物理學在工程技術(shù)中的應用期末論文

1、 考試序列號 25 公選課（論文）屏幕顯示與藍光抑制學 院 機電工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 年級班別 2014級卓越工程師班 學 號 學生姓名 指導教師 2016 年 6 月20日1 摘 要隨著電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，人們在日常生活中越來越多地使用手機、平板電腦、筆記本電腦、液晶電視等電子產(chǎn)品。顯示屏作為這些電子產(chǎn)品與我們消費者的交互媒介，直接影響著產(chǎn)品體驗及我們的身體健康。不同類型的顯示屏有著不同的顯示結(jié)構(gòu)，這決定它們的顯示原理也必定有所差別，不同的顯示方式或多或少地會產(chǎn)生藍光。本文將對電子產(chǎn)品的顯示屏構(gòu)造及原理進行介紹，并針對不同的顯示屏顯示原理闡述藍光產(chǎn)生的原因，最后對預防藍光

2、提出一些切實可行的建議。關鍵詞：電子產(chǎn)品，顯示屏，顯示原理，藍光，危害 AbstractWith the rapid development of electric products,people are spending more time on electronic products such as mobile phone,tablets,laptops,LCD TV(liquid cystal display television) and so on.As the interaction media between electric products and we consumers

3、,display panel directly influence customer experience.Different types of display panels have different displaying structure,which results in differences in dislaying mechanisms to some extent.But most of them produce blue light in the procedure of emitting lights.The following paper will instruct th

4、e structure of display panel and explain its diplaying mechanism.And the reason of how blue light is generated in different displaying practices is also pointed out .At last methods to avoid the harm of blue light is also given for practical use.Key words： electronic products,diplay panel,displaying

5、 mechanism,blue light,harm1 緒論1.1 課題研究背景和意義隨著科學技術(shù)的進步，電子產(chǎn)品逐漸人們成為日常生活中不可缺少的一部分，而電子產(chǎn)品與我們進行交互的媒介顯示屏也得到了飛速的發(fā)展，使我們對電子產(chǎn)品的用戶體驗得到了很大的提升。在顯示屏的發(fā)展隊列中，手機、平板電腦的觸摸屏無疑是發(fā)展最快的兩支隊伍。在本論文也將會有所側(cè)重于這兩者進行介紹。 觸摸屏（Touch Panel，簡稱TP）起源于20世紀70年代，是搭載于顯示器件上，利用手指或輸入筆，通過觸摸來實現(xiàn)信息輸入的新型人機界面裝置。 觸摸屏過去一直廣泛應用于PDA、ATM、POS機等等。而2007年蘋果推出iPhone

6、后，觸摸屏出現(xiàn)井噴式增長。其中手機是觸摸屏應用最多的電子產(chǎn)品之一，并開始大規(guī)模滲透入智能手機、傳統(tǒng)的功能型手機市場，手機觸摸屏年出貨量可達每年15億單元，市場規(guī)模龐大。 2008年，蘋果成功推出iPad，觸摸屏需求量繼續(xù)大幅增長，智能手機與平板電腦成為觸摸屏需求增長的主要驅(qū)動力。 觸摸屏技術(shù)自問世以來已相繼發(fā)展出表面聲波式、紅外線式、電阻式、電容式、電磁式、光學成像式等多種應用技術(shù)。電阻式、電容式、光學成像式被公認是最為主流的三種技術(shù)。 觸摸技術(shù)在帶觸控功能的手機上的應用技術(shù)主要有投射電容（P-CAP）和電阻式觸摸技術(shù)。這兩者合起來占據(jù)了95%以上的手機觸摸屏。電阻式技術(shù)曾經(jīng)引領市場，但iph

7、one的成功使得風向轉(zhuǎn)變，促使大多數(shù)品牌改用投射式電容屏。我們預計2010年電容式觸摸屏技術(shù)將首次超越電阻式。然而，電阻屏將不會完全從市場上消聲滅跡，因為它仍然在一些低成本的解決方案中擁有優(yōu)勢，而且在中國市場上還有手寫輸入技術(shù)的需求。電容屏，主要分為玻璃式（Glass-based）和薄膜式（Film-based）。其中，薄膜式電容屏在光電特性上的一些局限，使其推廣應用受到一定的限制，以iPhone、iPad為代表的高端智能終端，均采用玻璃式結(jié)構(gòu)的電容屏，未來的主流仍是玻璃式電容式觸摸屏。 從2010年觸控屏產(chǎn)值分析，投射電容已成為領先技術(shù)。自2007年Apple采用此技術(shù)以來，投射電容市場呈現(xiàn)

