一种基于薄膜电致发光显示技术的高铁车辆玻璃夹层透明显示屏设计

近年来，我国高速铁路发展迅速，已经建成了运营速度最快、里程最长的高速铁路网。为了使我国高铁持续保持竞争力，不仅需要在列车技术上不断创新进步，也需要不断提升旅客服务质量，为旅客提供舒适、高效、安全、智能的高铁旅程。

在信息科技迅猛发展的今天，显示屏作为信息化终端显示载体，在信息的有效传播过程中，发挥了不可替代的重要作用。透明显示屏作为未来显示技术发展的重要方向，一些成熟的透明显示产品早已出现在日常生活中。但是，目前市面上主流的透明显示屏仍然以民用和商用为主，其可靠性尚无法满足工业应用的要求。薄膜电致发光透明显示屏的出现很好地填补了这一空白，其高透光率、坚实耐用、超宽温的特性非常适合汽车和轨道交通等较为严苛的应用环境。

1 常见透明显示屏介绍

目前市面上常见的透明显示屏主要有透明LED显示屏、透明LCD显示屏和透明OLED显示屏，如图1所示。

图1 常见的3种透明显示屏

1.1 透明LED显示屏

透明LED显示屏也被称为“玻璃幕墙LED显示屏”，它是由单根LED灯条组装成透明LED模组后拼接成大面积透明显示屏，主要安装在商场的大型落地窗和建筑外墙玻璃上，用于商业宣传。透明LED显示屏普遍尺寸很大，安装复杂，单块LED模组质量可达5 kg，同时功率高达200 W/m2，因此很难满足轨道交通车辆的应用环境要求。

1.2 透明LCD显示屏

LCD全称为“液晶显示屏”，液晶是基于液晶电光效应的显示器件，其材料本身并不能自发光，所以在液晶显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板(或称匀光板)和反光膜，用来提供均匀的背光源。这就导致透明LCD显示屏必须以类似“灯箱”的形式出现，四周必须配备发光管以增加其可读性。因此，目前透明LCD显示屏大多以商业橱窗的形式出现，橱窗内部摆有待展示的产品，橱窗前玻璃替换为透明LCD显示屏，以显示相应的推广材料或者产品规格型号等。

1.3 透明OLED显示屏

OLED全称为“有机发光二极管或有机发光显示”，其原理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生发光[1]。OLED的结构与本文重点介绍的薄膜电致发光显示屏十分相似，都具备自发光的特性和类似“三明治”的结构，由一层薄而透明的氧化铟锡(ITO)与电力正极相连，再加上另一个金属阴极，将发光薄膜材料夹在中间。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮。

但是OLED其本身特性具有物理上的限制，由于OLED的发光材料属于有机物，在高温环境以及高湿度环境下，有机材料容易产生劣化，因此相比于无机发光材料，OLED的寿命更短。目前透明OLED显示屏的平均寿命在3万h左右，这是阻碍其在工业领域大规模推广的难题。

2 薄膜电致发光显示屏介绍

薄膜电致发光显示屏(以下简称“EL显示屏”)是一种全固态无机电致发光显示屏，截至目前，EL显示屏的成熟应用历史已经接近40年 [2]，主要用于军工、医疗、轨道交通、航空航天等较为严苛的环境。

EL显示屏采用表面处理过的钠钙玻璃作为基板，中间分别由ITO电极、绝缘层和发光层组成[3]，见图2。相比于透明OLED显示屏，EL显示屏的发光材料属于无机物，对严苛环境的耐受性极强并具有超高的使用寿命，其优势主要集中体现在以下几方面：

