双面侧背光机载液晶显示模块技术研究

杨　斌，王军义，马剑锋，顾适夷，王彩玮

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京　210016）

双面侧背光机载液晶显示模块技术研究

杨斌，王军义，马剑锋，顾适夷，王彩玮

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京210016）

【摘要】机载液晶显示模块要求重量轻，厚度薄。背光方式逐渐由底背光方式向侧背光方式转变。本文主要介绍了双面侧背光机载液晶显示模块中涉及到的一些相关技术，如液晶屏原屏加固、背光模组设计、背光电路控制、低温加热控制、热设计以及电磁兼容设计。并运用这些技术生产出了产品，达到了机载要求。

【关键词】机载；液晶显示模块；双面侧背光；相关技术

引言

显示模块作为人机交互的界面，承载着大量信息传递的功能。随着液晶显示技术的发展，液晶显示模块以其显色性好，轻薄、低功耗等优势，逐渐成为主流显示器件［1］，不仅在工业、商业以及家庭领域内得到广泛应用，在军工领域内也逐步得到普及。早期替代进口CRT［2］（Cathode Ray Tube，阴极射线管）显示模块的机载液晶显示模块都是直下式底背光方式，虽然比CRT显示器在色彩还原、亮度、寿命等有了很大的提升，但是为了保证模块亮度均匀性，背光板到光学膜组之间至少有10mm左右的距离，也就是我们通常所说的灯腔高度。现在整机生产厂家对显示模块厚度和重量要求越来越高，侧背光方式以其良好的均匀性和超薄的特性逐渐被接受采纳。双面侧背光相对于单面侧背光来说，可以更有效地提高LED（Lighting Emitting Diode，发光二极管）的可靠性。

1　液晶屏组件的加固设计

机载液晶显示模块结构加固的核心是液晶屏的加固及刚性化处理。液晶屏是由前玻璃基板和后玻璃基板通过封接边框连接成封闭空间，在封闭空间内充满液晶材料实现显示功能［3］。普通液晶屏的封接边框材料相对廉价，膨胀系数不能很好地与液晶屏两片玻璃相匹配。在恶劣的机载环境条件下，封接边框，特别是封接边框的封口处容易出现裂缝。空气会沿着裂缝处挤进充满液晶的封闭空间，这样液晶就会被挤出，在缺少液晶的区域，液晶屏工作时将出现黑色斑块，导致液晶屏失效。针对液晶屏封接边框封口处受应力液晶泄漏问题，我们采用进口封接边框材料，对液晶屏进行二次封接，如图1所示。

图1　二次封结

二次封接的胶膨胀系数相对原屏封接胶更接近玻璃的膨胀系数。另外二次封接胶的温度性能指标为-70℃～+150℃，远比普通封接胶的-30℃～+85℃温度范围宽，反复的温度循环试验表明二次封接胶与液晶屏玻璃的粘接强度也远高于原屏封接胶。在热应力条件下，不容易产生由膨胀程度不同而造成的机械应力，或在热应力下破裂。经过二次封接工艺改进的液晶屏可以承受-55℃～+85℃的温度冲击。

液晶屏的前后玻璃基板都很薄，如果没有特殊加固，对显示方向的振动非常敏感，在机载环境下，振动频率范围一般为10～2000Hz，振动带来的液晶盒厚变化会影响显示图像的质量。系统固有频率为：

f0为系统固有频率，为刚度，即单位变形所需的作用力大小，单位为N/m；为质量，单位为Kg。

按照单自由度强迫振动理论，把液晶屏看作一个小系统，当机载环境激振频率f小于系统固有频率f0的0.75倍时，系统相对振动强度增大较小；当机载环境激振频率f介于系统固有频率f0的0.75倍至倍之间时，系统相对振动强度成倍放大甚至超过5倍；当机载环境激振频率f大于系统固有频率f0的倍时，系统相对振动强度才会减小。因此，结构减振设计的关键是减小系统固有频率f0。我们在液晶屏四周用减振材料隔离，减小支撑刚性；液晶屏前后复合一定厚度的玻璃，提高液晶屏组件的抗弯曲能力，降低整个系统的固有频率。液晶屏抗振结构如图2所示。

图2　液晶屏抗振结构

图3　双面侧背光背光模组结构

可以从二级减振理论来分析，在刚性壳体和液晶屏之间用具有阻尼作用的减振隔离材料进行隔离，形成阻尼减振系统，设计一定的减振空间，因此刚性较小，固有频率较低，这可以作为第一级减振。在液晶屏前后两面用加固玻璃通过透明柔性粘接层固定成一体，也就是我们通常所说的“三明治”结构，这样作为第二级减振。第二级减振空间小，液晶屏安装环境刚性提高的同时增大了固有频率，使其远高于第一级振动系统的固有频率，这样第一、二两级系统就不会形成共振，液晶屏受到的振动应力也会相应减小［4］。

