背光模組熱濕變形之數值分析與實驗探討｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	許軒豪 Hsu Hsuan-Hao
論文名稱：	背光模組熱濕變形之數值分析與實驗探討 NUMERICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF HYGROTHERMAL DEFORMATION OF BACKLIGHT MODULES
指導教授：	王偉中 Wang Wei-Chung
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	129
中文關鍵詞：	相位移式陰影雲紋法、背光模組、熱濕負載、面外位移、von Mises應力
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摘要

本研究主要是利用相位移式陰影雲紋法(Phase Shifting Shadow Moiré Method)探討背光模組承受熱濕負載之全場平面外位移，背光模組的邊界條件假設為四邊固定，並經由恆溫恆濕爐施予背光模組熱濕負載。本研究亦利用商用有限單元法套裝軟體ANSYS進行平板熱變形之數值模擬，將數值與實驗兩種結果交互驗證，同時針對驗證結果以修正ANSYS數值模擬之參數。最後，利用已修正之ANSYS參數條件，探討背光模組試片受熱負載之應力分布現象，並以von Mises應力做為判斷材料破壞之準則。

關鍵字：相位移式陰影雲紋法、背光模組、熱濕負載、面外位移、
von Mises應力

目錄
一、簡介.................................................1
二、文獻回顧.............................................4
2.1  TFT-LCD........................................4
2.2  TFT-LCD國內研究魚骨圖..........................7
2.3  相位移式陰影雲紋法..............................7
三、理論.................................................9
3.1  均質平板小變形理論之概述........................9
3.1.1  平板小變形理論之假設........................9
3.1.2  均質平板理論...............................11
3.1.3  正交性複材疊層平板熱濕變形理論.............17
3.2  陰影雲紋法.....................................21
3.3  相位移原理.....................................24
四、實驗裝置與試片......................................28
4.1  實驗裝置.......................................28
4.1.1  光學裝置...................................28
4.1.2  相位移式陰影雲紋儀.........................29
4.1.3  微電腦控制恆溫恆濕爐.......................30
4.1.4  背光模組四邊固定機構.......................30
4.1.5  影像處理系統...............................31
4.2  試片規劃.......................................31
4.3  試片之表面處理.................................33
五、實驗程序............................................34
5.1  準備試片.......................................34
5.2  夾持背光模組試片...............................34
5.3  架設相位移式陰影雲紋儀.........................35
5.4  校正相位移式陰影雲紋儀.........................35
5.5  進行熱濕負載實驗...............................35
5.6  取相...........................................36
5.7  計算相位圖與相位展開圖.........................37
5.8  讀取試片平面外位移場與重建試片三維曲面.........37
5.9  數值分析.......................................37
六、結果與討論..........................................40
6.1  實驗條紋分布....................................40
6.2  濕度固定為40%RH，溫度範圍為35℃~85℃，每間隔
10℃進行平面外位移量測.........................41
6.3  濕度固定為60%RH，溫度範圍為35℃~85℃，每間隔
10℃進行平面外位移量測.........................42
6.4  濕度固定為80%RH，溫度範圍為35℃~85℃，每間隔
10℃進行平面外位移量測.........................44
6.5  溫度固定為85℃，濕度範圍為30%RH~80%RH，每間
隔10%RH進行平面外位移量測..................45
6.6  誤差原因之探討及解決之道........................47
6.6.1  剛體旋轉問題...............................47
6.6.2  四邊夾持機構之夾持力問題...................47
6.6.3  恆溫恆濕爐玻璃視窗反光問題.................47
6.6.4  高溫高濕環境內量測問題.....................48
6.6.5  步進馬達移動精度問題.......................48
6.7  ANSYS數值模型可信度...........................49
6.8  已修正之ANSYS數值模型分析結果.................50
七、結論與未來展望......................................52
7.1  結論...........................................52
7.2  未來展望.......................................54
八、參考文獻............................................56
圖目錄
圖2.1    背光模組結構圖....................................60
圖2.2    背光模組結構爆炸圖................................61
圖2.3    導光板翹曲示意圖..................................62
圖2.4    液晶螢幕產生之Mura現象...........................62
圖2.5    TFT-LCD國內研究魚骨圖...........................63
圖3.1    座標系統定義圖....................................64
圖3.2    陰影雲紋法擺置示意圖(光源以平行光型態入射).........65
圖3.3    陰影雲紋法擺置示意圖(光源以點光源型態入射).........65
圖4.1    相位移式陰影雲紋法光路架設示意圖..................66
圖4.2    實驗架設實景圖....................................67
圖4.3    CCD相機與變焦鏡頭實體圖..........................69
圖4.4    光纖光源產生器....................................69
圖4.5    光柵實體圖........................................70
圖4.6    光柵夾具實體組裝圖................................70
圖4.7    步進馬達系統實體圖................................71