8、爆炸性增長，許多平板電腦廠商也都紛紛采用投射電容屏。以2011年為例，我們預估投射電容出貨增長將超過100%，同時占有70%觸控產(chǎn)值。除了原有觸控屏供貨商外，有好幾家彩色濾光片廠商也轉(zhuǎn)換部份產(chǎn)線以生產(chǎn)觸控屏。目前市場上估計有超過60家廠商供應投射式電容觸控屏。Sensor與蓋板集成是觸摸屏技術(shù)發(fā)展的關鍵趨勢資料來源：美國康寧公司1. 主流顯示屏的分類隨著手機的，手機的普及，手機屏幕的材質(zhì)也越來越成為挑選手機時被關注的焦點之一。手機的彩色屏幕因為研發(fā)技術(shù)不同而有所差異。一般來說能顯示的顏色越多越能顯示復雜的圖象，畫面的層次也更豐富。除去幾大類LCD外，還能在一些手機上看到其他的一些LCD，比如日

9、本SHARP的GF屏幕和CG（連續(xù)結(jié)晶硅）LCD。兩種LCD相比較屬于完全不同的種類，GF為STN的改良，能夠提高LCD的亮度，而CG則是高精度優(yōu)質(zhì)LCD可以達到QVGA（240×320）像素規(guī)格的分辨率。21.2.2.1. STNLCD屏幕STN（Super Twisted Nematic）屏幕，又稱為超扭曲向列型液晶顯示屏幕。在傳統(tǒng)單色液晶顯示器上加入了彩色濾光片，并將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個像素，分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，以此達到顯示彩色的作用，顏色以淡綠色為和橘色為主。STN屏幕屬于反射式LCD，它的好處是功耗小，但在比較暗的環(huán)境中清晰度較差。STN也是

10、我們接觸得最多的材質(zhì)類型，目前主要有CSTN和DSTN之分，它屬于被動矩陣式LCD器件，所以功耗小、省電，但么應時間較慢，為200毫秒。2.2. CSTN LCD（彩色式STN 液晶）CSTN即為Color STN，在彩屏手機發(fā)展初期時，CSTN彩屏手機為市場上的主流，顏色數(shù)也從最早的256色，到現(xiàn)在可以顯示到65536色。但發(fā)展到現(xiàn)在，CSTN最常見用途則是在翻蓋機的外屏幕。CSTN屏幕在正常光線及暗光線下，顯示效果都很好，但在戶外，尤其在日光下，則很難辨清顯示內(nèi)容。2.3. FSTN LCD由于STN在不加電的時候總是呈現(xiàn)出一定的底色（比如綠色和藍色）。人們?yōu)榱讼齋TN的底色想了很多辦法

11、，最簡單的就是利用一個完全一樣，但是旋向相反的兩個STN盒疊加在一起，使得互相干涉的兩束光線又互相補償回來，從而實現(xiàn)黑白顯示，但是這種方式會使成本增加，于是人們想到用一層碘分子的定向扭曲來模擬一個液晶盒，這樣就用一層薄膜（位相差板）替代了一個液晶盒，從而實現(xiàn)黑白顯示，這種叫做FSTN（Film STN）。到目前為止，可以說所有的黑白手機屏全部都是FSTN型。2.4. GSTN LCDGSTN即為Gray STN，顯示屏幕的背景顏色是灰白色，而顯示顏色是深藍色，其特點是可視角度比較大，不過對比度偏低，同時價格也比較貴，主要使用在手機的外屏。2.5. DSTN LCD（倍頻掃描式扭曲液晶）DSTN

