極端低溫環境下的TFT LCD顯示器挑戰

在 –40°C 等極端低溫環境 中，顯示設備常因液晶反應遲滯與材料物性改變等因素，導致顯示延遲、對比降低甚至無法正常啟動。

此類低溫應用並非僅限於極地研究場域，在實際市場中亦廣泛存在於：

1. 北美地區：加拿大北部、美國阿拉斯加，以及冬季長時間處於低溫環境的美國中北部與高海拔地區。
2. 歐洲地區：北歐國家（挪威、瑞典、芬蘭）、冰島，以及其他高緯度或高寒地區。
3. 亞洲地區：日本北海道與本州部分高寒區域，冬季戶外設備同樣需長時間低溫運作。

 

對於戶外工業設備、交通系統、能源基礎建設與自動化設備而言，確保顯示模組在低溫環境下穩定運作，已成為系統設計中的重要課題。

 

【圖 1】Heater OFF / Heater ON 對照

 

在 –40°C 低溫環境下，未啟用加熱膜的 TFT LCD 顯示模組易因霧氣與水氣凝結導致畫面模糊；啟用 ITO 加熱膜後，可有效提升顯示表面溫度，防止霧化現象，確保畫面清晰可見。

 

工業級 TFT LCD 的低溫限制

一般工業等級 TFT LCD 顯示器，其標準工作溫度下限多落在 –20°C 至 –30°C 範圍內。當環境溫度進一步降低時，可能出現以下問題：

1. 液晶反應速度顯著下降
2. 影像殘留或顯示延遲

 

因此，若應用環境需在 –30°C 甚至 –40°C 下長時間運作，僅依賴標準顯示模組已不足以滿足需求，必須透過加熱裝置設計來維持顯示模組於可控的工作溫度範圍內。

低溫顯示器解決方案 – TFT LCD模組加熱技術

為確保 TFT LCD 在極端低溫環境中正常運作，常見的顯示模組加熱方案主要可分為以下三種：

1. PET 加熱貼片（Heating Pad）
2. ITO 加熱膜（ITO Heating Film）
3. ITO 加熱玻璃（ITO Heating Glass)

 

不同加熱方式在結構、光學特性與可靠度上各有差異，適用於不同顯示類型與應用需求。

PET 加熱貼片（Heating Pad)

PET 加熱貼片常採用銅合金導電材料，可將電流有效轉換為熱能。

此類加熱方式多應用於 TN 與 STN 單色字元顯示器，在結構上通常配置於背光模組下方。加熱後產生的熱能會透過背光系統傳遞至液晶層，提高液晶分子的流動性，使顯示器即使在低溫環境下，仍能正常啟動並穩定顯示。

適用重點:

1. TN / STN 單色顯示器
2. 結構簡單、成本相對較低
3. 適合低資訊量顯示應用

 

---

ITO 加熱膜（ITO Heating Film）

ITO 加熱膜主要應用於彩色 TFT LCD 顯示器，其核心材料為 氧化銦錫（Indium Tin Oxide, ITO），具備良好透明導電特性，透光率約 85%。

ITO 加熱膜通常配置於 LCD 面板與蓋板玻璃之間。當施加直流電壓時，電流通過 ITO 薄膜所產生的阻抗會轉換為熱能，使顯示模組在低溫環境中維持穩定溫度，同時不影響顯示亮度與畫質。

此設計可有效:

1. 改善低溫啟動與顯示延遲問題
2. 降低霧氣與水氣凝結風險
3. 在不顯著影響畫質的前提下，提升低溫顯示可靠度

 

此類方案常應用於 戶外工業 HMI、交通設備顯示器、能源與公共設施終端設備。

【圖 2】ITO Heating Film × TFT LCD 結構示意圖

 

---

 

ITO 加熱玻璃（ITO Heating Glass）

ITO 加熱玻璃在結構配置上與加熱膜相似，同樣安裝於 LCD 面板與蓋板玻璃之間，但其 ITO 導電層直接形成於玻璃基材上。

相較於 ITO 加熱膜，加熱玻璃具備以下優勢:

1. 更高透光率（約 90%）
2. 較佳耐高溫與環境穩定性
3. 在信賴性測試中表現更優異

 

此方案特別適用於對顯示品質與長期可靠度要求較高的彩色TFT LCD顯示器應用。以下圖示為功能原理圖 (Functional Block Diagram):

【圖3】ITO Heating Glass 功能原理圖

 

---

 

防霧與防水氣效果說明

在低溫且高濕環境中，顯示表面容易因溫差產生霧氣或水氣凝結。 透過加熱膜或加熱玻璃設計，可使顯示模組表面溫度維持高於露點溫度，有效降低霧化現象，確保顯示內容於惡劣環境下仍清晰可見。

此特性對於冬季長時間處於低溫環境的美國中北部與高海拔地區，日本、北歐與沿海高濕低溫地區 的戶外設備尤為重要。

【圖4】防霧與防水氣顯示效果比較
(ITO Heating Film vs. ITO Heating Glass)

 

---

 

加熱裝置方案比較

項目	PET 加熱貼片	ITO 加熱膜	ITO 加熱玻璃
厚度影響	小	小	較大
材料透光率	中	中	高
模組整體透光率	中	低	高
耐高溫能力	低	低	高
長期信賴性	中	較低	高
適用顯示類型	TN / STN 單色	彩色 TFT	彩色 TFT

 

---

 

實測數據說明

根據華凌光電實際測試結果，在固定電壓與標準測試條件下， ITO 加熱膜可使 TFT 顯示模組於 約 240 秒內升溫約 20°C，無論於常溫或低溫環境中，皆能維持穩定顯示表現。

【圖5】低溫加熱實測曲線

 

---

 

適用於全球低溫應用的顯示解決方案

透過適當的顯示模組加熱設計，可有效擴展 TFT LCD 顯示器於 –40°C 低溫環境 下的應用範圍。

此類解決方案已廣泛適用於：

• 戶外繳費機與提款機
• EV 充電樁
• 戶外資訊顯示設備
• 工程車與工業控制系統

 

在北美、歐洲與日本等低溫市場中，顯示加熱技術已成為提升系統可靠度與使用穩定性的關鍵設計之一。隨著應用環境日益嚴苛，具備低溫對策的 TFT LCD 顯示方案，將持續扮演重要角色。

基於顯示模組層級的加熱設計經驗，華凌光電可依實際應用需求，整合 ITO 加熱膜或 ITO 加熱玻璃於 TFT LCD 顯示模組結構中，並透過實測驗證，協助客戶評估低溫啟動性能、防霧效果與長期可靠度，降低系統設計風險並縮短產品開發時程。