楊　斌，王軍義，馬劍鋒，顧適夷，王彩瑋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京　210016）

雙面?zhèn)缺彻鈾C(jī)載液晶顯示模塊技術(shù)研究

楊斌，王軍義，馬劍鋒，顧適夷，王彩瑋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016）

【摘要】機(jī)載液晶顯示模塊要求重量輕，厚度薄。背光方式逐漸由底背光方式向側(cè)背光方式轉(zhuǎn)變。本文主要介紹了雙面?zhèn)缺彻鈾C(jī)載液晶顯示模塊中涉及到的一些相關(guān)技術(shù)，如液晶屏原屏加固、背光模組設(shè)計(jì)、背光電路控制、低溫加熱控制、熱設(shè)計(jì)以及電磁兼容設(shè)計(jì)。并運(yùn)用這些技術(shù)生產(chǎn)出了產(chǎn)品，達(dá)到了機(jī)載要求。

【關(guān)鍵詞】機(jī)載；液晶顯示模塊；雙面?zhèn)缺彻猓幌嚓P(guān)技術(shù)

引言

顯示模塊作為人機(jī)交互的界面，承載著大量信息傳遞的功能。隨著液晶顯示技術(shù)的發(fā)展，液晶顯示模塊以其顯色性好，輕薄、低功耗等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為主流顯示器件［1］，不僅在工業(yè)、商業(yè)以及家庭領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在軍工領(lǐng)域內(nèi)也逐步得到普及。早期替代進(jìn)口CRT［2］（Cathode Ray Tube，陰極射線管）顯示模塊的機(jī)載液晶顯示模塊都是直下式底背光方式，雖然比CRT顯示器在色彩還原、亮度、壽命等有了很大的提升，但是為了保證模塊亮度均勻性，背光板到光學(xué)膜組之間至少有10mm左右的距離，也就是我們通常所說(shuō)的燈腔高度。現(xiàn)在整機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)顯示模塊厚度和重量要求越來(lái)越高，側(cè)背光方式以其良好的均勻性和超薄的特性逐漸被接受采納。雙面?zhèn)缺彻庀鄬?duì)于單面?zhèn)缺彻鈦?lái)說(shuō)，可以更有效地提高LED（Lighting Emitting Diode，發(fā)光二極管）的可靠性。

1　液晶屏組件的加固設(shè)計(jì)

機(jī)載液晶顯示模塊結(jié)構(gòu)加固的核心是液晶屏的加固及剛性化處理。液晶屏是由前玻璃基板和后玻璃基板通過(guò)封接邊框連接成封閉空間，在封閉空間內(nèi)充滿液晶材料實(shí)現(xiàn)顯示功能［3］。普通液晶屏的封接邊框材料相對(duì)廉價(jià)，膨脹系數(shù)不能很好地與液晶屏兩片玻璃相匹配。在惡劣的機(jī)載環(huán)境條件下，封接邊框，特別是封接邊框的封口處容易出現(xiàn)裂縫?？諝鈺?huì)沿著裂縫處擠進(jìn)充滿液晶的封閉空間，這樣液晶就會(huì)被擠出，在缺少液晶的區(qū)域，液晶屏工作時(shí)將出現(xiàn)黑色斑塊，導(dǎo)致液晶屏失效。針對(duì)液晶屏封接邊框封口處受應(yīng)力液晶泄漏問(wèn)題，我們采用進(jìn)口封接邊框材料，對(duì)液晶屏進(jìn)行二次封接，如圖1所示。

圖1　二次封結(jié)

二次封接的膠膨脹系數(shù)相對(duì)原屏封接膠更接近玻璃的膨脹系數(shù)。另外二次封接膠的溫度性能指標(biāo)為-70℃～+150℃，遠(yuǎn)比普通封接膠的-30℃～+85℃溫度范圍寬，反復(fù)的溫度循環(huán)試驗(yàn)表明二次封接膠與液晶屏玻璃的粘接強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于原屏封接膠。在熱應(yīng)力條件下，不容易產(chǎn)生由膨脹程度不同而造成的機(jī)械應(yīng)力，或在熱應(yīng)力下破裂。經(jīng)過(guò)二次封接工藝改進(jìn)的液晶屏可以承受-55℃～+85℃的溫度沖擊。