12、即為雙層式的STN，過去主要是應用在筆記型計算機的屏幕上，這種顯示技術(shù)解決了傳統(tǒng)STN顯示器中的漂移問題，而且由于DSTN還采用了雙掃描技術(shù)，因而顯示效果較STN有大幅度提高。由于DSTN分上下兩屏同時掃描，所以在使用中有可能在顯示屏中央出現(xiàn)一條亮線。而當彩色屏幕手機開始盛行時，也有幾支采用DSTN 屏幕材質(zhì)的手機在市面上出現(xiàn)，例如OKWAP i108、166 等。不過效果和CSTN 差不多，最后也沒有什么后續(xù)機種采用了。2.6. TFT LCDTFT（Thin Film Transistor）即薄膜場效應晶體管，屬于有源矩陣液晶顯示器中的一種。它可以“主動地”對屏幕上的各個獨立的像素進行控制

13、，這樣可以大大提高反應時間。一般TFT的反應時間比較快，約80毫秒，而且可視角度大，一般可達到130度左右，主要運用在高端產(chǎn)品。所謂薄膜場效應晶體管，是指液晶顯示器上的每一液晶象素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動。從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。TFT屬于有源矩陣液晶顯示器，在技術(shù)上采用了“主動式矩陣”的方式來驅(qū)動，方法是利用薄膜技術(shù)所作成的電晶體電極，利用掃描的方法“主動拉”控制任意一個顯示點的開與關，光源照射時先通過下偏光板向上透出，借助液晶分子傳導光線，通過遮光和透光來達到顯示的目的。TFT液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏，也就是“真彩”(TFT)。2.7. LT

14、PS LCD（低溫多晶硅液晶）LTPS來自于日本，也算是TFT材質(zhì)的一種，不過一般統(tǒng)稱的TFT屬于非晶硅（a-Si）種類，LTPS 則為低溫多晶硅的類別。LTPS能提供比a-Si更亮、更細致的畫面，早期是運用在攝影機、數(shù)字相機的屏幕上，缺點方面就是成本不低，未來如果技術(shù)純熟的話，很有可能影響傳統(tǒng)TFT的市場占有率。2.8. OLEDOLED（Organic Light Emitting Display）即有機發(fā)光顯示器，在手機LCD上屬于新型產(chǎn)品，被稱譽為“夢幻顯示器”。OLED顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，當有電流通過時，這些有機材料就會

15、發(fā)光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，并且能夠顯著的節(jié)省耗電量。目前在OLED的二大技術(shù)體系中，低分子OLED技術(shù)為日本掌握，而高分子的PLED（LG手機的所謂OEL就是這個體系的產(chǎn)品）的技術(shù)及專利則由英國的科技公司CDT的掌握，兩者相比PLED產(chǎn)品的彩色化上仍有一定困難。不過，雖然將來技術(shù)更優(yōu)秀的OLED可能會取代TFT等LCD，但有機發(fā)光顯示技術(shù)還存在著使用壽命短、屏幕大型化難等缺陷。2.9. UFS LCD三星SDI開發(fā)研制，采用了可去除殘影與雜色，完美呈現(xiàn)動態(tài)影像的數(shù)字驅(qū)動（Digital Driving）技術(shù)和可大幅提升響應速度的液晶開發(fā)技術(shù)以及可降低耗電的Swi

16、tching Driving技術(shù)此外，還使用了可提升色彩再現(xiàn)性與明暗對比的面板設計技術(shù)，使得這種LCD不僅可以顯示頂級的26萬色，而且響應速度達到13.5毫秒，比我們常見的TFT（約3040毫秒）響應速度快兩到三倍，同時更具備87的色彩再現(xiàn)性，也比之TFT（40）高出一倍以上，可完美呈現(xiàn)自然色的動態(tài)影像。2.10. UFB LCDUFB是2002年3月，三星公司發(fā)布的一款手機所用的新型液晶顯示器件，具有超薄、高亮度的特點。UFB是專為移動電話和PDA設計的顯示屏，具有超薄、高亮度的特點，可顯示65536種色彩，達到128x160的分辨率，該顯示屏還采用了特別的光柵設計，可減小像素間距，以獲得更