圖4.8    鏈條式升降台實體圖................................71
圖4.9    恆溫恆濕機溫度溼度使用範圍圖......................72
圖4.10    四邊固定夾持機構實體圖............................72
圖4.11    背光模組實體圖....................................73
圖5.1    背光模組試片表面噴漆圖............................74
圖5.2    四邊固定夾持機構螺絲編號圖........................74
圖5.3    導光板於恆溫恆濕爐承受120℃熱負載之實體圖.........75
圖5.4    背光模組於環境濕度40%RH及溫度35℃之相位移影像...76
圖5.5    三步相位移全場相位圖..............................77
圖5.6    Unwrapping圖......................................77
圖5.7    三維曲面重建圖....................................78
圖5.8    ANSYS有限元素模型圖.............................79
圖5.9    Real Constants分布圖................................79
圖6.1    背光模組於環境溫度35℃及濕度40%RH之相位移影像...80
(a)    第一張影像....................................80
(b)    第二張影像(相位移2π/3) .......................80
(c)    第三張影像(相位移4π/3) .......................80
圖6.2    背光模組於環境溫度45℃及濕度40%RH之相位移影像...81
(a)    第一張影像.................................... 81
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 81
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 81
圖6.3    背光模組於環境溫度55℃及濕度40%RH之相位移影像...82
(a)    第一張影像.................................... 82
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 82
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 82
圖6.4    背光模組於環境溫度65℃及濕度40%RH之相位移影像...83
(a)    第一張影像.................................... 83
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 83
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 83
圖6.5    背光模組於環境溫度75℃及濕度40%RH之相位移影像...84
(a)    第一張影像.................................... 84
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 84
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 84
圖6.6    背光模組於環境溫度85℃及濕度40%RH之相位移影像...85
(a)    第一張影像.................................... 85
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 85
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 85
圖6.7    實驗(a)組溫度與背光模組試片平面外最大位移量關係圖..86
圖6.8    背光模組於環境溫度35℃及濕度60%RH之相位移影像...87
(a)    第一張影像.................................... 87
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 87
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 87
圖6.9    背光模組於環境溫度45℃及濕度60%RH之相位移影像...88
(a)    第一張影像.................................... 88
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 88
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 88
圖6.10    背光模組於環境溫度55℃及濕度60%RH之相位移影像...89
(a)    第一張影像.................................... 89
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 89
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 89
圖6.11    背光模組於環境溫度65℃及濕度60%RH之相位移影像...90
(a)    第一張影像.................................... 90
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 90
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 90
圖6.12    背光模組於環境溫度75℃及濕度60%RH之相位移影像...91
(a)    第一張影像.................................... 91
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 91
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 91
圖6.13    背光模組於環境溫度85℃及濕度60%RH之相位移影像...92
(a)    第一張影像.................................... 92
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 92
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 92
圖6.14    實驗(b)組溫度與背光模組試片平面外最大位移量關係圖..93
圖6.15    背光模組於環境溫度35℃及濕度80%RH之相位移影像...94
(a)    第一張影像.................................... 94
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 94
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 94
圖6.16    背光模組於環境溫度45℃及濕度80%RH之相位移影像...95
(a)    第一張影像.................................... 95
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 95
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 95
圖6.17    背光模組於環境溫度55℃及濕度80%RH之相位移影像...96
(a)    第一張影像.................................... 96
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 96
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 96
圖6.18    背光模組於環境溫度65℃及濕度80%RH之相位移影像...97
(a)    第一張影像.................................... 97
