雙面側背光機載液晶顯示模塊技術研究

楊　斌，王軍義，馬劍鋒，顧適夷，王彩瑋

（中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京　210016）

雙面側背光機載液晶顯示模塊技術研究

楊斌，王軍義，馬劍鋒，顧適夷，王彩瑋

（中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京210016）

【摘要】機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背光方式轉變。本文主要介紹了雙面側背光機載液晶顯示模塊中涉及到的一些相關技術，如液晶屏原屏加固、背光模組設計、背光電路控制、低溫加熱控制、熱設計以及電磁兼容設計。并運用這些技術生產出了產品，達到了機載要求。

【關鍵詞】機載；液晶顯示模塊；雙面側背光；相關技術

引言

顯示模塊作為人機交互的界面，承載著大量信息傳遞的功能。隨著液晶顯示技術的發展，液晶顯示模塊以其顯色性好，輕薄、低功耗等優勢，逐漸成為主流顯示器件［1］，不僅在工業、商業以及家庭領域內得到廣泛應用，在軍工領域內也逐步得到普及。早期替代進口CRT［2］（Cathode Ray Tube，陰極射線管）顯示模塊的機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，背光板到光學膜組之間至少有10mm左右的距離，也就是我們通常所說的燈腔高度?，F在整機生產廠家對顯示模塊厚度和重量要求越來越高，側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。雙面側背光相對于單面側背光來說，可以更有效地提高LED（Lighting Emitting Diode，發光二極管）的可靠性。

1　液晶屏組件的加固設計

機載液晶顯示模塊結構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封接邊框連接成封閉空間，在封閉空間內充滿液晶材料實現顯示功能［3］。普通液晶屏的封接邊框材料相對廉價，膨脹系數不能很好地與液晶屏兩片玻璃相匹配。在惡劣的機載環境條件下，封接邊框，特別是封接邊框的封口處容易出現裂縫?？諝鈺刂芽p處擠進充滿液晶的封閉空間，這樣液晶就會被擠出，在缺少液晶的區域，液晶屏工作時將出現黑色斑塊，導致液晶屏失效。針對液晶屏封接邊框封口處受應力液晶泄漏問題，我們采用進口封接邊框材料，對液晶屏進行二次封接，如圖1所示。

圖1　二次封結

二次封接的膠膨脹系數相對原屏封接膠更接近玻璃的膨脹系數。另外二次封接膠的溫度性能指標為-70℃～+150℃，遠比普通封接膠的-30℃～+85℃溫度范圍寬，反復的溫度循環試驗表明二次封接膠與液晶屏玻璃的粘接強度也遠高于原屏封接膠。在熱應力條件下，不容易產生由膨脹程度不同而造成的機械應力，或在熱應力下破裂。經過二次封接工藝改進的液晶屏可以承受-55℃～+85℃的溫度沖擊。

液晶屏的前后玻璃基板都很薄，如果沒有特殊加固，對顯示方向的振動非常敏感，在機載環境下，振動頻率范圍一般為10～2000Hz，振動帶來的液晶盒厚變化會影響顯示圖像的質量。系統固有頻率為：

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

按照單自由度強迫振動理論，把液晶屏看作一個小系統，當機載環境激振頻率f小于系統固有頻率f0的0.75倍時，系統相對振動強度增大較小；當機載環境激振頻率f介于系統固有頻率f0的0.75倍至倍之間時，系統相對振動強度成倍放大甚至超過5倍；當機載環境激振頻率f大于系統固有頻率f0的倍時，系統相對振動強度才會減小。因此，結構減振設計的關鍵是減小系統固有頻率f0。我們在液晶屏四周用減振材料隔離，減小支撐剛性；液晶屏前后復合一定厚度的玻璃，提高液晶屏組件的抗彎曲能力，降低整個系統的固有頻率。液晶屏抗振結構如圖2所示。

圖2　液晶屏抗振結構

圖3　雙面側背光背光模組結構

可以從二級減振理論來分析，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行隔離，形成阻尼減振系統，設計一定的減振空間，因此剛性較小，固有頻率較低，這可以作為第一級減振。在液晶屏前后兩面用加固玻璃通過透明柔性粘接層固定成一體，也就是我們通常所說的“三明治”結構，這樣作為第二級減振。第二級減振空間小，液晶屏安裝環境剛性提高的同時增大了固有頻率，使其遠高于第一級振動系統的固有頻率，這樣第一、二兩級系統就不會形成共振，液晶屏受到的振動應力也會相應減小［4］。

