一种含有列形隔垫物液晶层的简化模型
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[摘 要] 本文考虑了LCD液晶层中列形隔垫物的作用，将液晶层视为一种复合材料层，求解了其材料参数的理论值，并利用有限元分析软件ANSYS建立数值模型进行了检验。结果表明，在温度变化时本文对含有列形隔垫物的液晶层进行的简化是可行的。
[关键词] LCD；隔垫物；有限元分析
[中图分类号] TN141.9 [文献标识码] A
1 引言
随着科学技术的日趋高速发展，近年来液晶显示屏（LCD）被广泛地应用于各类电子产品中，并逐渐取代了传统显示屏。由于液晶显示屏具有微功耗、无辐射、不闪烁、重量轻、体积小等独到优异的特性，因此液晶显示技术被广泛地用于工业、商业以及军事等各领域的电子产品中，如：电视机、计算机、手机、数字相机和军用仪器仪表上的液晶显示屏等[1]。
液晶显示屏是一个复杂的层合结构，主要由玻璃基板、液晶层、偏振片等部分组成。其中的液晶层主要是由液晶材料和层间隔垫物[2]等构成的，由于液晶层厚度一般在几微米，大约只有玻璃基板的1/100，又由于液晶屏本身的复杂结构使得液晶屏的研究成为一个难题，因此合理的简化液晶层就具有实际的意义。现有对液晶屏方面的研究主要有屏幕的加固以及温度作用下的分析等[3-4]。文献[4]中的液晶层未考虑其中隔垫物的作用，这不符合液晶层的结构特点。本文综合考虑层中液晶和隔垫物的作用，采用复合材料力学方法进行分析，旨在为液晶屏的研究提供帮助。
2 理论分析
液晶屏各部分的材料参数，如表1所示。根据图1a中列形隔垫物的分布形式，取图1b中的体积代表单元，图1中深色的为隔垫物，浅色的为液晶。根据复合材料力学中的分析方法[5]，将其简化为一种均质材料，得到材料参数的理论值分别为：
E1=3.0MPa，E2（=E3）=24.0GPa，v31（=v21）=0.18，v13（=v12）≈0，v23（=v32）=0.23，G31（=G12）=1.15MPa，G23=9.96GPa，α1=175.2×10-6℃-1，α2=（=α3）=8.31×10-6℃-1。
3 液晶层有限元模型分析
建立液晶层的二维模型，检验热膨胀系数理论值的有效性。由于液晶和玻璃隔垫物是两种不同的材料，因此在两者交界的边缘处，应力的变化会比较剧烈，而中间部分的位移分布会比较均匀。为此，根据图1b所示的结构，建立边长为480 μm的二维分析模型，如图2所示，是由液晶和玻璃隔垫物所组成的非均质液晶层模型，设x方向为液晶层宽度方向，z方向为液晶层厚度方向。
选用四节点四边形的Plane42单元[6]，如图3所示，令x=0，z=0边界法线方向的位移为0，令温度的改变量为Δt=20 ℃，读取模型中间处沿x、z方向的位移值，求得热膨胀系数的有限元值，与理论值的比较列于表2。
由表2可见，热膨胀系数的理论值和有限元值吻合良好，误差较小。
4 液晶屏有限元模型分析
建立二维的液晶屏模型，图4所示为简化的液晶屏模型结构及各部分的几何尺寸。如图5所示，模型尺寸为20 mm×1.008 mm，两层玻璃基板厚度均为0.5 mm，中间液晶层厚度为0.008 mm，各层长度均为20 mm；其中图5a的二维非均质模型的液晶层是由隔垫物和液晶构成的非均质层，图5b的二维均质模型的液晶层采用本文中简化的均质材料层。
在二维非均质模型液晶层下表面z=0边界处沿z方向施加位移约束，在模型左端x=0边界处沿x方向施加位移约束。取0 ℃为参考温度，令温度上升30 ℃，模型各部分的材料参数取表1中相应的数值。
均质模型与非均质液晶层模型的约束条件和温度变化情况相同，仅将液晶层的材料参数设定为根据复合材料力学方法求得的理论值。图6所示为网格划分情况。
为检验模拟结果，如图7所示，分别读取非均质模型和均质模型相同位置处沿x、z方向的位移，点的位置位于x=12 mm处，分别取液晶层上中下表面和玻璃基板上表面的点作为比较对象，两种模型各点位移的比较结果列于表3中，表中的误差为均质模型相对于非均质模型的。
由表3可见，均质模型和非均质模型相应位置各点处的位移吻合良好，误差均在0.1%以内。
5 总结
本文将由液晶和一种列形玻璃隔垫物构成的液晶层视为一种均质材料层，通过ANSYS有限元计算软件建立二维液晶层模型对此简化模型的热膨胀系数进行了检验，建立了液晶屏的二维均质和非均质模型并对两种模型中相同位置点的位移进行了比较，结果表明在温度变化时本文建立的简化模型是可行的。
参考文献：
[1]毛学军.液晶显示技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]张麦丽，王秀峰，张方辉等.液晶显示器用隔垫物的研究现状与最新进展[J].液晶与显示，2004，19（1）：24-29.
[3]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）：73-77.
[4]华懿魁，冯奇斌，牛红林.加固液晶显示器高温环境下热应力探究[J].现代显示，2012，（7）：38-44.
[5]沈观林，胡更开.复合材料力学[M].北京：清华大学出版社，2006：230-252.
[6]薛凤先，胡仁喜，康士廷.ANSYS 12.0机械与结构有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010：130-160.
作者简介：孙鹏（1987-），研究生，研究方向：固体力学。