液晶屏的前后玻璃基板都很薄，如果沒(méi)有特殊加固，對(duì)顯示方向的振動(dòng)非常敏感，在機(jī)載環(huán)境下，振動(dòng)頻率范圍一般為10～2000Hz，振動(dòng)帶來(lái)的液晶盒厚變化會(huì)影響顯示圖像的質(zhì)量。系統(tǒng)固有頻率為：

f0為系統(tǒng)固有頻率，為剛度，即單位變形所需的作用力大小，單位為N/m；為質(zhì)量，單位為Kg。

按照單自由度強(qiáng)迫振動(dòng)理論，把液晶屏看作一個(gè)小系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)載環(huán)境激振頻率f小于系統(tǒng)固有頻率f0的0.75倍時(shí)，系統(tǒng)相對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度增大較??；當(dāng)機(jī)載環(huán)境激振頻率f介于系統(tǒng)固有頻率f0的0.75倍至倍之間時(shí)，系統(tǒng)相對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度成倍放大甚至超過(guò)5倍；當(dāng)機(jī)載環(huán)境激振頻率f大于系統(tǒng)固有頻率f0的倍時(shí)，系統(tǒng)相對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度才會(huì)減小。因此，結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是減小系統(tǒng)固有頻率f0。我們?cè)谝壕了闹苡脺p振材料隔離，減小支撐剛性；液晶屏前后復(fù)合一定厚度的玻璃，提高液晶屏組件的抗彎曲能力，降低整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率。液晶屏抗振結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　液晶屏抗振結(jié)構(gòu)

圖3　雙面?zhèn)缺彻獗彻饽＝M結(jié)構(gòu)

可以從二級(jí)減振理論來(lái)分析，在剛性殼體和液晶屏之間用具有阻尼作用的減振隔離材料進(jìn)行隔離，形成阻尼減振系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一定的減振空間，因此剛性較小，固有頻率較低，這可以作為第一級(jí)減振。在液晶屏前后兩面用加固玻璃通過(guò)透明柔性粘接層固定成一體，也就是我們通常所說(shuō)的“三明治”結(jié)構(gòu)，這樣作為第二級(jí)減振。第二級(jí)減振空間小，液晶屏安裝環(huán)境剛性提高的同時(shí)增大了固有頻率，使其遠(yuǎn)高于第一級(jí)振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，這樣第一、二兩級(jí)系統(tǒng)就不會(huì)形成共振，液晶屏受到的振動(dòng)應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)減?。?］。

2　背光模組的設(shè)計(jì)

液晶屏本身不發(fā)光，它的亮度、均勻性等光學(xué)指標(biāo)都依賴于后部的背光模組。一般背光模組的光學(xué)功能，除了發(fā)光源外，還包含導(dǎo)光、反射、勻光（擴(kuò)散）、集光、光回收等功能［5］。為了滿足產(chǎn)品的高亮度要求，提高背光模組的發(fā)光效率，同時(shí)滿足背光的均勻性要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了雙側(cè)LED背光模組，包括雙側(cè)LED背光源、反射片、導(dǎo)光板、擴(kuò)散片、棱鏡片、偏光增量片等。圖3是雙面?zhèn)缺彻獗彻饽＝M的結(jié)構(gòu)示意圖。

LED背光源發(fā)出的光線從導(dǎo)光板入光面進(jìn)入導(dǎo)光板內(nèi)部，大部分光線在導(dǎo)光板內(nèi)部以全反射傳輸。導(dǎo)光板下側(cè)與反射片接觸面設(shè)計(jì)一些凹凸網(wǎng)點(diǎn)，當(dāng)全反射光線射到凹凸網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，反射光會(huì)往各個(gè)角度散射，破壞全反射條件，使光線從導(dǎo)光板正面射出。從導(dǎo)光板四周及下側(cè)折射出來(lái)的光經(jīng)過(guò)反射片又重新反射回導(dǎo)光板，提高了光源利用效率。導(dǎo)光板正面射出的光線經(jīng)過(guò)擴(kuò)散片后，由點(diǎn)光源變?yōu)榱炼染鶆虻拿婀庠?，防止在液晶屏前端看到LED的影子。棱鏡片是一種集光裝置，主要利用全反射和折射，將從擴(kuò)散片出來(lái)的光，集中在一定角度里出射，從而提高該視角范圍內(nèi)的亮度，但視角會(huì)相對(duì)變窄。通常使用兩張棱鏡片，上下兩張棱鏡片采用正交方式排列，分別處理水平及垂直方向的集光需求。偏光增亮片不像棱鏡片那樣通過(guò)集光來(lái)提高亮度，而是不改變光的分布，將各個(gè)方向上的出光量都提高。偏光增亮片將無(wú)法通過(guò)液晶屏下偏光片的光反射回背光系統(tǒng)重新消偏振后再次被它過(guò)濾，從而使能夠通過(guò)液晶屏下偏光片的出光量增加。

