一種高亮度TFT模組的研發

河源思比電子有限公司 朱文輝 李國榮

河源職業技術學院 謝智陽 陳艷芳 鐘建坤

0 引言

液晶顯示器件本身是非發光性器件，需經背光源照射至偏光片和濾光片等輔助結構至顯示面，以達到液晶顯示圖像的效果。因此提高液晶顯示亮度可以通過提高背光源的亮度、增加濾光片的透光率和提高像素開口率等方法均可實現提高液晶顯示亮度的要求[1-2]。

發光二極管(LED)壽命長、發光效率高和節能環保等優點，LED背光源已成為液晶顯示器的主流背光源[3]。戶外工控設備及儀器儀表大都是LED及CRT顯示，隨著顯示技術的發展以及TFT模組的價格的大眾化，在顯示尺寸及功耗有著巨大優勢的TFT顯示模組，不久將會在設備及工控產品及儀器儀表領域替代LED及CRT顯示。但現在最主要的技術難點是常用的TFT顯示模組在陽光下或高強照明下，對比度差、眩目、可讀性差等問題。

本文提出一種超高亮度TFT顯示模組，可在陽光等強光可讀，解決了戶外工控設備及儀器儀表的屏顯問題。

圖1 高亮度TFT模組系統原理圖Fig.1 Block diagram of hight brightness TFT module system

1 高亮度TFT顯示模組結構

圖1為高亮度TFT模組系統原理圖。它主要由TFT屏組件、模組驅動電路、背光組件、鐵框等組成。模組驅動電路由驅動IC、FPC、ACF等構成。背光由導光板、LED電路、膠框、反射膜、增光膜、擴散膜等組成[4]。

高亮度TFT模組項目主要研究開發出一種方案：使普通模式TFT模組可以在強陽光或照明條件下可讀，替代市面上高成本的半透TFT模組和復合偏光片TFT模組。在傳統的TFT模組上通過增加背光的亮度來提升模組的顯示亮度，達到強陽光下讀，并在強陽光照曬下避免傳統偏光片短時間失效發白現象。

2 提高背光亮度設計

背光源亮度估算公式：

式中：N＝n1*n2*n3*n4*n5*n6；

其中最重要的：n1顔色系數：G=0.3 B＝0.4 W＝0.5；n2為膜片系數：1擴＝1；2擴＝1.3～1.5；n3為導光板形狀系數；n4為出系數，單面出光n4=1,雙面出光n4=0.7；n5為單個LED電流系數；n6為產品類型系數；IV為單個LED發光強度(mcd),If=20mA時；A為發光區面積(mm2)。

從公式可看出，基于常用5寸TFT模組，在同等厚度及功耗下大幅度提升亮度最直接有效的方法是采用低功耗小體積的高亮LED，并相應優化驅動電路FPC設計等。

2.1 LED的選擇設計

本文采用最新雙芯片4014LED貼片燈珠，亮度高，散熱好，壽命長。該LED為白色發光，工作電壓22.4V-25.6V,工作電流90mA，發光亮度可達6500K，能有效保證本文所需的亮度需求。如圖2所示：4014 LED。

2.2 LED背光驅動電路設計

LED驅動電路是LED背光源正常顯示的重要保障，選擇穩定的驅動電路方案對產品的穩定性至關重要[5-6]。本文選擇了致新科技的G2619 led驅動模塊，該驅動模塊是高效率的恒流DC-DC轉換器，IC設計主要用在LED模塊的應用，輸入電壓0至20V,適用于驅動串聯LED，逐周期電流電流檢測，具備軟啟動功能。PWM頻率為100Hz和200kHz之間，占空比5%至100%可調，而且具備低參考電壓、功率損耗小等有點。本文驅動電路如圖3所示。

圖2 4014 LED圖片Fig.2 4014 LED picture

背光驅動電路散熱設計高亮度液晶模組穩定工作的另一關鍵點，傳統的背光PCB設計是用FR4 PCB，但在高亮度TFT顯示模組上，傳統的FR4的電路設計散熱能力不強，導致背光過熱，影響壽命。本文采用恒流串聯驅動方式，采用雙面FPC設計方法，無走線及背面處大面積網格敷銅，并且采用厚銅膜的FPC基材，增強散熱性。如圖4所示。