2　背光模组的设计

液晶屏本身不发光，它的亮度、均匀性等光学指标都依赖于后部的背光模组。一般背光模组的光学功能，除了发光源外，还包含导光、反射、匀光（扩散）、集光、光回收等功能［5］。为了满足产品的高亮度要求，提高背光模组的发光效率，同时满足背光的均匀性要求，我们设计了双侧LED背光模组，包括双侧LED背光源、反射片、导光板、扩散片、棱镜片、偏光增量片等。图3是双面侧背光背光模组的结构示意图。

LED背光源发出的光线从导光板入光面进入导光板内部，大部分光线在导光板内部以全反射传输。导光板下侧与反射片接触面设计一些凹凸网点，当全反射光线射到凹凸网点时，反射光会往各个角度散射，破坏全反射条件，使光线从导光板正面射出。从导光板四周及下侧折射出来的光经过反射片又重新反射回导光板，提高了光源利用效率。导光板正面射出的光线经过扩散片后，由点光源变为亮度均匀的面光源，防止在液晶屏前端看到LED的影子。棱镜片是一种集光装置，主要利用全反射和折射，将从扩散片出来的光，集中在一定角度里出射，从而提高该视角范围内的亮度，但视角会相对变窄。通常使用两张棱镜片，上下两张棱镜片采用正交方式排列，分别处理水平及垂直方向的集光需求。偏光增亮片不像棱镜片那样通过集光来提高亮度，而是不改变光的分布，将各个方向上的出光量都提高。偏光增亮片将无法通过液晶屏下偏光片的光反射回背光系统重新消偏振后再次被它过滤，从而使能够通过液晶屏下偏光片的出光量增加。

导光板是背光模组中的重要部件，我们选用的是亚克力材料，它具有较低的表面粗糙度和良好的光学特性。通过设计优化导光板的网点参数可以提高导光板性能。

网点参数设计主要利用软件进行模拟，使用LightTools软件进行导光板的设计，以几何光学为基础，根据网点的不同类型设置恰当的光学参数，模拟出接近实际的光学效果，通过优化导光板的网点结构参数，可以得到较好的导光效果。

网点参数是大小或密度变化的二维或三维网点，通过显示网点的密度变化，可以提高背光的均匀性，同时为为避免产生莫尔条纹，每个区域网点的密度是不一样。通过软件计算和模拟可以得到在一个区域内变化网点的数量，得到想要的网点密度。不同区域网点的密度是不一样，结合人眼对突变是很敏感的，对渐变却不敏感的特点，网点密度的变化应该缓慢而平滑的。

生成网点后，利用激光机在亚克力板表面刻蚀线槽，制作样品，测量其光效、均匀性等指标，进而调整激光机参数，优化控制网点的大小、深度及分布，使得最终制作的导光板达到较理想的光效和均匀性，图4为双面LED侧背光和导光板系统结构示意图。

图4　双面LED侧背光和导光板结构示意图

3　控制电路设计

图5　控制电路原理图

液晶显示模块的控制电路设计主要包括背光控制设计和低温加热设计，控制电路原理图见图5。

背光组件透过液晶屏的亮度I与LED的单管数量N、单管亮度i、背光模组透过率T1及液晶屏的透过率T2都成正比，即：

I=N×i×s×T1×T2/（W×L）

其中，s为LED电流降额系数，背光模组透过率T1，液晶屏的透过率T2可以检测到，W×L为液晶屏长宽尺寸。实际设计中通过简化推导亮度与LED排布的关系，结合经验和实测数据确定LED的排布。单面侧背光由于面积的限制，往往LED管数目是一定的，这样为了达到要求的亮度，就需要提高LED管的电流，电流越大，光效就越低，管子的发热量就越高，极大地降低了LED管的可靠性，为此我们可以通过双面侧背光方式增加LED管的数目，适当降低LED管的电流，提高可靠性。此外，双面侧背光是分两路控制的，当其中一路出现故障时，另一路还可以正常工作，亮度虽然降为原来的一半，但不影响显示质量。

背光控制是采用恒流方式的，与恒压方式相比较，它电路转换率更高，电路上的发热量更少，另一个比较明显的优势是在高低温情况下，可以消除因温度变化导致LED压降变化的影响，保持背光亮度的稳定［6］。背光亮度调节是通过脉宽调制的方式来实现的。微处理器通过通讯接口来调节背光信号的电流占空比来调节背光亮度，有效地实现亮度的自动调节。为了延长背光源的使用寿命，通过背光温度传感探测背光的温度值，当温度高于一定数值时，启动限亮程序，自动降低背光亮度，保证背光源在高温环境下能够稳定可靠的工作。

机载液晶显示模块都有低温工作的要求，为了实现低温工作，设计了针对液晶屏的加热温控电路，使液晶屏的温度处于正常的工作范围，保证开机后可在几分钟以内图像清晰，画面流畅，动态图像没有拖影［7］。温控电路的设计包括嵌入式微型传感器的可靠性，传感量长距离传输的抗干扰能力，脉宽调制加热功率，系统故障时加热电路的自动关闭等。低温加热采用脉宽调制的方法来控制，处理器多次采集被加热物体的温度传感量，利用函数进行修正后，计算出被加热物体的准确温度，微处理器根据此温度确定输出占空比，对加热功率进行调节。

