机载TFT-LCD振动Mura分析及设计*

赵玉冬，赵小珍

(1. 中航华东光电有限公司， 安徽 芜湖 241002； 2. 特种显示技术国家工程实验室， 安徽 芜湖 241002；3. 安徽省现代显示技术重点实验室， 安徽 芜湖 241002)

机载TFT-LCD振动Mura分析及设计*

赵玉冬1，2，3，赵小珍1，2，3

(1. 中航华东光电有限公司， 安徽 芜湖 241002； 2. 特种显示技术国家工程实验室， 安徽 芜湖 241002；3. 安徽省现代显示技术重点实验室， 安徽 芜湖 241002)

文中采用仿真和试验的方法研究了机载TFT-LCD在强烈振动过程中白光透过显示面板出现闪烁的现象。首先，通过试验方法得出逐渐增加振动幅值及逐渐减小振幅时振动白斑的临界状态，其差值稳定在3g左右。然后，通过分析两种临界状态的差异，得出了TFT-LCD产生闪烁的原因，总结出振动白斑的影响因素。试验结果表明，惯性力是引起液晶屏振动白斑的主要因素之一，在随机振动条件下，通过减小结构刚度，可以较大幅度地减轻振动白斑，完全可以满足机载环境下液晶显示器的应用要求。

机载液晶显示器；随机振动；闪烁；惯性力

引 言

由于液晶显示器具有体积小、功耗低、显色性好等优势，已逐渐取代CRT显示器成为主流的机载显示设备。机载设备的工作环境比较严酷，振动量级较大，一般商用液晶显示器难以满足要求，通常需要对商用液晶显示器进行加固处理。加固型液晶显示器[1-4]在高强度振动时，经常会出现异常的白光透过现象，严重时会影响显示。这种液晶屏在强烈的振动作用下，在黑色、红色、蓝色等深色视场下较易观察到白光透过的异常，屏幕出现白斑或黑白不均，称为振动Mura现象[5-6]。其中又以黑色视场下最为明显。

针对液晶显示器的振动白斑现象及针对振动白斑的加固方式，国内外已有数年的研究，但可查文献多为概念性的定性分析。在这些研究之中，对振动白斑产生机理的观点较为一致，典型的观点认为：“对大面积液晶显示器而言，由面积大、厚度薄的玻璃组成的平板器件在振动时肯定会出现玻璃变形，引起液晶盒厚度的变化，就像用手按压液晶屏导致盒厚变化而使得显示质量变差一样”,“盒厚的变化就带来了显示图像质量的变化”，“在液晶屏受到外力挤压时，液晶盒厚度就会发生变化，使场强变化，从而使本不应该透光的单元变成透光”[7]。

这些研究给出的机理并没有考虑到液晶分子的动态响应，因此无法从根本上解释振动白斑产生的原因。

本文通过振动试验给出液晶屏产生振动白斑的可能机理，并根据试验结果给出针对振动白斑的TFT-LCD结构设计准则和设计方法，还给出了通过降低结构固有频率来减轻振动白斑的理论基础。

1 振动试验

1.1 试验假设及原理

假设振动过程中液晶显示器的振动响应属于线性响应，此时液晶显示器的响应可由模态叠加法计算。在固定的激励下，各模态之间没有耦合作用，可以认为液晶屏上的响应和激励之间成线性关系。

基础激励时，绝对运动的传递率：

(1)

式中：ζ为阻尼比；β为频率比，即激励频率与固有频率之比。

根据式(1)可以看出，当β很小时，即β≪1时，RTR≈1。对振动响应的放大作用都可以忽略，此时各振型的贡献仅由振型参与系数决定，与相应的固有频率无关。

因此可以通过施加不同频率的低频正弦激励获取不同频率下液晶屏的速度、位移、加速度的响应。此时液晶屏以相同的振型但不同的振幅、频率振动。

1.2 试验过程及结果

为了考察位移、速度和加速度对振动白斑的影响，对某型液晶显示器进行低频正弦振动。该液晶显示器的1阶固有频率为220 Hz，试验频率为40 Hz、60 Hz、80 Hz、90 Hz。此时频率比和阻尼比较小，式(1)可简化为

(2)

40 Hz时，RTR≈1.03；60 Hz时，RTR≈1.08；80 Hz时，RTR≈1.16；90 Hz时，RTR≈1.22。仅对1阶振型略有放大作用。

对于振动白斑的判断，暂时没有可靠的标准，由多人共同进行观察判断。

通过逐渐增加振动幅值的方式寻找出现振动白斑的临界振动状态，结果见表1。

表1 振动试验结果(通过逐渐增加振幅获取)