17、佳的圖像質(zhì)量。UFB液晶顯示屏的對比度是STN液晶顯示屏的兩倍，在65536色時亮度與TFT顯示屏不相上下，而耗電量比TFT顯示屏少，并且售價與STN顯示屏差不多，可說是結(jié)合這兩種現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)點于一身。2.11. ASV LCD（Advanced Super View 流動超視覺液晶）ASV是夏普利用原有的CG Silicon屏幕的基礎，再加上夏普的AQUOS系列液晶電視的ASV寬視角技術(shù)經(jīng)驗，所創(chuàng)造出的Mobile ASV屏幕。對屏幕可視角度及畫面的對比度改善較大。目前只有夏普在日本所上市的902sh運用此材質(zhì)，具有高解析、高質(zhì)量、160度可看角度的顯示效果。2.12. CGS LCD（Co

18、ntinuous Grain Silicon連續(xù)結(jié)晶技術(shù)液晶）CGS是夏普的獨家技術(shù)，CGS畫質(zhì)表現(xiàn)除更為清晰亮麗之外，與STN、TFT最大的差異，就是當在戶外強光下觀看STN、TFT時，會出現(xiàn)黯然失色的情況，而CGS則表現(xiàn)十分搶眼，依然展現(xiàn)出高亮度的色彩。缺點則是像TFT一樣耗電量大。2.13. TFD LCDTFD（Thin Film Diode）屏幕，又稱為薄膜二極管半透式液晶顯示屏。TFD技術(shù)由精工和愛普生公司開發(fā)出來，專門用在手機屏幕上。它是TFT和STN的折中，比STN的亮度和色彩飽和度更好，也比TFT省電。最大特點是無論在關閉背光（反射模式）或打開背光（透射模式）條件下都能提供高

19、畫質(zhì)、易觀看的顯示，并具有低功耗、高畫質(zhì)、高反應速度等優(yōu)點。3. 顯示原理1233.1 RGB象素獨立發(fā)光3利用發(fā)光材料獨立發(fā)光是目前采用最多的彩色模式。它是利用精密的金屬蔭罩與CCD象素對位技術(shù)，首先制備紅、綠、藍三基色發(fā)光中心，然后調(diào)節(jié)三種顏色組合的混色比，產(chǎn)生真彩色，使三色OLED元件獨立發(fā)光構(gòu)成一個像素。該項技術(shù)的關鍵在于提高發(fā)光材料的色純度和發(fā)光效率，同時金屬蔭罩刻蝕技術(shù)也至關重要。目前，有機小分子發(fā)光材料AlQ3是很好的綠光發(fā)光小分子材料，它的綠光色純度，發(fā)光效率和穩(wěn)定性都很好。但OLED最好的紅光發(fā)光小分子材料的發(fā)光效率只有31mW，壽命1萬小時，藍色發(fā)光小分子材料的發(fā)展也是很慢

20、和很困難的。有機小分子發(fā)光材料面臨的最大瓶頸在于紅色和藍色材料的純度、效率與壽命。但人們通過給主體發(fā)光材料摻雜，已得到了色純度、發(fā)光效率和穩(wěn)定性都比較好的藍光和紅光。高分子發(fā)光材料的優(yōu)點是可以通過化學修飾調(diào)節(jié)其發(fā)光波長，現(xiàn)已得到了從藍到綠到紅的覆蓋整個可見光范圍的各種顏色，但其壽命只有小分子發(fā)光材料的十分之一，所以對高分子聚合物，發(fā)光材料的發(fā)光效率和壽命都有待提高。不斷地開發(fā)出性能優(yōu)良的發(fā)光材料應該是材料開發(fā)工作者的一項艱巨而長期的課題。隨著OLED顯示器的彩色化、高分辨率和大面積化，金屬蔭罩刻蝕技術(shù)直接影響著顯示板畫面的質(zhì)量，所以對金屬蔭罩圖形尺寸精度及定位精度提出了更加苛刻的要求。3.2

