趙玉冬，趙小珍

(1. 中航華東光電有限公司， 安徽 蕪湖 241002； 2. 特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002；3. 安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002)

機(jī)載TFT-LCD振動(dòng)Mura分析及設(shè)計(jì)*

趙玉冬1，2，3，趙小珍1，2，3

(1. 中航華東光電有限公司， 安徽 蕪湖 241002； 2. 特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002；3. 安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002)

文中采用仿真和試驗(yàn)的方法研究了機(jī)載TFT-LCD在強(qiáng)烈振動(dòng)過程中白光透過顯示面板出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象。首先，通過試驗(yàn)方法得出逐漸增加振動(dòng)幅值及逐漸減小振幅時(shí)振動(dòng)白斑的臨界狀態(tài)，其差值穩(wěn)定在3g左右。然后，通過分析兩種臨界狀態(tài)的差異，得出了TFT-LCD產(chǎn)生閃爍的原因，總結(jié)出振動(dòng)白斑的影響因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，慣性力是引起液晶屏振動(dòng)白斑的主要因素之一，在隨機(jī)振動(dòng)條件下，通過減小結(jié)構(gòu)剛度，可以較大幅度地減輕振動(dòng)白斑，完全可以滿足機(jī)載環(huán)境下液晶顯示器的應(yīng)用要求。

機(jī)載液晶顯示器；隨機(jī)振動(dòng)；閃爍；慣性力

引 言

由于液晶顯示器具有體積小、功耗低、顯色性好等優(yōu)勢(shì)，已逐漸取代CRT顯示器成為主流的機(jī)載顯示設(shè)備。機(jī)載設(shè)備的工作環(huán)境比較嚴(yán)酷，振動(dòng)量級(jí)較大，一般商用液晶顯示器難以滿足要求，通常需要對(duì)商用液晶顯示器進(jìn)行加固處理。加固型液晶顯示器[1-4]在高強(qiáng)度振動(dòng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常的白光透過現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響顯示。這種液晶屏在強(qiáng)烈的振動(dòng)作用下，在黑色、紅色、藍(lán)色等深色視場(chǎng)下較易觀察到白光透過的異常，屏幕出現(xiàn)白斑或黑白不均，稱為振動(dòng)Mura現(xiàn)象[5-6]。其中又以黑色視場(chǎng)下最為明顯。

針對(duì)液晶顯示器的振動(dòng)白斑現(xiàn)象及針對(duì)振動(dòng)白斑的加固方式，國(guó)內(nèi)外已有數(shù)年的研究，但可查文獻(xiàn)多為概念性的定性分析。在這些研究之中，對(duì)振動(dòng)白斑產(chǎn)生機(jī)理的觀點(diǎn)較為一致，典型的觀點(diǎn)認(rèn)為：“對(duì)大面積液晶顯示器而言，由面積大、厚度薄的玻璃組成的平板器件在振動(dòng)時(shí)肯定會(huì)出現(xiàn)玻璃變形，引起液晶盒厚度的變化，就像用手按壓液晶屏導(dǎo)致盒厚變化而使得顯示質(zhì)量變差一樣”,“盒厚的變化就帶來了顯示圖像質(zhì)量的變化”，“在液晶屏受到外力擠壓時(shí)，液晶盒厚度就會(huì)發(fā)生變化，使場(chǎng)強(qiáng)變化，從而使本不應(yīng)該透光的單元變成透光”[7]。

這些研究給出的機(jī)理并沒有考慮到液晶分子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此無法從根本上解釋振動(dòng)白斑產(chǎn)生的原因。

本文通過振動(dòng)試驗(yàn)給出液晶屏產(chǎn)生振動(dòng)白斑的可能機(jī)理，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出針對(duì)振動(dòng)白斑的TFT-LCD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法，還給出了通過降低結(jié)構(gòu)固有頻率來減輕振動(dòng)白斑的理論基礎(chǔ)。

1 振動(dòng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)假設(shè)及原理

假設(shè)振動(dòng)過程中液晶顯示器的振動(dòng)響應(yīng)屬于線性響應(yīng)，此時(shí)液晶顯示器的響應(yīng)可由模態(tài)疊加法計(jì)算。在固定的激勵(lì)下，各模態(tài)之間沒有耦合作用，可以認(rèn)為液晶屏上的響應(yīng)和激勵(lì)之間成線性關(guān)系。

基礎(chǔ)激勵(lì)時(shí)，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳遞率：

(1)

式中：ζ為阻尼比；β為頻率比，即激勵(lì)頻率與固有頻率之比。

根據(jù)式(1)可以看出，當(dāng)β很小時(shí)，即β?1時(shí)，RTR≈1。對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的放大作用都可以忽略，此時(shí)各振型的貢獻(xiàn)僅由振型參與系數(shù)決定，與相應(yīng)的固有頻率無關(guān)。

