[摘 要] 本文考慮了LCD液晶層中列形隔墊物的作用，將液晶層視為一種復(fù)合材料層，求解了其材料參數(shù)的理論值，并利用有限元分析軟件ANSYS建立數(shù)值模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明，在溫度變化時(shí)本文對含有列形隔墊物的液晶層進(jìn)行的簡化是可行的。

[關(guān)鍵詞] LCD；隔墊物；有限元分析

[中圖分類號(hào)] TN141.9 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的日趨高速發(fā)展，近年來液晶顯示屏（LCD）被廣泛地應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中，并逐漸取代了傳統(tǒng)顯示屏。由于液晶顯示屏具有微功耗、無輻射、不閃爍、重量輕、體積小等獨(dú)到優(yōu)異的特性，因此液晶顯示技術(shù)被廣泛地用于工業(yè)、商業(yè)以及軍事等各領(lǐng)域的電子產(chǎn)品中，如：電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、數(shù)字相機(jī)和軍用儀器儀表上的液晶顯示屏等[1]。

液晶顯示屏是一個(gè)復(fù)雜的層合結(jié)構(gòu)，主要由玻璃基板、液晶層、偏振片等部分組成。其中的液晶層主要是由液晶材料和層間隔墊物[2]等構(gòu)成的，由于液晶層厚度一般在幾微米，大約只有玻璃基板的1/100，又由于液晶屏本身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得液晶屏的研究成為一個(gè)難題，因此合理的簡化液晶層就具有實(shí)際的意義?，F(xiàn)有對液晶屏方面的研究主要有屏幕的加固以及溫度作用下的分析等[3-4]。文獻(xiàn)[4]中的液晶層未考慮其中隔墊物的作用，這不符合液晶層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本文綜合考慮層中液晶和隔墊物的作用，采用復(fù)合材料力學(xué)方法進(jìn)行分析，旨在為液晶屏的研究提供幫助。

2 理論分析

液晶屏各部分的材料參數(shù)，如表1所示。根據(jù)圖1a中列形隔墊物的分布形式，取圖1b中的體積代表單元，圖1中深色的為隔墊物，淺色的為液晶。根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)中的分析方法[5]，將其簡化為一種均質(zhì)材料，得到材料參數(shù)的理論值分別為：

E1=3.0MPa，E2（=E3）=24.0GPa，v31（=v21）=0.18，v13（=v12）≈0，v23（=v32）=0.23，G31（=G12）=1.15MPa，G23=9.96GPa，α1=175.2×10-6℃-1，α2=（=α3）=8.31×10-6℃-1。

3 液晶層有限元模型分析

建立液晶層的二維模型，檢驗(yàn)熱膨脹系數(shù)理論值的有效性。由于液晶和玻璃隔墊物是兩種不同的材料，因此在兩者交界的邊緣處，應(yīng)力的變化會(huì)比較劇烈，而中間部分的位移分布會(huì)比較均勻。為此，根據(jù)圖1b所示的結(jié)構(gòu)，建立邊長為480 μm的二維分析模型，如圖2所示，是由液晶和玻璃隔墊物所組成的非均質(zhì)液晶層模型，設(shè)x方向?yàn)橐壕訉挾确较?，z方向?yàn)橐壕雍穸确较颉?/p>

選用四節(jié)點(diǎn)四邊形的Plane42單元[6]，如圖3所示，令x=0，z=0邊界法線方向的位移為0，令溫度的改變量為Δt=20 ℃，讀取模型中間處沿x、z方向的位移值，求得熱膨脹系數(shù)的有限元值，與理論值的比較列于表2。

由表2可見，熱膨脹系數(shù)的理論值和有限元值吻合良好，誤差較小。

4 液晶屏有限元模型分析

建立二維的液晶屏模型，圖4所示為簡化的液晶屏模型結(jié)構(gòu)及各部分的幾何尺寸。如圖5所示，模型尺寸為20 mm×1.008 mm，兩層玻璃基板厚度均為0.5 mm，中間液晶層厚度為0.008 mm，各層長度均為20 mm；其中圖5a的二維非均質(zhì)模型的液晶層是由隔墊物和液晶構(gòu)成的非均質(zhì)層，圖5b的二維均質(zhì)模型的液晶層采用本文中簡化的均質(zhì)材料層。

在二維非均質(zhì)模型液晶層下表面z=0邊界處沿z方向施加位移約束，在模型左端x=0邊界處沿x方向施加位移約束。取0 ℃為參考溫度，令溫度上升30 ℃，模型各部分的材料參數(shù)取表1中相應(yīng)的數(shù)值。

均質(zhì)模型與非均質(zhì)液晶層模型的約束條件和溫度變化情況相同，僅將液晶層的材料參數(shù)設(shè)定為根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)方法求得的理論值。圖6所示為網(wǎng)格劃分情況。

為檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，如圖7所示，分別讀取非均質(zhì)模型和均質(zhì)模型相同位置處沿x、z方向的位移，點(diǎn)的位置位于x=12 mm處，分別取液晶層上中下表面和玻璃基板上表面的點(diǎn)作為比較對象，兩種模型各點(diǎn)位移的比較結(jié)果列于表3中，表中的誤差為均質(zhì)模型相對于非均質(zhì)模型的。

由表3可見，均質(zhì)模型和非均質(zhì)模型相應(yīng)位置各點(diǎn)處的位移吻合良好，誤差均在0.1%以內(nèi)。

5 總結(jié)

本文將由液晶和一種列形玻璃隔墊物構(gòu)成的液晶層視為一種均質(zhì)材料層，通過ANSYS有限元計(jì)算軟件建立二維液晶層模型對此簡化模型的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，建立了液晶屏的二維均質(zhì)和非均質(zhì)模型并對兩種模型中相同位置點(diǎn)的位移進(jìn)行了比較，結(jié)果表明在溫度變化時(shí)本文建立的簡化模型是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張麥麗，王秀峰，張方輝等.液晶顯示器用隔墊物的研究現(xiàn)狀與最新進(jìn)展[J].液晶與顯示，2004，19（1）：24-29.

[3]曹允，王勇，范彬等.加固液晶顯示器關(guān)鍵技術(shù)[J].光電子技術(shù)，2011，31（2）：73-77.

[4]華懿魁，馮奇斌，牛紅林.加固液晶顯示器高溫環(huán)境下熱應(yīng)力探究[J].現(xiàn)代顯示，2012，（7）：38-44.

[5]沈觀林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：230-252.

[6]薛鳳先，胡仁喜，康士廷.ANSYS 12.0機(jī)械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：130-160.

作者簡介：孫鵬（1987-），研究生，研究方向：固體力學(xué)。