注：*值为根据加速度值反推的结果。

接着继续增加振幅至白斑明显状态，然后逐渐减小振幅至白斑消失，此时的振动状态见表2。

表2 振动试验结果(通过逐渐增加振幅获取)

注：—表示无试验记录。

1.3 结果讨论与分析

由试验结果可以看出，振动白斑出现时，位移、速度均有很大差异，而加速度保持稳定，可以认为振动白斑是由加速度引起。

在线性假设的前提下，液晶盒厚度的变化应该正比于位移变化。在出现白斑的临界振动条件下，不同振动频率的位移差别很大，因此振动白斑仅由液晶盒厚度变化引起的假设与本试验结果不符。同时，该假设未考虑动态效应，判断依据并不充分。

TFT液晶显示屏结构主要包括前、后屏玻璃(基板)，在两层玻璃中间有塑料隔子或刻蚀形成的微小玻璃柱用以保证间距，两层玻璃四周设有密封材料制作的封接边框将两层玻璃封接成液晶盒，液晶材料封装在栅格内[8]。注入液晶量的多少，柱状隔垫物的设计及工艺均对振动白斑有影响[9-10]。

把试件安装在振动夹具上，按一定的功率谱密度曲线进行随机振动。通过逐渐增加振幅产生振动白斑和逐渐减小振幅消除振动白斑这两种方法确定的临界加速度条件有所差异，且不同频率下其差值稳定在3g左右，因为振动白斑现象的特征，即振动白斑的出现不仅和当前振动状态有关，还依赖于之前的振动状态。

在振动时，液晶分子受到电场力、粘滞力及惯性力的作用。其中，电场力由驱动电压产生；粘滞力为液晶材料的特性；惯性力主要由振动加速度产生。

由于加速度和惯性力成正比，当液晶屏振动量级逐渐增加时，惯性力逐渐增加而占主要作用。此时液晶分子的状态由电场力、惯性力以及阻碍分子状态改变的粘滞力决定。可以猜想，振动量级逐渐增加时，惯性力逐渐增加，克服了电场力和粘滞力的作用，改变了液晶分子的状态。当振动由高量级逐渐减小时，电场力需克服惯性力和粘滞力的作用才能使液晶分子的状态恢复。这也造成了使用不同的方法测量临界状态时，临界加速度不同的现象。

当加速度小于下临界加速度时，电场力占主要作用，当加速度大于上临界加速度时，惯性力占主要作用，当加速度介于下临界加速度和上临界加速度之间时，粘滞力占主要作用。

这只是一种初步解释，暂时并不清楚液晶的真实状态和各作用力的具体作用方式与效果，引起振动白斑和这种状态依赖性的原因可能更为复杂。

2 针对振动白斑的设计准则

对于宽频随机振动，结构的响应一般符合高斯分布或者近似符合高斯分布。可以假设随机振动的每一“周期”的加速度峰值的分布也符合高斯分布。

对于不同类型的液晶屏，其临界加速度也会不同，因此需要通过试验确定其临界加速度的值。

EPC的合同关系较为简明，相对于传统方式把设计、施工等任务等分包给各单位，极大程度地减少业主协调工作的量，有效地减低管理成本。与此同时EPC招标要求中，对总承包商的综合实力要求相对较高，高门槛可以有效筛选总承包商，避免综合实力不济企业中标的同时可有效控制招标时间。

工程上常用3σ来作为高斯分布的近似上限。对于机载液晶显示器，将3σ加速度值控制在临界加速度以下，作为能否出现振动白斑的条件。如果允许的白斑出现的频率为T秒1次的话，由于在每一“周期”中出现2次加速度峰值，因此在T秒内振动出现峰值的次数近似为

式中：ωef为等效频率，可由速度分布的1σ值和位移分布的1σ值之比获得。在设计初期，其值可以取四周固定支撑的液晶屏的1阶固有频率。

假设每次振动的加速度峰值是完全独立的，则设计准则如下：

(3)

对于一确定结构，将其加速度分布的1σ值代入式(3)既可判断其是否满足设计要求。

3 针对显示白斑的设计方法

液晶屏通常是用胶类连接到结构件上，胶体的阻尼类型为粘性阻尼，且占整体阻尼的主要部分，因此可以以粘性阻尼系统的振动理论进行分析。

(4)