因此可以通過施加不同頻率的低頻正弦激勵(lì)獲取不同頻率下液晶屏的速度、位移、加速度的響應(yīng)。此時(shí)液晶屏以相同的振型但不同的振幅、頻率振動(dòng)。

1.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

為了考察位移、速度和加速度對(duì)振動(dòng)白斑的影響，對(duì)某型液晶顯示器進(jìn)行低頻正弦振動(dòng)。該液晶顯示器的1階固有頻率為220 Hz，試驗(yàn)頻率為40 Hz、60 Hz、80 Hz、90 Hz。此時(shí)頻率比和阻尼比較小，式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

40 Hz時(shí)，RTR≈1.03；60 Hz時(shí)，RTR≈1.08；80 Hz時(shí)，RTR≈1.16；90 Hz時(shí)，RTR≈1.22。僅對(duì)1階振型略有放大作用。

對(duì)于振動(dòng)白斑的判斷，暫時(shí)沒有可靠的標(biāo)準(zhǔn)，由多人共同進(jìn)行觀察判斷。

通過逐漸增加振動(dòng)幅值的方式尋找出現(xiàn)振動(dòng)白斑的臨界振動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果見表1。

表1 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果(通過逐漸增加振幅獲取)

注：*值為根據(jù)加速度值反推的結(jié)果。

接著繼續(xù)增加振幅至白斑明顯狀態(tài)，然后逐漸減小振幅至白斑消失，此時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)見表2。

表2 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果(通過逐漸增加振幅獲取)

注：—表示無試驗(yàn)記錄。

1.3 結(jié)果討論與分析

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，振動(dòng)白斑出現(xiàn)時(shí)，位移、速度均有很大差異，而加速度保持穩(wěn)定，可以認(rèn)為振動(dòng)白斑是由加速度引起。

在線性假設(shè)的前提下，液晶盒厚度的變化應(yīng)該正比于位移變化。在出現(xiàn)白斑的臨界振動(dòng)條件下，不同振動(dòng)頻率的位移差別很大，因此振動(dòng)白斑僅由液晶盒厚度變化引起的假設(shè)與本試驗(yàn)結(jié)果不符。同時(shí)，該假設(shè)未考慮動(dòng)態(tài)效應(yīng)，判斷依據(jù)并不充分。

TFT液晶顯示屏結(jié)構(gòu)主要包括前、后屏玻璃(基板)，在兩層玻璃中間有塑料隔子或刻蝕形成的微小玻璃柱用以保證間距，兩層玻璃四周設(shè)有密封材料制作的封接邊框?qū)蓪硬ＡХ饨映梢壕Ш?，液晶材料封裝在柵格內(nèi)[8]。注入液晶量的多少，柱狀隔墊物的設(shè)計(jì)及工藝均對(duì)振動(dòng)白斑有影響[9-10]。

把試件安裝在振動(dòng)夾具上，按一定的功率譜密度曲線進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)。通過逐漸增加振幅產(chǎn)生振動(dòng)白斑和逐漸減小振幅消除振動(dòng)白斑這兩種方法確定的臨界加速度條件有所差異，且不同頻率下其差值穩(wěn)定在3g左右，因?yàn)檎駝?dòng)白斑現(xiàn)象的特征，即振動(dòng)白斑的出現(xiàn)不僅和當(dāng)前振動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，還依賴于之前的振動(dòng)狀態(tài)。

在振動(dòng)時(shí)，液晶分子受到電場(chǎng)力、粘滯力及慣性力的作用。其中，電場(chǎng)力由驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生；粘滯力為液晶材料的特性；慣性力主要由振動(dòng)加速度產(chǎn)生。

由于加速度和慣性力成正比，當(dāng)液晶屏振動(dòng)量級(jí)逐漸增加時(shí)，慣性力逐漸增加而占主要作用。此時(shí)液晶分子的狀態(tài)由電場(chǎng)力、慣性力以及阻礙分子狀態(tài)改變的粘滯力決定?？梢圆孪?，振動(dòng)量級(jí)逐漸增加時(shí)，慣性力逐漸增加，克服了電場(chǎng)力和粘滯力的作用，改變了液晶分子的狀態(tài)。當(dāng)振動(dòng)由高量級(jí)逐漸減小時(shí)，電場(chǎng)力需克服慣性力和粘滯力的作用才能使液晶分子的狀態(tài)恢復(fù)。這也造成了使用不同的方法測(cè)量臨界狀態(tài)時(shí)，臨界加速度不同的現(xiàn)象。