導(dǎo)光板是背光模組中的重要部件，我們選用的是亞克力材料，它具有較低的表面粗糙度和良好的光學(xué)特性。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化導(dǎo)光板的網(wǎng)點(diǎn)參數(shù)可以提高導(dǎo)光板性能。

網(wǎng)點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)主要利用軟件進(jìn)行模擬，使用LightTools軟件進(jìn)行導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)，以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)的不同類型設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)參數(shù)，模擬出接近實(shí)際的光學(xué)效果，通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)光板的網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到較好的導(dǎo)光效果。

網(wǎng)點(diǎn)參數(shù)是大小或密度變化的二維或三維網(wǎng)點(diǎn)，通過(guò)顯示網(wǎng)點(diǎn)的密度變化，可以提高背光的均勻性，同時(shí)為為避免產(chǎn)生莫爾條紋，每個(gè)區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)的密度是不一樣。通過(guò)軟件計(jì)算和模擬可以得到在一個(gè)區(qū)域內(nèi)變化網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量，得到想要的網(wǎng)點(diǎn)密度。不同區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)的密度是不一樣，結(jié)合人眼對(duì)突變是很敏感的，對(duì)漸變卻不敏感的特點(diǎn)，網(wǎng)點(diǎn)密度的變化應(yīng)該緩慢而平滑的。

生成網(wǎng)點(diǎn)后，利用激光機(jī)在亞克力板表面刻蝕線槽，制作樣品，測(cè)量其光效、均勻性等指標(biāo)，進(jìn)而調(diào)整激光機(jī)參數(shù)，優(yōu)化控制網(wǎng)點(diǎn)的大小、深度及分布，使得最終制作的導(dǎo)光板達(dá)到較理想的光效和均勻性，圖4為雙面LED側(cè)背光和導(dǎo)光板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4　雙面LED側(cè)背光和導(dǎo)光板結(jié)構(gòu)示意圖

3　控制電路設(shè)計(jì)

圖5　控制電路原理圖

液晶顯示模塊的控制電路設(shè)計(jì)主要包括背光控制設(shè)計(jì)和低溫加熱設(shè)計(jì)，控制電路原理圖見(jiàn)圖5。

背光組件透過(guò)液晶屏的亮度I與LED的單管數(shù)量N、單管亮度i、背光模組透過(guò)率T1及液晶屏的透過(guò)率T2都成正比，即：

I=N×i×s×T1×T2/（W×L）

其中，s為L(zhǎng)ED電流降額系數(shù)，背光模組透過(guò)率T1，液晶屏的透過(guò)率T2可以檢測(cè)到，W×L為液晶屏長(zhǎng)寬尺寸。實(shí)際設(shè)計(jì)中通過(guò)簡(jiǎn)化推導(dǎo)亮度與LED排布的關(guān)系，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定LED的排布。單面?zhèn)缺彻庥捎诿娣e的限制，往往LED管數(shù)目是一定的，這樣為了達(dá)到要求的亮度，就需要提高LED管的電流，電流越大，光效就越低，管子的發(fā)熱量就越高，極大地降低了LED管的可靠性，為此我們可以通過(guò)雙面?zhèn)缺彻夥绞皆黾覮ED管的數(shù)目，適當(dāng)降低LED管的電流，提高可靠性。此外，雙面?zhèn)缺彻馐欠謨陕房刂频模?dāng)其中一路出現(xiàn)故障時(shí)，另一路還可以正常工作，亮度雖然降為原來(lái)的一半，但不影響顯示質(zhì)量。

