加固屏高温显示特性分析

薛亚萍，冯奇斌，严 乔，洪 纯，吕国强

(合肥工业大学,a.特种显示技术教育部重点实验室； b.特种显示技术国家工程实验室；c.现代显示技术省部共建国家重点实验室；d.光电技术研究院，合肥 230009)

加固屏高温显示特性分析

薛亚萍a,b,c,d，冯奇斌d，严 乔d，洪 纯d，吕国强d

(合肥工业大学,a.特种显示技术教育部重点实验室； b.特种显示技术国家工程实验室；c.现代显示技术省部共建国家重点实验室；d.光电技术研究院，合肥 230009)

应用于高温环境下的加固液晶屏通常会出现显示不均问题，严重影响显示效果。针对这个问题，提出了利用试验和有限元仿真相结合的方法对加固液晶屏高温显示特性进行分析。首先利用有限元仿真软件对液晶原屏和加固液晶屏进行热力学仿真，分析液晶层厚度的变化，再对其进行热力学试验，并与仿真相对比，最后结合仿真和试验结果得出：出现显示不均(Mura)现象的位置处液晶层的厚度发生了明显的变化，并且随着液晶层厚度变化增大，Mura现象更明显；高温环境下加固液晶屏较容易出现Mura，且不同厂家的液晶屏出现高温显示Mura的概率不同。为了降低高温环境下Mura出现的机率，建议对原屏进行筛选。

液晶显示器； 加固液晶屏； 显示不均； 液晶层； 有限元仿真

0 引言

液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)以其体积小、能耗低、显示质量高、辐射小、抗干扰性好等显著优点受到青睐，成为当今主流显示器[1]。但在航空航天领域，普通液晶屏无法适应振动、强光、电磁、潮湿等恶劣环境[2]。为了保证液晶屏在特殊环境下的显示质量，必须对其进行加固。通常采用的加固方法是通过光学胶将普通商用的液晶屏与加固玻璃进行绑定。而当加固屏长时间工作于70 ℃高温环境下时，由于加固玻璃、光学胶、液晶盒等原件的热膨胀系数和弹性模量的不同将对液晶盒产生额外的应力[3-4]，造成显示不均(Mura)。但由于液晶屏内部的复杂结构，目前的测试技术和设备无法直接准确测得绑定了加固玻璃后的液晶屏在高温环境下的液晶层厚度变化。而近年来随着计算机运行速度的不断提高,有限元分析[5-6]在工程设计和分析中得到了越来越广泛的应用。于是本文提出采用软件仿真和试验相结合的方法，针对不同厂家液晶屏展开研究，以期帮助生产厂家提高加固良好率。

1 有限元仿真分析

根据液晶屏显示原理[7-8]可知LCD的光透过率T为

(1)

式中：Δn表示液晶的双折射率；d表示液晶层的厚度；λ表示光线的波长；ψ为液晶分子的方位角。从式(1)可看出光透过率与液晶层厚度d有直接联系。所以本文试图通过热力学仿真和试验获得不同温度和力载荷下在液晶屏Mura显示区域的液晶层厚度变化趋势，以深入研究Mura显示现象与液晶层厚度变化之间的联系。

加固LCD由液晶原屏与加固玻璃绑定获得，有限元仿真模型如图1所示。

图1 加固液晶屏仿真模型Fig.1 Simulation model of rugged LCD

模型主要包括加固玻璃、光学胶、上偏光片、CF基板、液晶层、TFT基板以及下偏光片。由于各部件的热力学参数很难独立测得，故对各部件进行等效并利用试验测量与有限元仿真分析获得各部件的热力学参数[9-10]。表1给出了仿真模型中各元件的热力学参数，其中,LCD1和LCD2是性能参数完全相同，来自不同厂家的液晶原屏。Ex,Ey,Ez分别为x,y,z方向的弹性模量;Gxy,Gxz,Gyz分别为xy,xz,yz面的剪切模量;α为热膨胀系数。