當(dāng)加速度小于下臨界加速度時(shí)，電場(chǎng)力占主要作用，當(dāng)加速度大于上臨界加速度時(shí)，慣性力占主要作用，當(dāng)加速度介于下臨界加速度和上臨界加速度之間時(shí)，粘滯力占主要作用。

這只是一種初步解釋，暫時(shí)并不清楚液晶的真實(shí)狀態(tài)和各作用力的具體作用方式與效果，引起振動(dòng)白斑和這種狀態(tài)依賴性的原因可能更為復(fù)雜。

2 針對(duì)振動(dòng)白斑的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

對(duì)于寬頻隨機(jī)振動(dòng)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)一般符合高斯分布或者近似符合高斯分布?？梢约僭O(shè)隨機(jī)振動(dòng)的每一“周期”的加速度峰值的分布也符合高斯分布。

對(duì)于不同類型的液晶屏，其臨界加速度也會(huì)不同，因此需要通過試驗(yàn)確定其臨界加速度的值。

EPC的合同關(guān)系較為簡(jiǎn)明，相對(duì)于傳統(tǒng)方式把設(shè)計(jì)、施工等任務(wù)等分包給各單位，極大程度地減少業(yè)主協(xié)調(diào)工作的量，有效地減低管理成本。與此同時(shí)EPC招標(biāo)要求中，對(duì)總承包商的綜合實(shí)力要求相對(duì)較高，高門檻可以有效篩選總承包商，避免綜合實(shí)力不濟(jì)企業(yè)中標(biāo)的同時(shí)可有效控制招標(biāo)時(shí)間。

工程上常用3σ來作為高斯分布的近似上限。對(duì)于機(jī)載液晶顯示器，將3σ加速度值控制在臨界加速度以下，作為能否出現(xiàn)振動(dòng)白斑的條件。如果允許的白斑出現(xiàn)的頻率為T秒1次的話，由于在每一“周期”中出現(xiàn)2次加速度峰值，因此在T秒內(nèi)振動(dòng)出現(xiàn)峰值的次數(shù)近似為

式中：ωef為等效頻率，可由速度分布的1σ值和位移分布的1σ值之比獲得。在設(shè)計(jì)初期，其值可以取四周固定支撐的液晶屏的1階固有頻率。

假設(shè)每次振動(dòng)的加速度峰值是完全獨(dú)立的，則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

(3)

對(duì)于一確定結(jié)構(gòu)，將其加速度分布的1σ值代入式(3)既可判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3 針對(duì)顯示白斑的設(shè)計(jì)方法

液晶屏通常是用膠類連接到結(jié)構(gòu)件上，膠體的阻尼類型為粘性阻尼，且占整體阻尼的主要部分，因此可以以粘性阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)理論進(jìn)行分析。

(4)

加速度的放大系數(shù)：

(5)

式中：D0為振幅；ω為角速度。

可以看出ATR=RTR，當(dāng)ζ較小時(shí)，其與頻率比的關(guān)系如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)激勵(lì)時(shí)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)傳遞率

因此對(duì)于正弦基礎(chǔ)激勵(lì)，僅需更改結(jié)構(gòu)的固有頻率使頻率比盡量偏離1即可實(shí)現(xiàn)減振。最優(yōu)減振方案是使結(jié)構(gòu)的固有頻率遠(yuǎn)低于激勵(lì)頻率。

實(shí)際顯示器結(jié)構(gòu)處于寬頻隨機(jī)振動(dòng)的環(huán)境下。對(duì)于寬頻隨機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)，由于各頻率成分的相位隨機(jī)，可以用以下各式表示寬頻隨機(jī)振動(dòng)下的單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)(各有效值均為1σ值)。

有效振幅：

有效速度：

有效加速度：

等效頻率可以通過有效振幅、有效速度或者有效加速度任意兩者之間的關(guān)系定義，比如以速度和位移之比定義等效頻率：

(6)

式中：SD(ω)為激勵(lì)的位移功率譜密度函數(shù)；SV(ω)為激勵(lì)的速度功率譜密度函數(shù)；SA(ω)為激勵(lì)的加速度功率譜密度函數(shù)；RTR為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳遞率；ωB為激勵(lì)起始頻率(圓頻率)；ωE為激勵(lì)終止頻率(圓頻率)；ω0為系統(tǒng)固有頻率(圓頻率)。

為了對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，假設(shè)激勵(lì)的加速度功率譜密度函數(shù)為常值，即SA(ω)=C。此時(shí)，

(7)

(8)

