一種高亮度TFT模組的研發(fā)

河源思比電子有限公司 朱文輝 李國榮

河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 謝智陽 陳艷芳 鐘建坤

0 引言

液晶顯示器件本身是非發(fā)光性器件，需經(jīng)背光源照射至偏光片和濾光片等輔助結(jié)構(gòu)至顯示面，以達(dá)到液晶顯示圖像的效果。因此提高液晶顯示亮度可以通過提高背光源的亮度、增加濾光片的透光率和提高像素開口率等方法均可實(shí)現(xiàn)提高液晶顯示亮度的要求[1-2]。

發(fā)光二極管(LED)壽命長、發(fā)光效率高和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，LED背光源已成為液晶顯示器的主流背光源[3]。戶外工控設(shè)備及儀器儀表大都是LED及CRT顯示，隨著顯示技術(shù)的發(fā)展以及TFT模組的價(jià)格的大眾化，在顯示尺寸及功耗有著巨大優(yōu)勢的TFT顯示模組，不久將會(huì)在設(shè)備及工控產(chǎn)品及儀器儀表領(lǐng)域替代LED及CRT顯示。但現(xiàn)在最主要的技術(shù)難點(diǎn)是常用的TFT顯示模組在陽光下或高強(qiáng)照明下，對比度差、眩目、可讀性差等問題。

本文提出一種超高亮度TFT顯示模組，可在陽光等強(qiáng)光可讀，解決了戶外工控設(shè)備及儀器儀表的屏顯問題。

圖1 高亮度TFT模組系統(tǒng)原理圖Fig.1 Block diagram of hight brightness TFT module system

1 高亮度TFT顯示模組結(jié)構(gòu)

圖1為高亮度TFT模組系統(tǒng)原理圖。它主要由TFT屏組件、模組驅(qū)動(dòng)電路、背光組件、鐵框等組成。模組驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)IC、FPC、ACF等構(gòu)成。背光由導(dǎo)光板、LED電路、膠框、反射膜、增光膜、擴(kuò)散膜等組成[4]。

高亮度TFT模組項(xiàng)目主要研究開發(fā)出一種方案：使普通模式TFT模組可以在強(qiáng)陽光或照明條件下可讀，替代市面上高成本的半透TFT模組和復(fù)合偏光片TFT模組。在傳統(tǒng)的TFT模組上通過增加背光的亮度來提升模組的顯示亮度，達(dá)到強(qiáng)陽光下讀，并在強(qiáng)陽光照曬下避免傳統(tǒng)偏光片短時(shí)間失效發(fā)白現(xiàn)象。

2 提高背光亮度設(shè)計(jì)

背光源亮度估算公式：

式中：N＝n1*n2*n3*n4*n5*n6；

其中最重要的：n1顔色系數(shù)：G=0.3 B＝0.4 W＝0.5；n2為膜片系數(shù)：1擴(kuò)＝1；2擴(kuò)＝1.3～1.5；n3為導(dǎo)光板形狀系數(shù)；n4為出系數(shù)，單面出光n4=1,雙面出光n4=0.7；n5為單個(gè)LED電流系數(shù)；n6為產(chǎn)品類型系數(shù)；IV為單個(gè)LED發(fā)光強(qiáng)度(mcd),If=20mA時(shí)；A為發(fā)光區(qū)面積(mm2)。

從公式可看出，基于常用5寸TFT模組，在同等厚度及功耗下大幅度提升亮度最直接有效的方法是采用低功耗小體積的高亮LED，并相應(yīng)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路FPC設(shè)計(jì)等。

2.1 LED的選擇設(shè)計(jì)

本文采用最新雙芯片4014LED貼片燈珠，亮度高，散熱好，壽命長。該LED為白色發(fā)光，工作電壓22.4V-25.6V,工作電流90mA，發(fā)光亮度可達(dá)6500K，能有效保證本文所需的亮度需求。如圖2所示：4014 LED。

2.2 LED背光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電路是LED背光源正常顯示的重要保障，選擇穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電路方案對產(chǎn)品的穩(wěn)定性至關(guān)重要[5-6]。本文選擇了致新科技的G2619 led驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊是高效率的恒流DC-DC轉(zhuǎn)換器，IC設(shè)計(jì)主要用在LED模塊的應(yīng)用，輸入電壓0至20V,適用于驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED，逐周期電流電流檢測，具備軟啟動(dòng)功能。PWM頻率為100Hz和200kHz之間，占空比5%至100%可調(diào)，而且具備低參考電壓、功率損耗小等有點(diǎn)。本文驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖2 4014 LED圖片F(xiàn)ig.2 4014 LED picture

背光驅(qū)動(dòng)電路散熱設(shè)計(jì)高亮度液晶模組穩(wěn)定工作的另一關(guān)鍵點(diǎn)，傳統(tǒng)的背光PCB設(shè)計(jì)是用FR4 PCB，但在高亮度TFT顯示模組上，傳統(tǒng)的FR4的電路設(shè)計(jì)散熱能力不強(qiáng)，導(dǎo)致背光過熱，影響壽命。本文采用恒流串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，采用雙面FPC設(shè)計(jì)方法，無走線及背面處大面積網(wǎng)格敷銅，并且采用厚銅膜的FPC基材，增強(qiáng)散熱性。如圖4所示。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 LED circuit