背光控制是采用恒流方式的，與恒壓方式相比較，它電路轉(zhuǎn)換率更高，電路上的發(fā)熱量更少，另一個(gè)比較明顯的優(yōu)勢(shì)是在高低溫情況下，可以消除因溫度變化導(dǎo)致LED壓降變化的影響，保持背光亮度的穩(wěn)定［6］。背光亮度調(diào)節(jié)是通過(guò)脈寬調(diào)制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微處理器通過(guò)通訊接口來(lái)調(diào)節(jié)背光信號(hào)的電流占空比來(lái)調(diào)節(jié)背光亮度，有效地實(shí)現(xiàn)亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了延長(zhǎng)背光源的使用壽命，通過(guò)背光溫度傳感探測(cè)背光的溫度值，當(dāng)溫度高于一定數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)限亮程序，自動(dòng)降低背光亮度，保證背光源在高溫環(huán)境下能夠穩(wěn)定可靠的工作。

機(jī)載液晶顯示模塊都有低溫工作的要求，為了實(shí)現(xiàn)低溫工作，設(shè)計(jì)了針對(duì)液晶屏的加熱溫控電路，使液晶屏的溫度處于正常的工作范圍，保證開(kāi)機(jī)后可在幾分鐘以內(nèi)圖像清晰，畫(huà)面流暢，動(dòng)態(tài)圖像沒(méi)有拖影［7］。溫控電路的設(shè)計(jì)包括嵌入式微型傳感器的可靠性，傳感量長(zhǎng)距離傳輸?shù)目垢蓴_能力，脈寬調(diào)制加熱功率，系統(tǒng)故障時(shí)加熱電路的自動(dòng)關(guān)閉等。低溫加熱采用脈寬調(diào)制的方法來(lái)控制，處理器多次采集被加熱物體的溫度傳感量，利用函數(shù)進(jìn)行修正后，計(jì)算出被加熱物體的準(zhǔn)確溫度，微處理器根據(jù)此溫度確定輸出占空比，對(duì)加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4　熱設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)

元器件在高溫環(huán)境中使用壽命和可靠性都會(huì)降低，輕則導(dǎo)致產(chǎn)品性能變差，重則造成產(chǎn)品功能發(fā)生永久性失效。液晶顯示模塊的熱設(shè)計(jì)［8］以結(jié)構(gòu)散熱為主，設(shè)計(jì)中主要考慮高溫元器件與殼體間的熱傳導(dǎo)散熱。對(duì)于雙面?zhèn)缺彻庖壕э@示模塊，高溫工作狀態(tài)下的熱設(shè)計(jì)主要包括LED背光源和驅(qū)動(dòng)電路上大功率芯片器件的散熱設(shè)計(jì)。采用鋁基板做LED背光源的PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）材料，使LED管的熱量集中到鋁基板上，鋁基板再通過(guò)低熱阻高導(dǎo)熱率材料與散熱板連接，散熱板與外部殼體之間用導(dǎo)熱脂或?qū)釅|連接，將熱量盡可能多地傳導(dǎo)到外部機(jī)殼上。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路上大功率芯片器件，可以單獨(dú)做散熱片，用導(dǎo)熱材料粘接，或者將芯片器件布置在接近散熱板一側(cè)，散熱板設(shè)計(jì)一定高度的凸臺(tái)，通過(guò)導(dǎo)熱材料連接，將熱量傳導(dǎo)到散熱板上。圖6是設(shè)計(jì)初期工作溫度60℃時(shí)的熱仿真模型，液晶顯示模塊上溫度較高的區(qū)域出現(xiàn)在含有背光板的兩側(cè)以及電路板上大功率芯片處，最終產(chǎn)品的實(shí)測(cè)值與該仿真模型基本接近。

