構(gòu)與本文重點(diǎn)介紹的薄膜電致發(fā)光顯示屏十分相似，都具備自發(fā)光的特性和類似“三明治”的結(jié)構(gòu)，由一層薄而透明的氧化銦錫(ITO)與電力正極相連，再加上另一個金屬陰極，將發(fā)光薄膜材料夾在中間。當(dāng)電力供應(yīng)至適當(dāng)電壓時，正極空穴與陰極電荷就會在發(fā)光層中結(jié)合，產(chǎn)生光亮。

但是OLED其本身特性具有物理上的限制，由于OLED的發(fā)光材料屬于有機(jī)物，在高溫環(huán)境以及高濕度環(huán)境下，有機(jī)材料容易產(chǎn)生劣化，因此相比于無機(jī)發(fā)光材料，OLED的壽命更短。目前透明OLED顯示屏的平均壽命在3萬h左右，這是阻礙其在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模推廣的難題。

2 薄膜電致發(fā)光顯示屏介紹

薄膜電致發(fā)光顯示屏(以下簡稱“EL顯示屏”)是一種全固態(tài)無機(jī)電致發(fā)光顯示屏，截至目前，EL顯示屏的成熟應(yīng)用歷史已經(jīng)接近40年[2]，主要用于軍工、醫(yī)療、軌道交通、航空航天等較為嚴(yán)苛的環(huán)境。

EL顯示屏采用表面處理過的鈉鈣玻璃作為基板，中間分別由ITO電極、絕緣層和發(fā)光層組成[3]，見圖2。相比于透明OLED顯示屏，EL顯示屏的發(fā)光材料屬于無機(jī)物，對嚴(yán)苛環(huán)境的耐受性極強(qiáng)并具有超高的使用壽命，其優(yōu)勢主要集中體現(xiàn)在以下幾方面：

圖2 EL顯示屏

(1) 溫度耐受范圍寬，可耐受溫度范圍為-65～100 ℃，在烈日暴曬下可正常工作，在-60 ℃環(huán)境下仍能做到即開即用，無拖尾現(xiàn)象；

(2) 全固態(tài)顯示，抗沖擊振動能力強(qiáng)；

(3) 響應(yīng)時間小于1 ms，在整個工作溫度范圍內(nèi)均可保證顯示清晰的波形曲線；

(4) 可保證連續(xù)10萬h以上的工作時間，遠(yuǎn)超目前市面上任何一種顯示技術(shù)；

(5) 對潮濕環(huán)境忍受度高；

(6) 對比度高達(dá)1 000∶1，強(qiáng)光下仍然非常清晰；

(7) 功率低，顯示面積為240 mm×180 mm的顯示屏的功率只有11 W。

當(dāng)EL顯示屏兩側(cè)電極都使用高透光度的ITO、兩側(cè)基板都選用玻璃時，可以生產(chǎn)出具備上述優(yōu)點(diǎn)且透光率高達(dá)80%以上的透明EL顯示屏，為工業(yè)級透明顯示屏提供了極佳的解決方案。由于EL顯示屏特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(在不加蓋板玻璃的情況下顯示屏本身厚度只有0.76 mm)，可以通過PVB膠粘工藝完美地將EL顯示屏夾層于2片透明玻璃中間。透明EL顯示屏及其玻璃夾層結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 透明EL顯示屏及其玻璃夾層結(jié)構(gòu)

基于上述特點(diǎn)，EL顯示屏非常適合應(yīng)用于汽車前風(fēng)擋以及軌道交通車輛側(cè)窗玻璃夾層顯示屏。

3 高鐵透明EL顯示屏方案

3.1 電路驅(qū)動原理

高鐵透明EL顯示屏主要由透明EL顯示屏、驅(qū)動板和電源及信號處理板組成。電源及信號處理板的電源為車輛提供DC 24 V或DC 110 V電源，采用RS-485/CAN/以太網(wǎng)通信。驅(qū)動板接收電源及信號處理板處理后的顯示數(shù)據(jù)，驅(qū)動透明EL顯示屏進(jìn)行信息顯示。高鐵透明EL顯示屏電路驅(qū)動原理框圖如圖4所示。