4　热设计和电磁兼容设计

元器件在高温环境中使用寿命和可靠性都会降低，轻则导致产品性能变差，重则造成产品功能发生永久性失效。液晶显示模块的热设计［8］以结构散热为主，设计中主要考虑高温元器件与壳体间的热传导散热。对于双面侧背光液晶显示模块，高温工作状态下的热设计主要包括LED背光源和驱动电路上大功率芯片器件的散热设计。采用铝基板做LED背光源的PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）材料，使LED管的热量集中到铝基板上，铝基板再通过低热阻高导热率材料与散热板连接，散热板与外部壳体之间用导热脂或导热垫连接，将热量尽可能多地传导到外部机壳上。对于驱动电路上大功率芯片器件，可以单独做散热片，用导热材料粘接，或者将芯片器件布置在接近散热板一侧，散热板设计一定高度的凸台，通过导热材料连接，将热量传导到散热板上。图6是设计初期工作温度60℃时的热仿真模型，液晶显示模块上温度较高的区域出现在含有背光板的两侧以及电路板上大功率芯片处，最终产品的实测值与该仿真模型基本接近。

图6　热仿真模型

EMC［9］（Electromagnetic compatibility，电磁兼容性）设计的目的是使液晶显示模块既能抑制各部干扰，使其在机载环境中能够正常工作，同时又能减少模块本身对飞机上其它电子设备的电磁干扰。为了满足EMC条件，需要考虑整个液晶显示模块的总体方案、PCB板的布局及走线、元器件选择以及壳体设计等等。对于机载液晶显示模块具体实施EMC设计方案时，主要应从其对电磁场的屏蔽作用来进行考虑。屏蔽主要是针对电磁场的辐射发射和辐射敏感度而言，同时也要考虑到高压静电放电。低频段（25Hz～100KHz）主要是来自磁场的辐射能量，而电场的辐射频率范围就很宽，为10KHz～20GHz。所以设计时要确保显示模块的整个外壳（含显示窗口）能成为一个良好的电磁屏蔽体，无狭逢、不产生电磁泄漏，并且能有效保护好模块内的元器件不受高压静电放电实验的破坏。

液晶显示模块除了液晶屏窗口可以泄露电磁波外，其余部分均是可以屏蔽电磁波的铝合金材料，因此液晶屏窗口是电磁波泄露的主要窗口，也是容易受外部电磁波干扰的主要窗口。窗口电磁屏蔽层技术主要有3种：采用ITO（Indium Tin Oxidize，氧化铟锡）透明导电玻璃作显示窗口屏蔽材料；采用导电金属网作显示窗口屏蔽材；采用EMC多功能玻璃作显示窗口屏蔽材料。在双面侧背光液晶显示模块中，我们采用EMC多功能玻璃作为显示窗口屏蔽材料。EMC多功能玻璃是一种比较理想的液晶显示模块显示窗口电磁屏蔽材料，可以克服导电金属网对显示图象的摩尔条纹干涉现象，同时采用多层镀膜工艺技术，将表面减反功能膜与电磁兼容屏蔽膜在同一块玻璃上制作，与单一ITO玻璃相比可以大大降低反射率，用于改善显示屏在强阳光下的可读性。

图7　三维模型与实物图

5　结束语

基于以上技术的应用，我们设计研发了一款5寸双面侧背光机载液晶显示模块，如图7所示。该模块厚度薄，亮度高，工作温度范围宽，满足机载振动和电磁兼容的要求，已经小批量供货给客户单位。

机载液晶显示模块所涉及的技术远不止上述这些，诸如光学性能，防盐雾、防霉菌、防湿热，壳体材料的选择等等，都需要花大量的时间进一步深入研究。而且原有技术也在不断地更新，新的技术也陆续与机载液晶显示模块相结合，如触摸屏技术、声控技术，这些工作许多研究者正在开展中。

【参考文献】

［1］曹允，王勇，范彬，王勇渤.加固液晶显示器关键技术［J］.光电子技术，2011，31（2）：73-77.

［2］高鸿锦，董友梅.液晶与平板显示技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2008：5-6.

［3］刘午平，刘建清.液晶显示屏应用与维修代换［M］.北京：人民邮电出版社，2008：2-18.

［4］吴金华，余雷.军用TFT—LCD结构加固问题研究［J］.光电子技术，2002，22（2）：1O2-1O5.

［5］马群刚.TFT-LCD原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，2011：354-361.

［6］陈光，张兵.MC34844/A恒流驱动芯片在LED背光驱动上的应用［J］.光电子技术，2012，32（3）：200-205.

［7］顾适夷.加固机载TFT-LCD的温控技术研究［J］.应用光学，2007，28（3）：269-274.

［8］夏显忠，陶光勇，夏利锋.基于CFD的FLOTHERM在机载液晶显示器热分析的应用［J］.电子机械工程，2007，23（3）：7-10.

［9］邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理［M］.南京：东南大学出版社，2001：254-259.

【作者简介】

杨斌（1982～），男，硕士，工程师，研究方向为机载液晶显示加固技术。

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