基于特種顯示器的隔熱電容觸摸屏研究

桂詩信 胡詩駿 印龍生 孫 勇 后明鋼 王 杰

（1．中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241000；2． 93145 部隊，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

軍用特種穿戴顯示器一般工作環境溫度較高，易使人體不適，甚至造成皮膚病變，如何將熱源屏蔽在觸摸穿戴顯示器外部，避免熱源與太陽光都輻射進入顯示器內部導致溫度上升是一個重要的研究課題。當前，雖然已經有了將隔熱紙貼覆于玻璃外表面的解決方案，但是隔熱紙的黏貼品質是否良好取決于工藝手法，品質不易掌控。再者，長時間下來隔熱紙仍有破損或內部產生氣泡等缺陷。

眾所周知，傳統電容觸摸屏一般只包括蓋板玻璃、Sensor功能層，這類電容式觸摸屏內部都不具有隔熱、吸熱結構，產品長期在戶外使用，特別是使用在特種穿戴顯示器設備上，人體會受到紅外線及紫外線的長期侵害，在特種高溫環境中，產品內部及表面的溫度都會不斷升高，觸摸屏表面的高溫會影響用戶的使用及體驗，隨著時間的不斷推移，紫外線會加速產品的老化，導致產品黃變、氣泡返彈等，大大降低了產品的使用壽命。

該文分析并設計了一種新型隔熱電容觸摸屏，研究了其黏接液晶屏后對特種顯示器溫度的影響，為特種觸摸顯示器在極端高溫環境下的使用提供了重要的技術支持[1-4]。

1 抗輻射電容觸摸屏設計

1.1 觸摸屏總體設計

為了滿足觸摸性能、抗輻射要求以及電磁兼容要求，該電容觸摸屏總體設計思路上采用G+G+G 的結構設計方案，第一層為蓋板玻璃，第二層為傳感器功能玻璃（上下兩面分別為Rx 電極層及走線、Tx 電極層及走線），第三層為ITO屏蔽玻璃，其作用是起到電磁屏蔽的目的，3 層玻璃之間通過0.2 mm 的光學膠全貼合[5-7]。各層組成如圖1 所示。

圖1 電容屏層疊結構示意圖

通過光學膠將Sensor 功能片與蓋板玻璃和屏蔽玻璃進行有效的黏接，起到加強保護和固定的作用，主要通過以下措施來實現。1）選擇高透光性、耐高溫的OCA 光學膠。2）通過定制專用的貼合夾具，來滿足整體厚度的要求和貼合尺寸的控制。

1.2 隔熱蓋板玻璃設計

隔熱玻璃又叫低輻射玻璃，是采用磁控真空濺射技術，在玻璃表面鍍9～12層厚50 nm～300 nm的金屬化合物膜涂層。涂層的作用首先是反射遠紅外輻射，有效降低玻璃的傳熱系數。其次是反射太陽中的熱輻射，有選擇地降低遮陽系數。同時，并不過多的限制可見光的穿透，其示意圖如圖2 所示。

圖2 示意圖

可達到以下技術指標。1） 抗彎強度≥200 MPa。2） 1 100 nm波長范圍內，透過率衰減率≤0.8%。3） 二次電子發射系數≤3.0。4） 耐熱沖擊溫度：≥280 ℃。將其作為觸摸屏的蓋板玻璃，通過光學膠水綁定觸摸Sensor 功能片達到抗輻射隔熱玻璃和觸摸屏二合一的效果，一方面起到保護和加固觸摸屏功能片的作用，另一方面切斷對人體有害的電子輻射、紫外線、遠紅外線，起到了防輻射的效果[8]。

1.3 光學綁定及加固設計

目前，光學綁定主要采用面黏和框貼2 種形式，面黏工藝在光學顯示以及可靠性均優于框貼工藝，面黏工藝難度以及復雜程度要高于框貼工藝，面黏工藝熟練程度以及工藝實現的穩定性較高，面黏框貼對比表見表1。

表1 面黏框貼對比表

結合前期類似產品的工藝設計，決定實驗選用面黏工藝，并選用一款雙組分膠水。該款膠水已經在很多項目中應用，性能穩定、可靠。使用溫度范圍為-55 ℃～200 ℃，滿足該實驗的要求。

光學綁定主要需要考慮5 個參數：1）表面漏光角度和遮光方案設計。2）光學膠固化方案設計。3）對齊控制。4）補強及密封設計。5）抗振動、沖擊設計。

1.3.1 液晶屏組件表面遮光處理

由于顯示器趨向于輕薄化，液晶屏組件安裝框架較薄，背光發光區域遠大于AA 區，如果遮光處理不可靠，背光發出的光會從液晶屏組件側邊直射或者反射出來，影響顯示效果。漏光角度示意圖如圖3 所示。

