基于特种显示器的隔热电容触摸屏研究

2021-01-13桂诗信胡诗骏印龙生后明钢

中国新技术新产品 2020年22期

桂诗信胡诗骏印龙生孙勇后明钢王杰

（1．中航华东光电有限公司，安徽芜湖 241000；2． 93145 部队，安徽芜湖 241000）

0 引言

军用特种穿戴显示器一般工作环境温度较高，易使人体不适，甚至造成皮肤病变，如何将热源屏蔽在触摸穿戴显示器外部，避免热源与太阳光都辐射进入显示器内部导致温度上升是一个重要的研究课题。当前，虽然已经有了将隔热纸贴覆于玻璃外表面的解决方案，但是隔热纸的黏贴品质是否良好取决于工艺手法，品质不易掌控。再者，长时间下来隔热纸仍有破损或内部产生气泡等缺陷。

众所周知，传统电容触摸屏一般只包括盖板玻璃、Sensor功能层，这类电容式触摸屏内部都不具有隔热、吸热结构，产品长期在户外使用，特别是使用在特种穿戴显示器设备上，人体会受到红外线及紫外线的长期侵害，在特种高温环境中，产品内部及表面的温度都会不断升高，触摸屏表面的高温会影响用户的使用及体验，随着时间的不断推移，紫外线会加速产品的老化，导致产品黄变、气泡返弹等，大大降低了产品的使用寿命。

该文分析并设计了一种新型隔热电容触摸屏，研究了其黏接液晶屏后对特种显示器温度的影响，为特种触摸显示器在极端高温环境下的使用提供了重要的技术支持[1-4]。

1 抗辐射电容触摸屏设计

1.1 触摸屏总体设计

为了满足触摸性能、抗辐射要求以及电磁兼容要求，该电容触摸屏总体设计思路上采用G+G+G 的结构设计方案，第一层为盖板玻璃，第二层为传感器功能玻璃（上下两面分别为Rx 电极层及走线、Tx 电极层及走线），第三层为ITO屏蔽玻璃，其作用是起到电磁屏蔽的目的，3 层玻璃之间通过0.2 mm 的光学胶全贴合[5-7]。各层组成如图1 所示。

图1 电容屏层叠结构示意图

通过光学胶将Sensor 功能片与盖板玻璃和屏蔽玻璃进行有效的黏接，起到加强保护和固定的作用，主要通过以下措施来实现。1）选择高透光性、耐高温的OCA 光学胶。2）通过定制专用的贴合夹具，来满足整体厚度的要求和贴合尺寸的控制。

1.2 隔热盖板玻璃设计

隔热玻璃又叫低辐射玻璃，是采用磁控真空溅射技术，在玻璃表面镀9～12层厚50 nm～300 nm的金属化合物膜涂层。涂层的作用首先是反射远红外辐射，有效降低玻璃的传热系数。其次是反射太阳中的热辐射，有选择地降低遮阳系数。同时，并不过多的限制可见光的穿透，其示意图如图2 所示。

图2 示意图

可达到以下技术指标。1）抗弯强度≥200 MPa。2） 1 100 nm波长范围内，透过率衰减率≤0.8%。3）二次电子发射系数≤3.0。4）耐热冲击温度：≥280 ℃。将其作为触摸屏的盖板玻璃，通过光学胶水绑定触摸Sensor 功能片达到抗辐射隔热玻璃和触摸屏二合一的效果，一方面起到保护和加固触摸屏功能片的作用，另一方面切断对人体有害的电子辐射、紫外线、远红外线，起到了防辐射的效果[8]。

1.3 光学绑定及加固设计

目前，光学绑定主要采用面黏和框贴2 种形式，面黏工艺在光学显示以及可靠性均优于框贴工艺，面黏工艺难度以及复杂程度要高于框贴工艺，面黏工艺熟练程度以及工艺实现的稳定性较高，面黏框贴对比表见表1。

表1 面黏框贴对比表

结合前期类似产品的工艺设计，决定实验选用面黏工艺，并选用一款双组分胶水。该款胶水已经在很多项目中应用，性能稳定、可靠。使用温度范围为-55 ℃～200 ℃，满足该实验的要求。

