液晶显示器加固技术探讨

摘　要：阐述了液晶显示器加固技术的含义，在研究LCD 特性的基础上，提出了内部加热法等设计方法，较好地解决了液晶显示器在恶劣环境下使用时存在的问题。

1 　引言

平板显示器一般是指显示器的深度小于显示屏对角线四分之一的显示器。与传统CRT 相比，平板显示器具有体积小、重量轻、电压低、辐射低且不易受低频磁场干扰等优点，近年来得到了飞速的发展。根据不同的工作原理，平板显示可分为液晶显示(LCD) 、等离子体显示(PDP) 、电致发光显示( ELD) 、场发射显示( FED) 等，其中LCD 占目前整个平板显示产值的80 %以上。液晶显示器虽然得到了广泛的应用，但在恶劣环境下，温度、振动、冲击、电磁、潮湿等易对液晶屏、背光源和内部的元器件产生影响和破坏，所以普通液晶显示器在恶劣环境下不能正常使用，需要对液晶屏采取措施即加固。所谓加固就是指为适应恶劣环境，在军用计算机及其外设设计时对影响机器性能的各种因素，诸如系统结构、电气特性、机械物理结构等所采取的相应的保证措施，使液晶显示器在恶劣环境下能正常工作。国外很多公司都采用加固的方式，如比利时的Barco 公司、美国的Korry 公司等。本文介绍了我们采用脉冲调制方式的内部加热法等加固技术，有效地解决了液晶显示器在恶劣环境下的使用问题。

2 　液晶显示器加固技术的几个方面

(1) 温度

商用液晶显示器的工作温度在5～45 ℃之间，而根据国军标GJB367 军用通讯设备通用技术条件的要求，军用设备的工作温度在- 20～ + 55 ℃之间。所以，商用液晶显示器在加固中存在一个宽温设计的问题。温度主要对液晶屏和背光源产生影响。液晶材料对温度的变化非常敏感，直接影响液晶的响应时间和液晶的阈值电压。当温度降至低于0 ℃时，液晶材料将变得粘滞，响应速度变慢，动态图像出现拖尾现象，甚至低温特性差的液晶材料不能显示;如果温度过低，液晶态会消失，变成晶体，有可能会在形成晶体过程中破坏定向层而造成永久性损坏;而当温度过高时，封装液晶屏的粘合剂和封装物的性能将降低、退化，液晶态也会消失，变成液态，不能工作。

如果环境温度低于0 ℃，背光源的荧光灯管寿命会降低，而且低温还会影响背光源的亮度，根据试验显示，背光源的亮度在50 ℃时是最好的。为使背光源工作在最佳的性能下，应使其工作在一定的温度下。

(2) 冲击和振动

液晶显示器在恶劣的环境下工作可能会受到振动、冲击、应力等各种机械力的作用。

由于液晶屏和背光源的托架面积大而厚度薄，所以一旦受到冲击和振动，极容易产生变形和破裂。背光源的灯管直径只有3mm ,在冲击和振动下，灯泡、灯丝极易破裂。此外，元器件之间相互联接的电缆在振动和冲击下也容易松开或脱落。

(3) 电磁兼容

液晶显示器的电磁辐射主要来自背光灯管、逆变电源及高速A/ D 器件。

(4) 潮湿

由于液晶显示器件属低压、微功耗的器件，液晶材料电阻极高(达1010Ω·cm 以上) ,故由于潮湿造成的玻璃表面导电就足以影响显示，段之间会产生“串”扰显示。

在以上几个问题中，温度是限制液晶显示器使用环境的最重要的因素，而低温又是首当其冲的问题。可以说当环境温度低于0 ℃时，如何能让显示屏“亮”起来，是液晶显示器加固技术的关键所在。

3 　实现液晶显示器加固技术的途径

3. 1 　液晶显示器的热设计

液晶显示器的热设计主要是解决液晶显示器的低温工作问题。解决低温工作问题的途径有两种：其一是采用宽温型液晶材料，这样造价相当高，且技术和工艺上也存在很大的难度;其二是采用被动加热的办法，使液晶显示器在低温下正常显示。后者是当前加固液晶显示器用得最多的加固技术。一般对液晶显示器的低温加热有3 种方法： ITO 膜玻璃液晶屏外部加热法、ITO 膜玻璃液晶屏内部加热法和半导体制冷加热法。半导体制冷加热法目前采用的比较少，故这里主要讲叙前两种加热法。ITO 膜玻璃是指在平板玻璃上采用溅射镀膜工艺镀上一层ITO(铟锡氧化物) 膜，当给ITO 膜通电时， ITO 膜发热，玻璃就成为一个理想的透光面热源。

3. 1. 1 　ITO 膜玻璃液晶屏外部加热法

将ITO 膜加热玻璃放置在液晶屏前面(见图1) ,通过对ITO 膜加电发热，从而加热液晶屏及其背光源。这种加热方式的加热速度、效率都比较低，对显示器的低温启动时间存在一定的制约，因为加热玻璃的功率不能制得太大，若功率太大对液晶屏的温度冲击有可能将其破坏。这种方法虽然存在一定的局限性，但由于其工艺简单，易于实现，国内大部分厂家目前还是采用这种加热方式。