圖4 高鐵透明EL顯示屏電路驅(qū)動原理框圖

如圖4所示，透明EL顯示屏厚度為0.7 mm，夾在車門雙層玻璃之間。透明EL顯示屏通過軟排線(可提供透明軟排線)連接安裝在車門門壁上的驅(qū)動板。為便于安裝，驅(qū)動板與控制板分離。其中，整套設(shè)備與車載旅客信息系統(tǒng)主機(jī)相連時僅需2根電源線及1根雙絞屏蔽信號線，顯示屏整機(jī)對布線要求低，可以與車門其他裝置一同布線。

3.2 安裝位置及尺寸

高鐵透明EL顯示屏夾層在車輛塞拉門玻璃內(nèi)，用于顯示旅客信息系統(tǒng)發(fā)送來的線路信息，見圖5。根據(jù)列車不同狀態(tài)，高鐵透明EL顯示屏顯示內(nèi)容包括車次、區(qū)間和車廂號等提示信息。

圖5 高鐵透明EL顯示屏安裝位置

圖6為高鐵透明EL顯示屏尺寸，圖7為高鐵透明EL顯示屏在高鐵塞拉門上的安裝尺寸。圖7中灰色區(qū)域需要做絲網(wǎng)圖案處理。顯示屏安裝后中心點(diǎn)距離車門下邊緣大約1.6 m。按照乘客平均身高1.75 m計算，透明屏顯示區(qū)域在乘客的眼睛正視范圍之內(nèi)。

圖6 高鐵透明EL顯示屏尺寸

圖7 高鐵透明EL顯示屏在高鐵塞拉門上的安裝尺寸

3.3 顯示內(nèi)容

車輛預(yù)報站時，高鐵透明EL顯示屏為車內(nèi)乘客提供到站信息提示，包括車廂號、車次，前方到站、距離前方到站距離及停車時間等信息。當(dāng)車速降低到30 km/h時，透明EL顯示屏為車外乘客提供目的地顯示，顯示車廂號、車次和區(qū)間信息。顯示屏點(diǎn)陣節(jié)距為2.2 mm，顯示方式完全按照中國國家鐵路集團(tuán)有限公司《CRH系列動車組車外信息顯示器優(yōu)化方案》中規(guī)定的方屏顯示要求執(zhí)行。顯示字體為中文宋體和英文半角宋體。高鐵透明EL顯示屏實(shí)際顯示效果見圖8。

圖8 高鐵透明EL顯示屏實(shí)際顯示效果

3.4 技術(shù)參數(shù)

高鐵透明EL顯示屏技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 高鐵透明EL顯示屏技術(shù)參數(shù)

4 高鐵EL透明顯示屏應(yīng)用展望

透明顯示屏是未來顯示技術(shù)發(fā)展重要的方向之一，根據(jù)知名平板顯示屏咨詢機(jī)構(gòu)Displaybank對未來全球透明顯示市場的預(yù)測，未來透明顯示的市場空間逐漸增大。高鐵透明EL顯示屏在軌道交通行業(yè)應(yīng)用時，還可以內(nèi)嵌在前風(fēng)擋玻璃中，作為司機(jī)控制室內(nèi)的抬頭顯示使用，另外還可夾層于推拉門玻璃中，替換目的地顯示、車外顯示等，可以使乘客在得到信息的同時，觀賞車外風(fēng)景。同時由于其超長的運(yùn)行時間，使得顯示屏能夠達(dá)到與整車相同的保修時間，中間不需要單獨(dú)更換，進(jìn)一步降低了全壽命周期的成本。未來的交通出行將趨向智慧化發(fā)展，本項目在透明EL顯示屏的研究上，邁出了試探性的一步，為其在未來智慧交通的應(yīng)用上開啟了一扇新的大門。