表1 加固LCD各部件热力学参数

利用有限元仿真软件分别对液晶原屏和加固液晶屏进行热力学仿真，加载和约束方式如图2所示。

图2 热力学分析模型Fig.2 Thermodynamic simulation model

以液晶屏LCD1为例。图3给出了22 ℃环境下拉力为12 N时液晶原屏和加固液晶屏液晶层应力(Mpa)分布图及70 ℃环境下拉力为12 N,时加固液晶屏液晶层应力(Mpa)分布图，发现在液晶原屏加力环周围及加固屏加固玻璃边缘区域出现应力集中，并且高温环境下应力值明显增大。

图3 液晶层应力分布Fig.3 Stress distribution of liquid crystal layer

由式(1)可以看出，液晶层厚度的变化直接影响各波长光线的透过率。取70 ℃环境下，12 N拉力作用下液晶原屏LCD1和加固液晶屏LCD1液晶层厚度变化值如图4所示。

图4 液晶层厚度变化Fig.4 Thickness variation of liquid crystal layer

根据仿真结果可以看出，液晶原屏和加固液晶屏分别在加力环周围、加固玻璃边缘区域出现应力集中，且液晶层厚度有明显的变化，导致各波长的透过率变化不一致，从而出现Mura。下文通过有限元仿真分别获得在常温和高温环境中随拉力增大，其加固玻璃边缘液晶层厚度变化值，如图5所示。

图5 22 ℃和70 ℃不同拉力作用时液晶层厚度变化值Fig.5 Thickness variation of liquid crystal layer underdifferent forces at 22 ℃ and 70 ℃

根据以上仿真结果可以看出，液晶层厚度变化值随着拉力的增大而增大，并且通过图5可以看出，相同的外界条件下，液晶原屏LCD1的液晶层厚度变化大于液晶原屏LCD2的液晶层厚度变化，并且加固处理和高温环境会使液晶层厚度变化明显增大。

为探究相同的温度变化对不同液晶屏的影响所存在的差异，将70 ℃下的液晶厚度变化与22 ℃下的液晶层厚度变化值相减得到图6所示数据。

图6 70 ℃和22 ℃下液晶层厚度变化值之差Fig.6 Difference of thickness variation of liquid crystal layer at 70 ℃ and 22 ℃

液晶原屏在常温和高温环境下的液晶层厚度变化值之差在14～58 nm之间，而加固屏液晶屏在常温和高温环境下的液晶层厚度变化值之差在80～223 nm之间。所以与液晶原屏相比较，加固屏对外界环境变化更敏感，并且不同的液晶原屏对外界环境变化的敏感程度也不同。

2 液晶原屏试验

在LCD1和LCD2的中间粘贴加力环，对其施加垂直拉力，观察液晶屏Mura显示现象。显示现象如图7所示。

图7 液晶屏Mura显示现象Fig.7 Mura of LCD

使用高低温试验箱给液晶原屏提供22 ℃和70 ℃恒温环境，并通过加力装置分别对液晶原屏LCD1和液晶原屏LCD2施加2～12 N拉力，观察并记录白场下是否出现Mura现象，结果如表2所示。

表2液晶原屏在不同温度和不同拉力下Mura现象

Table 2 Mura of LCD under different temperature and different forces

可以看出，随着拉力的增加，在拉力环附近逐渐出现黄色Mura，并且结合仿真结果可以得出，随着拉力的增大，液晶层厚度变化值增大，Mura越明显。即液晶层厚度变化大小与Mura显示明显程度呈正相关。常温环境试验中，LCD1在8 N拉力下开始出现Mura，LCD2在12 N拉力下开始出现Mura，对应的液晶层厚度变化值分别为213 nm，200 nm。而在70 ℃高温环境下，液晶屏LCD1在6 N作用力下开始出现Mura，液晶屏LCD2在8 N作用力下开始出现Mura，对应的液晶层厚度变化值分别为181 nm,182 nm。可见当液晶层发生181 nm的厚度变化时，液晶屏开始出现Mura，并且在高温环境下更是容易出现Mura，且LCD1较容易出现显示不均现象。