液晶屏組件易發生漏光、反光的區域主要有以下地方：未被偏振片覆蓋的上下玻璃基板、偏振片側壁以及觸摸屏背面絲印圖形。

圖3 漏光角度示意圖

通過計算發現，液晶屏組件本身的漏光角度在25°以內，漏光角度較大，需要進行遮光處理。在無效區的漏光區域設計遮光層，通過遮擋，使反射光降低到5°以內，其示意圖如圖4 所示。

圖4 設置遮光層后漏光角度示意圖

1.3.2 光學膠厚度控制工藝

綁定示意圖如圖5所示，光學膠厚度選擇為0.5 mm～0.6 mm，基于以下3 點考慮：1）較好的緩沖能力。2）膠層比較均勻，不容易產生應力集中。3）工藝比較成熟，很少產生氣泡等故障。

對于膠水厚度的控制，準備采用模切好的墊片，均勻地放置在屏的4 條邊上，共24 個墊片。為了保證一致性，將墊片全部放置在上偏振片上（距離偏振片邊緣1.0 mm～1.5 mm，此處位置距離有效區及結構窗口較遠，不會外露出顯示窗口，風險較小）。每個墊片的厚度為0.5 mm～0.6 mm。考慮到濾光片的自重和膠水的收縮，會對墊片造成一定的壓力，所以，將墊片的厚度設置成6 層。該工藝屬于成熟工藝，難度較低，最后對以上設計進行膠水應力仿真。

圖5 光學膠綁定工藝示意圖

1.3.3 電容觸摸屏對齊工藝

該實驗項目中選用的21.5 寸觸摸屏和液晶屏組件均為現有的零部件，根據現有的設計對齊方式，即出線兩邊是1.9 mm、2.2 mm 的對齊尺寸，對齊示意圖如圖6 所示。

圖6 屏蔽濾光片對齊方式示意圖

該種凸出對齊方案，須使用定位夾具來輔助精準完成，如圖7 所示。

圖7 定位夾具三維圖

“夾緊裝置”將定位夾具固定到綁定用的墊高夾具上，通過“千分尺”調整“擋塊”的縮進，該項目中將調整到距離液晶屏組件大玻璃邊緣2.4 mm 的位置處，“翻轉機構”可以實現擋塊的整體翻轉，方便操作員進行防漏膠處理，可以實現高精度、高可靠的對齊尺寸控制，定位示意圖如圖8 所示。

圖8 定位工藝示意圖

1.3.4 硅膠封口補強工藝

為了避免液晶屏組件四周因膠層厚度不同導致在高低溫下出現應力的現象，因此工藝上需要對液晶屏組件上玻璃基板以外的區域進行掏膠處理。為了減少因掏膠而導致的四周綁定力度較差的情況，工藝人員在掏膠完成后，需要在掏膠的位置處涂覆硅膠封口，進行四周補強處理，如圖9 所示，該措施同時也可以最大限度地減少光學膠與空氣的接觸，提升產品可靠性。

圖9 硅膠封口補強示意圖

1.3.5 抗振動、沖擊設計

由于顯示器外形較大，振動強度高，因此在結構設計及工藝處理方面要求較高。首先，對液晶屏進行光學綁定，以增加玻璃基板的強度，光學膠對液晶屏起到了減震、緩沖的作用，提高了屏本身的抗振性。其次，通過結構設計及工藝處理對液晶屏組件進行加固減振。該顯示器的液晶屏組件由液晶屏、電容觸摸屏組成。由于電容觸摸屏的尺寸大于液晶屏的大玻璃尺寸，屏框架內腔與電容觸摸屏四周及下表面均留有1.0 mm間隙用于貼覆減振泡棉和硅橡膠灌封，以此來加固整個液晶屏組件。液晶屏與屏框架四周留有1.0 mm 間隙貼覆減震泡棉，屏框架底面與液晶屏底面空間不需要貼泡棉，液晶屏中除了上表面與電容觸摸屏接觸外，其余方向不受力，減少了液晶屏受力變形的概率。一方面采用灌封的方式加固，另一方面通過背光框架擠壓固定。經過前期的加固驗證，可以滿足振動要求，抗振動沖擊的工藝處理相對穩定，如圖10 所示。

2 實驗

選用全貼合71.67 cm 液晶屏制作完成的71.67 cm 胸前穿戴觸摸顯示器做溫度隔熱試驗，顯示器內置溫度傳感器可以實時測試溫度，筆者將其綁定在模擬人體的胸前放置在溫度試驗箱中保溫1 h 后進行模擬實驗，得到了環境溫度與顯示器內部溫度之間的關系，并記錄數據見表2。

表2 溫度試驗

從圖中可以看出，隨著溫度的增加，隔熱電容觸摸屏的隔熱效果逐漸變低，這是因為外部環境溫度逐步上升后，內部溫度在逐漸積累，熱量很難散去，溫度也會逐漸加大，隔熱效果降低[9]。

圖10 液晶屏組件加固結構圖

3 結論

該文分析并設計了一種新型隔熱電容觸摸屏。研究了其全貼合液晶屏后對特種穿戴顯示器溫度的影響，為特種觸摸穿戴顯示器在極端高溫環境下使用提供了重要的技術支持。