3. 1. 2 　ITO 膜玻璃液晶屏内部加热法

这种加热方式是将ITO 膜玻璃紧贴在LCD 液晶盒后面(见图2) , ITO 膜通电发热，它能快速、高效加热液晶屏，同时也能快速加热背光灯管。这种加热方式的难点是工艺复杂，需将液晶屏解体，这牵涉到夹具及工艺环境等因素，另外对ITO 膜玻璃这个面热源的温度均匀性要求也较高。国外一般都是采用这种方式来解决LCD 的低温工作问题，如比利时的Barco 公司、美国的Korry 公司等，国内也已有几家单位采用这种内部加热的加固技术。采用ITO 膜内部加热法是对商用液晶显示器进行宽温设计的最佳方案。我们加固的液晶显示器就是采用屏内部加热方法。表1 列出了两种方法性能对比。

rc="/21ic_image/21icimage/201210/3829ffa38fa80ce78ce44e780cb3955d.jpg" />

3. 1. 3 　温度控制电路的设计

过去温度控制通常是采用温度继电器来控制，低温时继电器接通，对物体加热;高温时，继电器断开，停止加热。该控制方式缺点是温度冲击大， - 25 ℃和- 40 ℃都是同一个加热功率，容易造成被加热物体的损坏;优点是简单。我们采用脉宽调制方式对液晶显示屏进行控制加热。首先根据被加热物体的特性，通过大量的试验找到在某一温度下对其加热最适宜的占空比，将其以表格的形式固化在程序里。然后CPU 采集被加热物体的温度，此采集为多点采集，根据每个温度采集点的传递函数算出各点的温度。此温度由于温漂而存在一定的误差，但可通过测量基准点进行修正，以得出各点正确的温度，然后用加权算法算出被加热物体准确的温度。CPU 根据此温度通过查表确定输出的占空比，而后CPU 就不断地根据被加热物体的温度占空比进行修正。整个过程为一个自适应的闭环控制，准确可靠。其优点是随着温度的不同，输出不同的加热功率，效率高，不易损坏被加热物体;缺点是难度高，控制复杂。

3. 1. 4 　液晶显示器的散热设计

首先通过测试找到热源，画出热分布图，然后进行散热设计。通过测试，液晶显示器的热源主要集中在电源、A/ D 转换板和背光灯这几部分。对于电源、A/ D 转换板可以采用加装散热片、将热源分散安装和将最大的热源直接安装在底板上，通过机壳散热。背光灯的散热是一个比较麻烦的问题，目前比较流行的处理办法是通过在高温时适当降低亮度来实现的，其控制电路可采用TI 公司的UCC3973 等来实现，但此方法是以牺牲一定的亮度来获得的。

3. 2 　抗振动、冲击设计

在恶劣的机械物理环境下，对显示器可能受到的冲击和振动要予以预防，主要是防止显示器在某一振动频率下产生共振，或由于冲击所产生的冲击力超过显示器的强度而使显示器破坏。对于液晶显示器的防振和冲击，我们针对商用显示器的结构进行动态分析，寻找薄弱环节以采取各种措施增加元器件、部件和结构的合理安装方式。主要措施有：将液晶显示屏和背光源安装在坚固的外壁上，增加它们的刚度;液晶显示器前的屏蔽玻璃也起到保护屏免遭意外破坏的作用;对背光源灯管的加固，则在其长度方向上安装了数个环形支架来加强它们。另外，对于易破裂的元器件和电缆可用硅橡胶灌封。

3. 3 　电磁兼容设计

电磁兼容的第一步是要找出EMI“天线”，为了找出哪个EMI“天线”的EMI 影响最大，采用“可选择的屏蔽方法”来寻找。首先屏蔽所有可能的EMI 源，然后逐次有选择性地暴露一个可能的EMI“天线”。用这种方法，每个EMI“天线”的EMI 影响都可以被量化出来，并将找出的EMI“天线”一个一个地处理好。我们首先对机箱内的各模块进行屏蔽隔离设计，并在模块之间的互连电缆上套上磁环。整个金属外壳均进行导电氧化处理。

在可拆的各盖板上安装了导电屏蔽橡胶条，以减少连接处的接触阻抗(接触阻抗越低，其屏蔽效果越好) 。由于平板显示器的电磁辐射主要是电源、印制板上的干扰通过液晶板向外辐射，因此在LCD 前加金属网的屏蔽玻璃是液晶显示器电磁兼容设计的重要措施。

3. 4 　防潮湿设计

在对LCD 的防潮湿设计上，整个加固机箱采用全密封式焊接结构，盖板嵌有导电橡胶条，并在显示屏前面加屏蔽玻璃起防潮湿的作用。

4 　结　　论

对液晶显示器采用以上的加固方法，特别是内部加热法可较好地解决液晶屏低温工作的问题，大大提高其性能，使其在恶劣环境下可靠工作。随着液晶显示技术的发展，其优越性越来越明显，取代CRT 显示器将是发展的趋势，因此加固型液晶显示器在军事上有着广泛的应用前景，深入研究LCD 的特性和加固技术，对于我军装备的现代化建设将具有深远的意义。