基于特种显示器的ITO薄膜加热器研究

桂诗信 朱标 李正荣 胡秋瑞

摘 要：本文实验研究了加热器电极电阻与面电阻以及导电银浆涂覆宽度之间的关系，根据实验数据获得了ITO（Indium Tin Oxides）加热器的经验公式，并结合实际生产应用讨论了影响ITO加热器的因素，为特种显示器在极端低温环境下的ITO加热器设计提供了重要的技术支持。

关键词：ITO；面电阻；低温加热；特种显示器

中图分类号：TN36 文献标志码：A

Abstract：The relationship between the electrode resistance and the sheet resistance of the heater and the coating width of the conductive silver paste has been studied . The empirical formula of the ITO heater has been obtained based on the experimental data. According to the actual production， the factors affecting the ITO heater was discussed. It provides important technical support for design of ITO heater for special display in extreme low-temperature environment.

Keywords：ITO； Sheet resistance； Low-temperature Heating； Special display

0 引言

军用特种显示器一般低温工作温度通常不低于-50℃左右，而常规液晶显示器在-30℃左右的环境中，由于液晶分子的黏度系数加大，会导致响应时间变长，图像产生严重拖尾，不能正常工作。为了保证特种显示器能在低温-50℃下仍然可以正常工作且画面切换流畅无拖尾，当前采用较多的方式是利用镀有ITO膜的玻璃（ITO加热器）作为加热元件对液晶显示模块进行低温加热补偿。使其达到正常工作所需的温度要求。

ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，因其具有高导电率、高透过率、耐腐蚀性等特点，被广泛应用于船舶、航天、航空等特种显示领域。目前ITO加热器主要是通过真空蒸镀法、化学沉积法以及磁控溅射法将ITO薄膜涂镀到光学玻璃表面，在ITO薄膜表面边缘涂覆导电银浆，然后引出电极，使两极之间形成多重并联的等效电阻，通电情况下，等效电阻发热产生热量传导至液晶显示模块，起到低温下液晶模块正常显示的效果。然而，按照常温下方块电阻值设计的加热器，在低温下的实际电极电阻值较理论计算值有较大的出入，导致部分产品设计超出指标要求。

本文实验研究了加热器电极电阻与方块电阻以及导电银浆涂覆宽度之间的关系，根据实验数据获得了ITO加热器电极电阻的经验公式，并结合实际生产应用讨论了影响ITO加热器电极电阻的因素，为特种显示器在极端低温环境下的ITO加热器设计提供重要的技术支持。

1 理论分析

理想状态下，制作好的ITO加热器电极电阻为ITO玻璃的面电阻加上导电银浆带（两条）的电阻：

R极 = R□ +2R导 （1）

然而在实际生产中，会受到导电银浆涂覆的均匀性、ITO玻璃倒角等的影响，因此在式（1）上需加上一个补偿值V，即：

R极= R□ +2 R导 + V （2）

考虑到实际生产当中不可能每块玻璃都测导电银浆带电阻，所以将式（2）中的2R导和V进行整合，以V'替代，即：

R极= R□ + V'； （3）

涂覆好导电银浆的ITO加热器电极电阻R极，理论上应满足以下公式，即：

R极 =（LU / LI）× R□ （4）

或 R极 =（LU'/ LI）× R'□ （5）

其中LU是指电压走过的宽度，即两条导电银浆带之间的宽度；LU'是指含条导电银浆带在内的宽度，即ITO玻璃的宽度；LI是指电流走过的长度，即导电银浆带的长度。

结合公式（2）可得到：

R极 =（LU / LI）× R□ + 2R导+ V （6）

或R极 =（LU'/ LI）× R'□+ 2R导 + V （7）

由于不论是以LU 还是LU'计算，V值都是相同的，所以此处忽略V值，通过公式（6）、（7）反推得到ITO玻璃的面电阻，即：

R□ =（LI / LU）×（R极 -2 R导） （8）

或 R'□=（LI / LU'）×（R極 -2 R导） （9）

通过实验具体数据分析涂覆好导电银浆的ITO玻璃面电阻R□究竟是应该以LU / LI还是LU'/ LI为准，同时估算一下补偿值V及V'，进而获得加热器电极电阻的经验公式。

2 实验

选用一面电阻均值为11Ω的ITO玻璃，从整块ITO玻璃上准确裁取17块5寸（120mm×80mm×1.1mm）大小的ITO玻璃备用，取出其中两块裁切好的5寸ITO玻璃，在其光玻璃一面分别均匀涂覆宽度为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm的CB-813导电银浆各3条，待烘干后分别测取不同宽度导电银浆的电阻值R导，并记录数据见表1，表中A表示导电银浆电阻值所占加热器ITO玻璃面电阻的比例。

通过对上述数据的分析，研究了导电银浆带电阻值与涂覆宽度之间的关系，如图1所示。

从图1中可以发现随着导电银浆带涂覆宽度的不断增加，其电阻值不断减小，从宽度为1mm时的1.3Ω降到宽度为5mm时的0.3Ω，分别占其所在ITO玻璃面电阻的23.6%和5.4%。由此可见，随着导电银浆带宽度的增加，其对加热器电极电阻的影响逐渐减小，当导电银浆带宽度大到一定时，其电阻值可忽略不计。