加速度的放大系数：

(5)

式中：D0为振幅；ω为角速度。

可以看出ATR=RTR，当ζ较小时，其与频率比的关系如图1所示。

图1 基础激励时的绝对运动传递率

因此对于正弦基础激励，仅需更改结构的固有频率使频率比尽量偏离1即可实现减振。最优减振方案是使结构的固有频率远低于激励频率。

实际显示器结构处于宽频随机振动的环境下。对于宽频随机激励产生的振动，由于各频率成分的相位随机，可以用以下各式表示宽频随机振动下的单自由度系统的响应(各有效值均为1σ值)。

有效振幅：

有效速度：

有效加速度：

等效频率可以通过有效振幅、有效速度或者有效加速度任意两者之间的关系定义，比如以速度和位移之比定义等效频率：

(6)

式中：SD(ω)为激励的位移功率谱密度函数；SV(ω)为激励的速度功率谱密度函数；SA(ω)为激励的加速度功率谱密度函数；RTR为绝对运动的传递率；ωB为激励起始频率(圆频率)；ωE为激励终止频率(圆频率)；ω0为系统固有频率(圆频率)。

为了对比不同结构的响应，假设激励的加速度功率谱密度函数为常值，即SA(ω)=C。此时，

(7)

(8)

式中：ω01、ω02为两结构的固有频率；Aef1、Aef2为两结构的有效加速度。

实际上，对于一般结构，当2ωB<ω0<0.67ωE时，式(8)即可达到很高的精度。

对于机载显示器，ωB=63 rad/s，ωE=12 560 rad/s，1阶固有频率ω0大多在600～3 000 rad/s之间，满足2ωB<ω0<0.67ωE的条件。因此，当激励的加速度功率谱密度曲线在液晶显示器固有频率附近的较大范围内为直线时，可以通过降低液晶显示器的固有频率来降低机载液晶显示器上的有效加速度，即可以通过降低液晶显示器的固有频率来减轻甚至消除振动白斑现象。

4 结束语

本文通过简单的振动试验证明了惯性力是引起液晶屏振动白斑的原因之一，而非简单地由液晶盒厚度变化引起，在随机振动时惯性力是引起振动白斑的原因之一。同时发现了液晶屏振动白斑现象对过程依赖性的特性。

根据随机振动理论，本文给出了针对振动白斑的液晶显示器的设计准则。即将3σ加速度值控制在临界加速度以下，根据单自由度系统对随机激励的响应，给出了降低液晶显示器固有频率可以减轻甚至消除振动白斑的理论依据。

同时，本文给出了随机振动条件下液晶显示器设计的一种方法。

[1] 蒋爱国, 夏显忠, 胡元刚. 液晶显示器加固技术探讨[J]. 液晶与显示, 2002, 17(4): 292-296.

[2] 顾适夷, 方俊, 吴金华, 等. 机载TFT-LCD结构加固分析[J]. 光电子技术, 2004, 22(3): 209-213.

[3] 吴红. 轻型显示器加固技术[J]. 电子机械工程, 2007, 23(2): 18-22.

[4] 王杰, 刘小平, 顾适夷, 等. 一种超大尺寸多功能机载液晶显示器设计[J]. 电子机械工程, 2011, 27(4): 28-32.

[5] 曹允, 王勇, 范彬, 等. 加固液晶显示器关键技术[J]. 光电子技术, 2011, 31(2): 74-79.

[6] 吴洪江, 王威, 龙春平. 一种TFT-LCD Vertical Block Mura的研究与改善[J]. 液晶与显示, 2007, 22(4): 433-439.

[7] 吴金华, 王军义, 潘书山. 大面积TFT液晶显示屏的振动应力分析及其抗振加固[J]. 光电子技术, 2009, 29(1): 60-65.

[8] 千涛, 陈晟, 储培鸣, 等. 新型TFT-LCD柱状隔垫物的形变研究[J]. 液晶与显示, 2012, 27(4): 445-447.

[9] 张卓, 柳在健, 侯延冰. 液晶量对Touch Mura的影响[J]. 液晶与显示, 2008, 23(5): 525-529.

[10] 齐鹏, 施园, 刘子源. TFT-LCD Touch Mura不良的研究和改善[J]. 液晶与显示, 2013, 28(2): 204-209.

赵玉冬(1980-)，男，工程师，主要从事液晶显示器的结构设计工作。

赵小珍(1981-)，男，硕士，工程师，主要从事系统集成、测控技术、光电显示等方面的研究。

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