图2 EL显示屏

(1) 温度耐受范围宽，可耐受温度范围为-65～100 ℃，在烈日暴晒下可正常工作，在-60 ℃环境下仍能做到即开即用，无拖尾现象；

(2) 全固态显示，抗冲击振动能力强；

(3) 响应时间小于1 ms，在整个工作温度范围内均可保证显示清晰的波形曲线；

(4) 可保证连续10万h以上的工作时间，远超目前市面上任何一种显示技术；

(5) 对潮湿环境忍受度高；

(6) 对比度高达1 000∶1，强光下仍然非常清晰；

(7) 功率低，显示面积为240 mm×180 mm的显示屏的功率只有11 W。

当EL显示屏两侧电极都使用高透光度的ITO、两侧基板都选用玻璃时，可以生产出具备上述优点且透光率高达80%以上的透明EL显示屏，为工业级透明显示屏提供了极佳的解决方案。由于EL显示屏特殊的结构特点(在不加盖板玻璃的情况下显示屏本身厚度只有0.76 mm)，可以通过PVB胶粘工艺完美地将EL显示屏夹层于2片透明玻璃中间。透明EL显示屏及其玻璃夹层结构见图3。

图3 透明EL显示屏及其玻璃夹层结构

基于上述特点，EL显示屏非常适合应用于汽车前风挡以及轨道交通车辆侧窗玻璃夹层显示屏。

3 高铁透明EL显示屏方案

3.1 电路驱动原理

高铁透明EL显示屏主要由透明EL显示屏、驱动板和电源及信号处理板组成。电源及信号处理板的电源为车辆提供DC 24 V或DC 110 V电源，采用RS-485/CAN/以太网通信。驱动板接收电源及信号处理板处理后的显示数据，驱动透明EL显示屏进行信息显示。高铁透明EL显示屏电路驱动原理框图如图4所示。

图4 高铁透明EL显示屏电路驱动原理框图

如图4所示，透明EL显示屏厚度为0.7 mm，夹在车门双层玻璃之间。透明EL显示屏通过软排线(可提供透明软排线)连接安装在车门门壁上的驱动板。为便于安装，驱动板与控制板分离。其中，整套设备与车载旅客信息系统主机相连时仅需2根电源线及1根双绞屏蔽信号线，显示屏整机对布线要求低，可以与车门其他装置一同布线。

3.2 安装位置及尺寸

高铁透明EL显示屏夹层在车辆塞拉门玻璃内，用于显示旅客信息系统发送来的线路信息，见图5。根据列车不同状态，高铁透明EL显示屏显示内容包括车次、区间和车厢号等提示信息。

图5 高铁透明EL显示屏安装位置

图6为高铁透明EL显示屏尺寸，图7为高铁透明EL显示屏在高铁塞拉门上的安装尺寸。图7中灰色区域需要做丝网图案处理。显示屏安装后中心点距离车门下边缘大约1.6 m。按照乘客平均身高1.75 m计算，透明屏显示区域在乘客的眼睛正视范围之内。

图6 高铁透明EL显示屏尺寸

图7 高铁透明EL显示屏在高铁塞拉门上的安装尺寸

3.3 显示内容

车辆预报站时，高铁透明EL显示屏为车内乘客提供到站信息提示，包括车厢号、车次，前方到站、距离前方到站距离及停车时间等信息。当车速降低到30 km/h时，透明EL显示屏为车外乘客提供目的地显示，显示车厢号、车次和区间信息。显示屏点阵节距为2.2 mm，显示方式完全按照中国国家铁路集团有限公司《CRH系列动车组车外信息显示器优化方案》中规定的方屏显示要求执行。显示字体为中文宋体和英文半角宋体。高铁透明EL显示屏实际显示效果见图8。

图8 高铁透明EL显示屏实际显示效果

3.4 技术参数

高铁透明EL显示屏技术参数见表1。

表1 高铁透明EL显示屏技术参数

4 高铁EL透明显示屏应用展望

透明显示屏是未来显示技术发展重要的方向之一，根据知名平板显示屏咨询机构Displaybank对未来全球透明显示市场的预测，未来透明显示的市场空间逐渐增大。高铁透明EL显示屏在轨道交通行业应用时，还可以内嵌在前风挡玻璃中，作为司机控制室内的抬头显示使用，另外还可夹层于推拉门玻璃中，替换目的地显示、车外显示等，可以使乘客在得到信息的同时，观赏车外风景。同时由于其超长的运行时间，使得显示屏能够达到与整车相同的保修时间，中间不需要单独更换，进一步降低了全寿命周期的成本。未来的交通出行将趋向智慧化发展，本项目在透明EL显示屏的研究上，迈出了试探性的一步，为其在未来智慧交通的应用上开启了一扇新的大门。