光学绑定主要需要考虑5 个参数：1）表面漏光角度和遮光方案设计。2）光学胶固化方案设计。3）对齐控制。4）补强及密封设计。5）抗振动、冲击设计。

1.3.1 液晶屏组件表面遮光处理

由于显示器趋向于轻薄化，液晶屏组件安装框架较薄，背光发光区域远大于AA 区，如果遮光处理不可靠，背光发出的光会从液晶屏组件侧边直射或者反射出来，影响显示效果。漏光角度示意图如图3 所示。

液晶屏组件易发生漏光、反光的区域主要有以下地方：未被偏振片覆盖的上下玻璃基板、偏振片侧壁以及触摸屏背面丝印图形。

图3 漏光角度示意图

通过计算发现，液晶屏组件本身的漏光角度在25°以内，漏光角度较大，需要进行遮光处理。在无效区的漏光区域设计遮光层，通过遮挡，使反射光降低到5°以内，其示意图如图4 所示。

图4 设置遮光层后漏光角度示意图

1.3.2 光学胶厚度控制工艺

绑定示意图如图5所示，光学胶厚度选择为0.5 mm～0.6 mm，基于以下3 点考虑：1）较好的缓冲能力。2）胶层比较均匀，不容易产生应力集中。3）工艺比较成熟，很少产生气泡等故障。

对于胶水厚度的控制，准备采用模切好的垫片，均匀地放置在屏的4 条边上，共24 个垫片。为了保证一致性，将垫片全部放置在上偏振片上（距离偏振片边缘1.0 mm～1.5 mm，此处位置距离有效区及结构窗口较远，不会外露出显示窗口，风险较小）。每个垫片的厚度为0.5 mm～0.6 mm。考虑到滤光片的自重和胶水的收缩，会对垫片造成一定的压力，所以，将垫片的厚度设置成6 层。该工艺属于成熟工艺，难度较低，最后对以上设计进行胶水应力仿真。

图5 光学胶绑定工艺示意图

1.3.3 电容触摸屏对齐工艺

该实验项目中选用的21.5 寸触摸屏和液晶屏组件均为现有的零部件，根据现有的设计对齐方式，即出线两边是1.9 mm、2.2 mm 的对齐尺寸，对齐示意图如图6 所示。

图6 屏蔽滤光片对齐方式示意图

该种凸出对齐方案，须使用定位夹具来辅助精准完成，如图7 所示。

图7 定位夹具三维图

“夹紧装置”将定位夹具固定到绑定用的垫高夹具上，通过“千分尺”调整“挡块”的缩进，该项目中将调整到距离液晶屏组件大玻璃边缘2.4 mm 的位置处，“翻转机构”可以实现挡块的整体翻转，方便操作员进行防漏胶处理，可以实现高精度、高可靠的对齐尺寸控制，定位示意图如图8 所示。

图8 定位工艺示意图

1.3.4 硅胶封口补强工艺

为了避免液晶屏组件四周因胶层厚度不同导致在高低温下出现应力的现象，因此工艺上需要对液晶屏组件上玻璃基板以外的区域进行掏胶处理。为了减少因掏胶而导致的四周绑定力度较差的情况，工艺人员在掏胶完成后，需要在掏胶的位置处涂覆硅胶封口，进行四周补强处理，如图9 所示，该措施同时也可以最大限度地减少光学胶与空气的接触，提升产品可靠性。

图9 硅胶封口补强示意图

1.3.5 抗振动、冲击设计

由于显示器外形较大，振动强度高，因此在结构设计及工艺处理方面要求较高。首先，对液晶屏进行光学绑定，以增加玻璃基板的强度，光学胶对液晶屏起到了减震、缓冲的作用，提高了屏本身的抗振性。其次，通过结构设计及工艺处理对液晶屏组件进行加固减振。该显示器的液晶屏组件由液晶屏、电容触摸屏组成。由于电容触摸屏的尺寸大于液晶屏的大玻璃尺寸，屏框架内腔与电容触摸屏四周及下表面均留有1.0 mm间隙用于贴覆减振泡棉和硅橡胶灌封，以此来加固整个液晶屏组件。液晶屏与屏框架四周留有1.0 mm 间隙贴覆减震泡棉，屏框架底面与液晶屏底面空间不需要贴泡棉，液晶屏中除了上表面与电容触摸屏接触外，其余方向不受力，减少了液晶屏受力变形的概率。一方面采用灌封的方式加固，另一方面通过背光框架挤压固定。经过前期的加固验证，可以满足振动要求，抗振动冲击的工艺处理相对稳定，如图10 所示。