2　背光模組的設計

液晶屏本身不發光，它的亮度、均勻性等光學指標都依賴于后部的背光模組。一般背光模組的光學功能，除了發光源外，還包含導光、反射、勻光（擴散）、集光、光回收等功能［5］。為了滿足產品的高亮度要求，提高背光模組的發光效率，同時滿足背光的均勻性要求，我們設計了雙側LED背光模組，包括雙側LED背光源、反射片、導光板、擴散片、棱鏡片、偏光增量片等。圖3是雙面側背光背光模組的結構示意圖。

LED背光源發出的光線從導光板入光面進入導光板內部，大部分光線在導光板內部以全反射傳輸。導光板下側與反射片接觸面設計一些凹凸網點，當全反射光線射到凹凸網點時，反射光會往各個角度散射，破壞全反射條件，使光線從導光板正面射出。從導光板四周及下側折射出來的光經過反射片又重新反射回導光板，提高了光源利用效率。導光板正面射出的光線經過擴散片后，由點光源變為亮度均勻的面光源，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，將從擴散片出來的光，集中在一定角度里出射，從而提高該視角范圍內的亮度，但視角會相對變窄。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集光來提高亮度，而是不改變光的分布，將各個方向上的出光量都提高。偏光增亮片將無法通過液晶屏下偏光片的光反射回背光系統重新消偏振后再次被它過濾，從而使能夠通過液晶屏下偏光片的出光量增加。

導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特性。通過設計優化導光板的網點參數可以提高導光板性能。

網點參數設計主要利用軟件進行模擬，使用LightTools軟件進行導光板的設計，以幾何光學為基礎，根據網點的不同類型設置恰當的光學參數，模擬出接近實際的光學效果，通過優化導光板的網點結構參數，可以得到較好的導光效果。

網點參數是大小或密度變化的二維或三維網點，通過顯示網點的密度變化，可以提高背光的均勻性，同時為為避免產生莫爾條紋，每個區域網點的密度是不一樣。通過軟件計算和模擬可以得到在一個區域內變化網點的數量，得到想要的網點密度。不同區域網點的密度是不一樣，結合人眼對突變是很敏感的，對漸變卻不敏感的特點，網點密度的變化應該緩慢而平滑的。

生成網點后，利用激光機在亞克力板表面刻蝕線槽，制作樣品，測量其光效、均勻性等指標，進而調整激光機參數，優化控制網點的大小、深度及分布，使得最終制作的導光板達到較理想的光效和均勻性，圖4為雙面LED側背光和導光板系統結構示意圖。

圖4　雙面LED側背光和導光板結構示意圖

3　控制電路設計

圖5　控制電路原理圖

液晶顯示模塊的控制電路設計主要包括背光控制設計和低溫加熱設計，控制電路原理圖見圖5。

背光組件透過液晶屏的亮度I與LED的單管數量N、單管亮度i、背光模組透過率T1及液晶屏的透過率T2都成正比，即：

I=N×i×s×T1×T2/（W×L）

其中，s為LED電流降額系數，背光模組透過率T1，液晶屏的透過率T2可以檢測到，W×L為液晶屏長寬尺寸。實際設計中通過簡化推導亮度與LED排布的關系，結合經驗和實測數據確定LED的排布。單面側背光由于面積的限制，往往LED管數目是一定的，這樣為了達到要求的亮度，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，為此我們可以通過雙面側背光方式增加LED管的數目，適當降低LED管的電流，提高可靠性。此外，雙面側背光是分兩路控制的，當其中一路出現故障時，另一路還可以正常工作，亮度雖然降為原來的一半，但不影響顯示質量。

背光控制是采用恒流方式的，與恒壓方式相比較，它電路轉換率更高，電路上的發熱量更少，另一個比較明顯的優勢是在高低溫情況下，可以消除因溫度變化導致LED壓降變化的影響，保持背光亮度的穩定［6］。背光亮度調節是通過脈寬調制的方式來實現的。微處理器通過通訊接口來調節背光信號的電流占空比來調節背光亮度，有效地實現亮度的自動調節。為了延長背光源的使用壽命，通過背光溫度傳感探測背光的溫度值，當溫度高于一定數值時，啟動限亮程序，自動降低背光亮度，保證背光源在高溫環境下能夠穩定可靠的工作。