21、光色轉(zhuǎn)換4光色轉(zhuǎn)換是以藍光OLED結(jié)合光色轉(zhuǎn)換膜陣列，首先制備發(fā)藍光OLED的器件，然后利用其藍光激發(fā)光色轉(zhuǎn)換材料得到紅光和綠光，從而獲得全彩色。該項技術(shù)的關鍵在于提高光色轉(zhuǎn)換材料的色純度及效率。這種技術(shù)不需要金屬蔭罩對位技術(shù)，只需蒸鍍藍光OLED元件，是未來大尺寸全彩色OLED顯示器極具潛力的全彩色化技術(shù)之一。但它的缺點是光色轉(zhuǎn)換材料容易吸收環(huán)境中的藍光，造成圖像對比度下降，同時光導也會造成畫面質(zhì)量降低的問題。目前掌握此技術(shù)的日本出光興產(chǎn)公司已生產(chǎn)出10英寸的OLED顯示器。1.2.2.1.2.2.3.3 彩色濾光膜6此種技術(shù)是利用白光OLED結(jié)合彩色濾光膜，首先制備發(fā)白光OLED的器件，然

22、后通過彩色濾光膜得到三基色，再組合三基色實現(xiàn)彩色顯示。該項技術(shù)的關鍵在于獲得高效率和高純度的白光。它的制作過程不需要金屬蔭罩對位技術(shù)，可采用成熟的液晶顯示器LCD的彩色濾光膜制作技術(shù)。所以是未來大尺寸全彩色OLED顯示器具有潛力的全彩色化技術(shù)之一，但采用此技術(shù)使透過彩色濾光膜所造成光損失高達三分之二。目前日本TDK公司和美國Kodak公司采用這種方法制作OLED顯示器。RGB像素獨立發(fā)光，光色轉(zhuǎn)換和彩色濾光膜三種制造OLED顯示器全彩色化技術(shù)，各有優(yōu)缺點?？筛鶕?jù)工藝結(jié)構(gòu)及有機材料決定。4. 藍光的產(chǎn)生及預防44.1 藍光光生物效應藍光危害是由波長介于300nm與700nm 的輻射照射后引起的光

23、化學作用，通常會存在導致視網(wǎng)膜損傷的潛能。如果照射時間超過lOs，這種損害機理起主要作用，而且是熱損害機理的數(shù)倍之多。4.2 LED燈藍光產(chǎn)生機理白光LED技術(shù)可通過多種方式予以實現(xiàn)(如圖1所示)，主要有兩種：一是利用藍光技術(shù)與黃色熒光粉配合形成白光；二是多種單色光混合得到白光 。由于不同色彩LED的驅(qū)動電壓、發(fā)光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此多色混合白光LED的制作方式復雜，成本較高。生產(chǎn)廠商普遍采用第一種技術(shù)。目前主流采用的GaN芯片，輻射譜的中心波長為450nm470nm，輻射譜帶的半寬度為30nm。當輻射譜激發(fā)YAG黃色熒光粉并且混合了藍光后，就會形成如圖2所示的典型白光LED光譜

24、。從圖2中可以看出，不同色溫LED的發(fā)射光譜與激發(fā)黃色熒光粉的發(fā)光光譜的比例不同。高色溫LED光譜中藍光所占的比重明顯高于低色溫的LED。目前普遍認為4000K以上的高色溫白光LED會對人體造成光生物輻射的潛在危險。特別是當LED用于室內(nèi)照明時，由于與人體的接觸時間較長，建議采用2700K 3000K且顯色指數(shù)為80以上的低色溫LED。但是，由于低色溫LED的光效較低。所以，照明產(chǎn)品生產(chǎn)廠家為了追求光效和顯色指數(shù)，通過會提高產(chǎn)品的色溫，致使市場中存在較多高色溫、高顯色指數(shù)的產(chǎn)品。同時，為了追求高利用率的LED產(chǎn)品，出現(xiàn)了越來越多的大功率、高亮度的LED產(chǎn)品。這些產(chǎn)品通過增加二次光學設計元件，增加了光源的功率與亮度，但越來越窄的光束角和越來越亮的LED，也使得潛在的光生物輻射危害悄然增加 。4.3 藍光的預防4.3.1 “濾藍 技術(shù)對長時間面對電腦屏幕的用戶來說，雙眼出現(xiàn)干澀脹痛等不適癥狀的現(xiàn)象極為普遍。究其根本，顯示器背光閃爍是罪魁禍首，它會引發(fā)眼球內(nèi)睫狀肌長期持續(xù)收縮，有如單反相機前后反復對焦“拉風箱”一樣，自然會造成不可避免的疲勞感。但比起