圖4 LED電路散熱設(shè)計(jì)圖Fig.4 heat dissipation design of the LED circuit

2.3 LED背光高耐久的增光片材

背光采用高耐久的增光片材，不但增加亮度，而且使模組在長時(shí)間的高溫下不會(huì)出現(xiàn)常規(guī)TFT出現(xiàn)的片材變形和爆燈現(xiàn)象。

3 高亮度TFT模組的結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)

模組在背光高亮工作條件下，會(huì)在模組內(nèi)產(chǎn)生高熱，大大降低TFT－LCD及背光源的壽命，在設(shè)計(jì)模組時(shí)研發(fā)一種方案用以解決模組因?yàn)槌吡翆?dǎo)致發(fā)熱問題。

3.1 模組結(jié)構(gòu)的散熱設(shè)計(jì)

根據(jù)高亮度TFT-LCD模組項(xiàng)目的特殊要求：設(shè)計(jì)時(shí)對模組的背光膠框支架與鐵框的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先，變更鐵框的材質(zhì)，由原來常用的材質(zhì)為0.3mm厚度材質(zhì)的鐵框，改為采用0.2厚度的鍍鋅鋁框，以便模組將背光產(chǎn)生的內(nèi)部熱量散發(fā)出來，其次，背光膠框架的設(shè)計(jì)與常規(guī)的設(shè)計(jì)有所不同。常規(guī)的設(shè)計(jì)是LED背光FPC電路板是與膠框貼合，不利散熱，此研發(fā)方案采用將膠框與FPC貼合處，LED貼片座所在的位置將膠框鏤空，以便每顆LED工作時(shí)及時(shí)散熱，此膠框設(shè)計(jì)如圖5所示。背光LED電路中每顆LED對應(yīng)的膠框處皆鏤空開孔。

3.2 模組的背光組裝工藝散熱設(shè)計(jì)

為了能更好的將LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量排出模組內(nèi)部，需要想辦法充份利用背光膠框已鏤空開孔，以及鐵框已采用更薄的優(yōu)勢，此項(xiàng)目在組裝工藝中采用了一種新方法，利用導(dǎo)熱硅膠，在組裝時(shí)，將導(dǎo)熱硅膠填充于膠框鏤空處，讓LED燈座下方的FPC通過導(dǎo)熱硅膠組合后與鐵框相連，可快速的將LED產(chǎn)生的熱量導(dǎo)到鍍鋁鋅板，通過鍍鋁鋅框散熱。

圖5 背光膠框散熱設(shè)計(jì)圖Fig.5 heat dissipation design of the plastic box

4 結(jié)果

4.1 超高亮度TFT-LCD顯示模組的高亮度效果

在研究中以5寸常規(guī)的TFT模示模組為基礎(chǔ)，采用以上的幾點(diǎn)措施，研制出了5寸高亮度TFT顯示模組取得以下技術(shù)參數(shù)：如表1和表2所示：

表1 高亮度TFT-LCD模組DC技術(shù)參數(shù)

表2 背光技術(shù)參數(shù)

樣品的主要光電指標(biāo)如圖6所示：從樣品的測試數(shù)據(jù)分析可得出：在正常的驅(qū)動(dòng)條件下，在同等功耗等級下，經(jīng)中檢建團(tuán)南方電子測試中心測定，樣品亮度達(dá)到 1341cd/m2。

高亮度TFT-LCD模組光電技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 光電技術(shù)參數(shù)

圖6 樣品結(jié)果測試圖

4.2 高亮度TFT-LCD顯示模組的可靠性效果

為了提高高亮度TFT模組的可靠性，研發(fā)方案中采用了提高散熱，采用耐久增光片，防止高溫下出現(xiàn)常規(guī)TFT出現(xiàn)的片材變形和爆燈現(xiàn)象。為了驗(yàn)證效果，樣品作了老化測試，高低測試，冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)，溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)等，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖9可得出：高亮度TFT顯示模組完全滿足可靠性實(shí)驗(yàn)的要求?？蓪?shí)現(xiàn)在強(qiáng)陽光下持續(xù)持續(xù)工作240小時(shí)。

結(jié)論

本文的高亮度TFT模組，在研發(fā)過程中創(chuàng)新性的采用新型LED，雙面厚銅膜FPC并大面積網(wǎng)格敷銅。應(yīng)用高耐久增光片，采用新工藝解決模組內(nèi)部散熱，研制成功高亮度TFT-LCD模組。高亮度TFT模組產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期目標(biāo)：（1）亮度達(dá)1000cd/m2。（2）通過高低溫，冷熱沖擊等老化測試，產(chǎn)品可在強(qiáng)陽光或強(qiáng)光照下正常工作240小時(shí)。（3）光電技術(shù)參數(shù)表

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