機載液晶顯示模塊都有低溫工作的要求，為了實現低溫工作，設計了針對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，保證開機后可在幾分鐘以內圖像清晰，畫面流暢，動態圖像沒有拖影［7］。溫控電路的設計包括嵌入式微型傳感器的可靠性，傳感量長距離傳輸的抗干擾能力，脈寬調制加熱功率，系統故障時加熱電路的自動關閉等。低溫加熱采用脈寬調制的方法來控制，處理器多次采集被加熱物體的溫度傳感量，利用函數進行修正后，計算出被加熱物體的準確溫度，微處理器根據此溫度確定輸出占空比，對加熱功率進行調節。

4　熱設計和電磁兼容設計

元器件在高溫環境中使用壽命和可靠性都會降低，輕則導致產品性能變差，重則造成產品功能發生永久性失效。液晶顯示模塊的熱設計［8］以結構散熱為主，設計中主要考慮高溫元器件與殼體間的熱傳導散熱。對于雙面側背光液晶顯示模塊，高溫工作狀態下的熱設計主要包括LED背光源和驅動電路上大功率芯片器件的散熱設計。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，鋁基板再通過低熱阻高導熱率材料與散熱板連接，散熱板與外部殼體之間用導熱脂或導熱墊連接，將熱量盡可能多地傳導到外部機殼上。對于驅動電路上大功率芯片器件，可以單獨做散熱片，用導熱材料粘接，或者將芯片器件布置在接近散熱板一側，散熱板設計一定高度的凸臺，通過導熱材料連接，將熱量傳導到散熱板上。圖6是設計初期工作溫度60℃時的熱仿真模型，液晶顯示模塊上溫度較高的區域出現在含有背光板的兩側以及電路板上大功率芯片處，最終產品的實測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）設計的目的是使液晶顯示模塊既能抑制各部干擾，使其在機載環境中能夠正常工作，同時又能減少模塊本身對飛機上其它電子設備的電磁干擾。為了滿足EMC條件，需要考慮整個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計等等。對于機載液晶顯示模塊具體實施EMC設計方案時，主要應從其對電磁場的屏蔽作用來進行考慮。屏蔽主要是針對電磁場的輻射發射和輻射敏感度而言，同時也要考慮到高壓靜電放電。低頻段（25Hz～100KHz）主要是來自磁場的輻射能量，而電場的輻射頻率范圍就很寬，為10KHz～20GHz。所以設計時要確保顯示模塊的整個外殼（含顯示窗口）能成為一個良好的電磁屏蔽體，無狹逢、不產生電磁泄漏，并且能有效保護好模塊內的元器件不受高壓靜電放電實驗的破壞。

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主要有3種：采用ITO（Indium Tin Oxidize，氧化銦錫）透明導電玻璃作顯示窗口屏蔽材料；采用導電金屬網作顯示窗口屏蔽材；采用EMC多功能玻璃作顯示窗口屏蔽材料。在雙面側背光液晶顯示模塊中，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，可以克服導電金屬網對顯示圖象的摩爾條紋干涉現象，同時采用多層鍍膜工藝技術，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陽光下的可讀性。

圖7　三維模型與實物圖

5　結束語

基于以上技術的應用，我們設計研發了一款5寸雙面側背光機載液晶顯示模塊，如圖7所示。該模塊厚度薄，亮度高，工作溫度范圍寬，滿足機載振動和電磁兼容的要求，已經小批量供貨給客戶單位。

機載液晶顯示模塊所涉及的技術遠不止上述這些，諸如光學性能，防鹽霧、防霉菌、防濕熱，殼體材料的選擇等等，都需要花大量的時間進一步深入研究。而且原有技術也在不斷地更新，新的技術也陸續與機載液晶顯示模塊相結合，如觸摸屏技術、聲控技術，這些工作許多研究者正在開展中。

【參考文獻】

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［9］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結構設計原理［M］.南京：東南大學出版社，2001：254-259.

【作者簡介】

楊斌（1982～），男，碩士，工程師，研究方向為機載液晶顯示加固技術。

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