圖3 LED驅動電路Fig.3 LED circuit

圖4 LED電路散熱設計圖Fig.4 heat dissipation design of the LED circuit

2.3 LED背光高耐久的增光片材

背光采用高耐久的增光片材，不但增加亮度，而且使模組在長時間的高溫下不會出現常規TFT出現的片材變形和爆燈現象。

3 高亮度TFT模組的結構散熱設計

模組在背光高亮工作條件下，會在模組內產生高熱，大大降低TFT－LCD及背光源的壽命，在設計模組時研發一種方案用以解決模組因為超高亮導致發熱問題。

3.1 模組結構的散熱設計

根據高亮度TFT-LCD模組項目的特殊要求：設計時對模組的背光膠框支架與鐵框的進行優化設計，首先，變更鐵框的材質，由原來常用的材質為0.3mm厚度材質的鐵框，改為采用0.2厚度的鍍鋅鋁框，以便模組將背光產生的內部熱量散發出來，其次，背光膠框架的設計與常規的設計有所不同。常規的設計是LED背光FPC電路板是與膠框貼合，不利散熱，此研發方案采用將膠框與FPC貼合處，LED貼片座所在的位置將膠框鏤空，以便每顆LED工作時及時散熱，此膠框設計如圖5所示。背光LED電路中每顆LED對應的膠框處皆鏤空開孔。

3.2 模組的背光組裝工藝散熱設計

為了能更好的將LED工作時產生的熱量排出模組內部，需要想辦法充份利用背光膠框已鏤空開孔，以及鐵框已采用更薄的優勢，此項目在組裝工藝中采用了一種新方法，利用導熱硅膠，在組裝時，將導熱硅膠填充于膠框鏤空處，讓LED燈座下方的FPC通過導熱硅膠組合后與鐵框相連，可快速的將LED產生的熱量導到鍍鋁鋅板，通過鍍鋁鋅框散熱。

圖5 背光膠框散熱設計圖Fig.5 heat dissipation design of the plastic box

4 結果

4.1 超高亮度TFT-LCD顯示模組的高亮度效果

在研究中以5寸常規的TFT模示模組為基礎，采用以上的幾點措施，研制出了5寸高亮度TFT顯示模組取得以下技術參數：如表1和表2所示：

表1 高亮度TFT-LCD模組DC技術參數

表2 背光技術參數

樣品的主要光電指標如圖6所示：從樣品的測試數據分析可得出：在正常的驅動條件下，在同等功耗等級下，經中檢建團南方電子測試中心測定，樣品亮度達到 1341cd/m2。

高亮度TFT-LCD模組光電技術參數如表3所示。

表3 光電技術參數

圖6 樣品結果測試圖

4.2 高亮度TFT-LCD顯示模組的可靠性效果

為了提高高亮度TFT模組的可靠性，研發方案中采用了提高散熱，采用耐久增光片，防止高溫下出現常規TFT出現的片材變形和爆燈現象。為了驗證效果，樣品作了老化測試，高低測試，冷熱沖擊實驗，溫度循環實驗等，從實驗結果圖9可得出：高亮度TFT顯示模組完全滿足可靠性實驗的要求。可實現在強陽光下持續持續工作240小時。

結論

本文的高亮度TFT模組，在研發過程中創新性的采用新型LED，雙面厚銅膜FPC并大面積網格敷銅。應用高耐久增光片，采用新工藝解決模組內部散熱，研制成功高亮度TFT-LCD模組。高亮度TFT模組產品達到預期目標：（1）亮度達1000cd/m2。（2）通過高低溫，冷熱沖擊等老化測試，產品可在強陽光或強光照下正常工作240小時。（3）光電技術參數表

[1]范曼寧,張國義,郝茂盛,陳云峰.半戶外液晶顯示用高亮度直下式LED背光設計[J].液晶與顯示,2012,27(1):47-50.

[2]羅麗平,贠向南,金基用.TFT- LCD生產及發展概況[J].現代顯示,2012,134:31-38.

[3]王麗萍,范峰巖.TFT-LCD用高亮度LED背光系統的設計[J].山西電子技術,2008,5:52-60.

[4]莊巧豎.TFT-LCD與OLED圖像顯示降低功耗方法的研究與實現[D].廣州:華南理工大學,2016.

[5]杜士才.一種線性LED恒流驅動電路的設計[D].成都:電子科技大學,2012.

[6]李軍偉.一種線性LED恒流驅動電路的設計[D].大連:大連理工大學,2007.