圖6　熱仿真模型

EMC［9］（Electromagnetic compatibility，電磁兼容性）設(shè)計(jì)的目的是使液晶顯示模塊既能抑制各部干擾，使其在機(jī)載環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少模塊本身對(duì)飛機(jī)上其它電子設(shè)備的電磁干擾。為了滿足EMC條件，需要考慮整個(gè)液晶顯示模塊的總體方案、PCB板的布局及走線、元器件選擇以及殼體設(shè)計(jì)等等。對(duì)于機(jī)載液晶顯示模塊具體實(shí)施EMC設(shè)計(jì)方案時(shí)，主要應(yīng)從其對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽作用來(lái)進(jìn)行考慮。屏蔽主要是針對(duì)電磁場(chǎng)的輻射發(fā)射和輻射敏感度而言，同時(shí)也要考慮到高壓靜電放電。低頻段（25Hz～100KHz）主要是來(lái)自磁場(chǎng)的輻射能量，而電場(chǎng)的輻射頻率范圍就很寬，為10KHz～20GHz。所以設(shè)計(jì)時(shí)要確保顯示模塊的整個(gè)外殼（含顯示窗口）能成為一個(gè)良好的電磁屏蔽體，無(wú)狹逢、不產(chǎn)生電磁泄漏，并且能有效保護(hù)好模塊內(nèi)的元器件不受高壓靜電放電實(shí)驗(yàn)的破壞。

液晶顯示模塊除了液晶屏窗口可以泄露電磁波外，其余部分均是可以屏蔽電磁波的鋁合金材料，因此液晶屏窗口是電磁波泄露的主要窗口，也是容易受外部電磁波干擾的主要窗口。窗口電磁屏蔽層技術(shù)主要有3種：采用ITO（Indium Tin Oxidize，氧化銦錫）透明導(dǎo)電玻璃作顯示窗口屏蔽材料；采用導(dǎo)電金屬網(wǎng)作顯示窗口屏蔽材；采用EMC多功能玻璃作顯示窗口屏蔽材料。在雙面?zhèn)缺彻庖壕э@示模塊中，我們采用EMC多功能玻璃作為顯示窗口屏蔽材料。EMC多功能玻璃是一種比較理想的液晶顯示模塊顯示窗口電磁屏蔽材料，可以克服導(dǎo)電金屬網(wǎng)對(duì)顯示圖象的摩爾條紋干涉現(xiàn)象，同時(shí)采用多層鍍膜工藝技術(shù)，將表面減反功能膜與電磁兼容屏蔽膜在同一塊玻璃上制作，與單一ITO玻璃相比可以大大降低反射率，用于改善顯示屏在強(qiáng)陽(yáng)光下的可讀性。

圖7　三維模型與實(shí)物圖

5　結(jié)束語(yǔ)

基于以上技術(shù)的應(yīng)用，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了一款5寸雙面?zhèn)缺彻鈾C(jī)載液晶顯示模塊，如圖7所示。該模塊厚度薄，亮度高，工作溫度范圍寬，滿足機(jī)載振動(dòng)和電磁兼容的要求，已經(jīng)小批量供貨給客戶單位。

機(jī)載液晶顯示模塊所涉及的技術(shù)遠(yuǎn)不止上述這些，諸如光學(xué)性能，防鹽霧、防霉菌、防濕熱，殼體材料的選擇等等，都需要花大量的時(shí)間進(jìn)一步深入研究。而且原有技術(shù)也在不斷地更新，新的技術(shù)也陸續(xù)與機(jī)載液晶顯示模塊相結(jié)合，如觸摸屏技術(shù)、聲控技術(shù)，這些工作許多研究者正在開(kāi)展中。

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【作者簡(jiǎn)介】

楊斌（1982～），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)載液晶顯示加固技術(shù)。

Research into the AirborneLiquid Crystal D isp lay M odule w ith Tw o-sides Backlight

Yang Bin，W ang JunYi，M a Jian Feng，GuSh iyi，W ang CaiW ei
（China Electron ics Techno logy Group Co rpo ration NO.55 Institu te，Nan jing 210016，CHN）

【Abstract】Airborne Liquid Crystal Display Modules require light weight and thin thickness.The modeof backlight is being transited from the bottom to the lateral.This paper mainly introduces the related technology which is used in theairborne LCD module with two-sidesbacklight，such as the reinforcement of original LCD screen，the design of backlight module，the control circuit of backlight and heating in lowtemperature，the thermal design and electromagnetic compatibility design.With the technology，we have produced some LCD modules which reach the requirement for airplane.

【Key words】Airborne；Liquid Crystal Display Module；Two-sides Backlight；Related technology