3 加固液晶屏试验

使用光学胶将LCD1和LCD2与加固玻璃进行绑定得到加固液晶屏1(加固LCD1)和加固液晶屏2(加固LCD2)，然后在加固液晶屏的中间粘贴加力环，使用相同的加力装置对加固液晶屏施加垂直拉力,加固液晶屏Mura显示现象如图8所示。

图8 加固屏Mura显示现象Fig.8 Mura of rugged LCD

同样将加固LCD1和加固LCD2放置在22 ℃和70 ℃恒温环境中，并施加2～12 N拉力，观察并记录白场下是否出现Mura现象，结果如表3所示。

表3 加固液晶屏在不同温度和拉力下Mura现象

可以看出，液晶原屏经过加固后，Mura显示区域由原先的中间加力环周围区域变成了加固玻璃边缘区域，与仿真中液晶层厚度变化区域吻合,而且高温环境下Mura更容易出现。LCD1经加固后依然较容易出现显示不均现象。而与液晶原屏相比较，加固后的液晶屏更容易出现Mura。

4 结论

本文利用试验测试与软件仿真相结合的方法分析了加固液晶屏在70 ℃高温环境下的显示特性，首先利用有限元仿真软件并结合理论分析，最后通过试验验证，获得其Mura出现位置处液晶层厚度变化值与Mura显示明显程度呈正相关；高温下液晶层厚度变化明显增大，即高温环境下更容易出现Mura显示现象；加固液晶屏对温度的变化更敏感，即相同的温度变化下加固屏会产生较大的液晶层厚度的变化，进而引起Mura显示；不同厂家的液晶屏经过相同的加固处理后，会产生不同的高温变形，即Mura出现的临界值不同。建议加固液晶屏生产厂家加强对液晶原屏的质量控制，以便提高加固屏的生产良好率，降低生产成本。

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AnalysisofHigh-TemperatureDisplayCharacteristicsofRuggedLCD

XUE Ya-pinga,b,c,d, FENG Qi-bind, YAN Qiaod, HONG Chund, LYU Guo-qiangd

(Hefei University of Technology,a.Key Lab of Special Display Technology； b.National Engineering Lab of Special Display Technology； c.National Key Lab of Advanced Display Technology； d.Academy of Photoelectric Technology,Hefei 230009,China)

The rugged LCD used in high-temperature environments is prone to present Mura,which severely worsens display quality.To solve the problem,the paper proposes a method based on experiments and finite-element simulation to deeply analyze the high-temperature display characteristics of the rugged LCD.Thermodynamic simulations of common LCDs and rugged LCDs are firstly performed using the finite-element simulation software,and then the thickness changes of the LC layer are analyzed.Thermodynamic experiments are finally performed.The practical and simulation results show that:1) The liquid crystal layer has obvious change at the Mura position,and the Mura becomes severe with the change of the layer thickness;and 2) The rugged LCDs have higher possibility of Mura at high temperature,and Mura possibilities of LCDs from different manufacturers are different.To minimize the problem of Mura,more work should be done to screen the LCDs.

Liquid Crystal Display (LCD); rugged LCD; Mura; liquid crystal layer; finite-element simulation

薛亚萍，冯奇斌，严乔，等.加固屏高温显示特性分析[J].电光与控制，2017，24( 11) : 105-108.XUE Y P，FENG Q B，YAN Q，et al.Analysis of high-temperature display characteristics of rugged LCD[J].Electronics Optics & Control，2017，24( 11) : 105-108．

2016-12-30

2017-01-11

安徽省科技重大专项计划项目(16030901001)

薛亚萍(1992 —)，女，安徽宿州人，硕士生，研究方向为液晶显示。

O213.2

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.11.022