将剩余的15块ITO玻璃均分为5组，每组3块，分别标记为A组（A1、A2、A3）、B组（B1、B2、B3）、C组（C1、C2、C3）、D组（D1、D2、D3）、E组（E1、E2、E3），A组ITO玻璃两边按正常操作涂覆宽度为1mm的CB-813导电银浆；B组ITO玻璃两边按正常操作涂覆宽度为2mm的导电银浆；C组ITO玻璃两边按正常操作涂覆宽度为3mm的导电银浆；D组ITO玻璃两边按正常操作涂覆宽度为4mm的导电银浆；E组ITO玻璃两边按正常操作涂覆宽度为5mm的导电银浆，烘干后测得不同组别ITO玻璃上导电银浆带的长度LI、两条导电银浆带之间的宽度LU、ITO玻璃的宽度LU'（含条导电银浆带在内的宽度）以及其电极电阻值，并根据前面的理论分析计算出了ITO玻璃的面电阻值和补偿值，记录数据见表2。

通过表2对比发现，R□的数值更接近于标准面电阻，因此，无论是在理论计算或者实际生产当中，电压走过的宽度LU都应该以两条导电银浆内侧的宽度为准（不含导电银浆带宽度）。根据公式（6）、（7）计算可得V值，但是考虑到实际生产当中不可能每块加热器玻璃都测导电银浆带电阻，所以此处将2R导和V进行整合，以V'替代2R导+ V，研究了V、V'值与导电银浆带宽度之间的关系，如图2所示。

由图2可见，随着导电银浆宽度的增加，V值越来越大。根据前面的实验结果和理论推算，当导电银浆带宽度达到一定程度时，导电银浆带电阻可以完全忽略，此时V值达到最大；另外还发现随着导电银浆宽度的增加，V'值逐渐降低，但是数值相对很小，在0左右波动。因此实际设计中V值相比V'值对加热器设计影响更大。

下面结合实际生产中的一些项目及数据进行对比分析。表3和表4分别为相同尺寸（5寸）不同型号面电阻值的ITO加热器生产数据与不同尺寸相同型号面电阻值的ITO加热器生产数据：

由表3和表4的生产数据发现：在大多数尺寸和型号下V'值基本都在0左右浮动，与之前分析基本吻合。由此可见，实际生产当中，在大多数情况下，电极电阻可以直接用

R极 =（LU / LI）× R□

来替代计算，少数情况下则仍需使用公式：

R极 =（LU / LI）× R□+ V'

将A1、B1、C1、D1、E1整条涂上DS-PF-7180VR型导电银浆，然后在100℃下烘烤10min，再在230℃下烘烤10min，测其电极电阻并记录，见表5；将A2、A3，B2、B3，C2、C3，D2、D3，E2、E3涂上长度为5mm的DS-PF-7180VR型导电银浆，相同条件烘干测其电极电阻并记录，见表6。

對比表5和表6发现，在CB-813表面整条涂覆上DS-PF-7180VR后，其电极电阻平均下降0.32Ω，而在CB-813表面涂覆上长度为5mm的DS-PF-7180VR后，其电极电阻平均下降0.02Ω，其涂覆前后电极电阻已经没有差别，因此涂覆DS-PF-7180VR长度其对小尺寸加热器电极电阻影响可以忽略不计。

表7为DS-PF-7180VR导电银浆涂覆长度对大尺寸加热器电极电阻的影响。

由表7可见，DS-PF-7180VR导电银浆涂覆长度对大尺寸加热器电极电阻的影响十分明显。这主要是由于小尺寸加热器ITO玻璃的面电阻均匀性较好，面电阻误差较小，而大尺寸加热器ITO玻璃的面电阻均匀性较差，面电阻误差很大所致。同时，还发现整条涂覆DS-PF-7180VR导电银浆时电极电阻偏大，K'值几乎可以忽略不计。因此在实际生产当中，当电极电阻偏大时，可以通过整条涂覆DS-PF-7180VR导电银浆来进行修正，此时可以使用R极 =（LU / LI）× R□模型，否则，只能使用R极 =（LU / LI）× R□+ K'模型。

结论

本文实验研究了加热器电极电阻与面电阻以及导电银浆涂覆宽度之间的关系，根据实验数据获得了ITO加热器电极电阻的经验公式，并结合实际生产应用讨论了影响ITO加热器电极电阻的因素，为特种显示器在极端低温环境下的ITO加热器设计提供了理论依据。

参考文献

[1]Vlasoula Bekiari，Panagiotis Lianos.Photophysical Studies in ATO Films Deposited on Fused Silicon Slides[J].Journal of Colloid and Interface Science， 1996（183）：552-558.

[2]马颖，张方辉，牟强.ITO膜透明导电玻璃的特性、制备和应用[J].陕西科技大学学报，2003，21（9）：106-109.

[3]潘洪涛.溶胶凝胶法制备ITO薄膜及其性质研究[D].内蒙古师范大学，2008.

[4]王士敏.ITO导电玻璃及其在平板显示器中的应用[J].现代显示，2007（3）：22-25.

[5]Tabat.液晶显示器用ITO导电玻璃[J].液晶通讯，1994（1）：41-48.

[6]吴妲.氧化铟锡薄膜制备工艺及薄膜性能研究[D].北京化工大学，2009.

[7]朱小娟，李新贝.ITO透明导电薄膜的制备工艺研究[J].光电子技术，2008（3）：202-206.

[8]逢茂林，林君，于敏，等.发光薄膜的制备及应用[J].液晶与显示，2002，17（5）：372-280.

[9]万海峰，余雷，铁斌，等.一种加固液晶显示器的低温加热补偿技术[C].2012中国平板显示学术会议，2012.

[10]王静，姜文龙，王广德，等.ITO表面处理对有机电致发光器件性能的影响[J].半导体学报，2007（8）：1312-1315.

[11]张少波.关于ITO透明导电膜玻璃生产及应用的分析[J].科技风，2017（5）：13-16.

[12]余雷， 钱永胜.有源矩阵液晶显示器微功耗低温加固技术[J].液晶与显示，2003（5）：29-34.