式中：ω01、ω02為兩結(jié)構(gòu)的固有頻率；Aef1、Aef2為兩結(jié)構(gòu)的有效加速度。

實(shí)際上，對(duì)于一般結(jié)構(gòu)，當(dāng)2ωB<ω0<0.67ωE時(shí)，式(8)即可達(dá)到很高的精度。

對(duì)于機(jī)載顯示器，ωB=63 rad/s，ωE=12 560 rad/s，1階固有頻率ω0大多在600～3 000 rad/s之間，滿足2ωB<ω0<0.67ωE的條件。因此，當(dāng)激勵(lì)的加速度功率譜密度曲線在液晶顯示器固有頻率附近的較大范圍內(nèi)為直線時(shí)，可以通過降低液晶顯示器的固有頻率來降低機(jī)載液晶顯示器上的有效加速度，即可以通過降低液晶顯示器的固有頻率來減輕甚至消除振動(dòng)白斑現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文通過簡(jiǎn)單的振動(dòng)試驗(yàn)證明了慣性力是引起液晶屏振動(dòng)白斑的原因之一，而非簡(jiǎn)單地由液晶盒厚度變化引起，在隨機(jī)振動(dòng)時(shí)慣性力是引起振動(dòng)白斑的原因之一。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了液晶屏振動(dòng)白斑現(xiàn)象對(duì)過程依賴性的特性。

根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論，本文給出了針對(duì)振動(dòng)白斑的液晶顯示器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。即將3σ加速度值控制在臨界加速度以下，根據(jù)單自由度系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)，給出了降低液晶顯示器固有頻率可以減輕甚至消除振動(dòng)白斑的理論依據(jù)。

同時(shí)，本文給出了隨機(jī)振動(dòng)條件下液晶顯示器設(shè)計(jì)的一種方法。

[1] 蔣愛國(guó), 夏顯忠, 胡元?jiǎng)? 液晶顯示器加固技術(shù)探討[J]. 液晶與顯示, 2002, 17(4): 292-296.

[2] 顧適夷, 方俊, 吳金華, 等. 機(jī)載TFT-LCD結(jié)構(gòu)加固分析[J]. 光電子技術(shù), 2004, 22(3): 209-213.

[3] 吳紅. 輕型顯示器加固技術(shù)[J]. 電子機(jī)械工程, 2007, 23(2): 18-22.

[4] 王杰, 劉小平, 顧適夷, 等. 一種超大尺寸多功能機(jī)載液晶顯示器設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2011, 27(4): 28-32.

[5] 曹允, 王勇, 范彬, 等. 加固液晶顯示器關(guān)鍵技術(shù)[J]. 光電子技術(shù), 2011, 31(2): 74-79.

[6] 吳洪江, 王威, 龍春平. 一種TFT-LCD Vertical Block Mura的研究與改善[J]. 液晶與顯示, 2007, 22(4): 433-439.

[7] 吳金華, 王軍義, 潘書山. 大面積TFT液晶顯示屏的振動(dòng)應(yīng)力分析及其抗振加固[J]. 光電子技術(shù), 2009, 29(1): 60-65.

[8] 千濤, 陳晟, 儲(chǔ)培鳴, 等. 新型TFT-LCD柱狀隔墊物的形變研究[J]. 液晶與顯示, 2012, 27(4): 445-447.

[9] 張卓, 柳在健, 侯延冰. 液晶量對(duì)Touch Mura的影響[J]. 液晶與顯示, 2008, 23(5): 525-529.

[10] 齊鵬, 施園, 劉子源. TFT-LCD Touch Mura不良的研究和改善[J]. 液晶與顯示, 2013, 28(2): 204-209.

趙玉冬(1980-)，男，工程師，主要從事液晶顯示器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

趙小珍(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事系統(tǒng)集成、測(cè)控技術(shù)、光電顯示等方面的研究。

Analysis and Design of Vibration Mura for Airborne TFT-LCD

ZHAO Yu-dong1,2,3，ZHAO Xiao-zhen1,2,3

(1.AVICHuaDongPhotoelectricCo.,Ltd.,Wuhu241002,China；2.NationalEngineeringLabofSpecialDisplayTechnology,Wuhu241002,China；3.KeyLaboratoryofModernDisplayTechnology,Wuhu241002,China)

In this paper, the flicker phenomenon caused by white beam permeating TFT-LCD during strong vibration is studied by simulation and experiment. Firstly, the critical states of vibration Mura are obtained by experiments of gradually increasing vibration amplitude and gradually decreasing vibration amplitude, the difference is about 3gstably. Secondly, flicker reason is obtained by analyzing the difference between the two states, and the factors affecting the vibration Mura are summarized. Experiment results show that inertia force is one of the main factors causing vibration Mura of TFT-LCD, reducing the structure stiffness can mitigate the vibration Mura greatly under a random vibration condition, the application requirements of TFT-LCD in airborne environment can be satisfied completely.

airborne TFT-LCD; random vibration; flicker; inertia force

2015-12-04

TN141.9

A

1008-5300(2016)02-0020-04