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 97
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 97
圖6.19    背光模組於環境溫度75℃及濕度80%RH之相位移影像...98
(a)    第一張影像.................................... 98
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 98
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 98
圖6.20    背光模組於環境溫度85℃及濕度80%RH之相位移影像...99
(a)    第一張影像.................................... 99
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ....................... 99
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ....................... 99
圖6.21    實驗(c)組溫度與背光模組試片平面外最大位移量關係圖.100
圖6.22    背光模組於環境溫度85℃及濕度30%RH之相位移影像..101
(a)    第一張影像................................... 101
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ...................... 101
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ...................... 101
圖6.23    背光模組於環境溫度85℃及濕度40%RH之相位移影像..102
(a)    第一張影像................................... 102
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ...................... 102
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ...................... 102
圖6.24    背光模組於環境溫度85℃及濕度50%RH之相位移影像..103
(a)    第一張影像................................... 103
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ...................... 103
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ...................... 103
圖6.25    背光模組於環境溫度85℃及濕度60%RH之相位移影像..104
(a)    第一張影像................................... 104
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ...................... 104
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ...................... 104
圖6.26    背光模組於環境溫度85℃及濕度70%RH之相位移影像..105
(a)    第一張影像................................... 105
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ...................... 105
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ...................... 105
圖6.27    背光模組於環境溫度85℃及濕度80%RH之相位移影像..106
(a)    第一張影像................................... 106
(b)    第二張影像(相位移2π/3) ...................... 106
(c)    第三張影像(相位移4π/3) ...................... 106
圖6.28    實驗(d)組溫度與背光模組試片平面外最大位移量關係圖.107
圖6.29    測微器實體圖.....................................108
圖6.30    修正前背光模組模型於環境溫度65℃下之平面外位移場.108
圖6.31    光學元件表面微結構組織關係圖.....................109
圖6.32    修正後背光模組模型之Real Constants分布圖..........109
圖6.33    背光模組於環境溫度35℃下之平面外位移場...........110
圖6.34    背光模組於環境溫度45℃下之平面外位移場...........110
圖6.35    背光模組於環境溫度55℃下之平面外位移場...........111
圖6.36    背光模組於環境溫度65℃下之平面外位移場...........111
圖6.37    背光模組於環境溫度75℃下之平面外位移場...........112
圖6.38    背光模組於環境溫度85℃下之平面外位移場...........112
圖6.39    背光模組於環境溫度35℃下之von Mises應力場........113
圖6.40    背光模組於環境溫度45℃下之von Mises應力場........113
圖6.41    背光模組於環境溫度55℃下之von Mises應力場........114
圖6.42    背光模組於環境溫度65℃下之von Mises應力場........114
圖6.43    背光模組於環境溫度75℃下之von Mises應力場........115
圖6.44    背光模組於環境溫度85℃下之von Mises應力場........115






























表目錄
表1    恆溫恆濕爐溫濕控制與分布精度表...................116
表2    導光板材料材質.................................116
表3    各層光學元件材料特性表...........................117
表4    Real Constants1材料特性表..........................118
表5    Real Constants2材料特性表..........................119
表6    Real Constants3材料特性表..........................120
表7    Real Constants4材料特性表..........................121
表8    實驗(a)組背光模組試片熱濕變形相位圖與三維曲面重建
圖...............................................122
表9    實驗(a)組背光模組之平面外最大位移量...............123
表10    實驗(b)組背光模組試片熱濕變形相位圖與三維曲面重建
圖...............................................124
表11    實驗(b)組背光模組之平面外最大位移量...............125
表12    實驗(c)組背光模組試片熱濕變形相位圖與三維曲面重建
圖...............................................126
表13    實驗(c)組背光模組之平面外最大位移量...............127


表14    實驗(d)組背光模組試片熱濕變形相位圖與三維曲面重建
圖...............................................128
表15    實驗(d)組背光模組之平面外最大位移量...............129

                                

八、參考文獻

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