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TFTs en exterior

El uso de displays TFT para exterior está cada vez más extendido, siendo muy habituales

en aplicaciones como:

Sistemas de información y publicidad: información de transporte público,

kioskos y tótems de publicidad o información ciudadana.

Equipos de cobro y pago: dispensadores de fuel, cajeros automáticos, máquinas

de vending, ticketing,…

Instrumentación industrial: control de maquinaria, grúas, intercomunicadores

(video portero),…

Sistemas a bordo de vehículos: interfaces para control de flotas, aplicaciones

de aviación y marina, vehículos de las fuerzas de seguridad, bomberos, servicios

médicos,…

En todas estas aplicaciones, el factor más importante para ofrecer una experiencia

adecuada al usuario es asegurar la legibilidad del display y, en consecuencia, minimizar

el efecto de la luz solar sobre el mismo. Básicamente esto afecta a dos parámetros de la

TFT: la luminosidad y el contraste, que para este tipo de soluciones deben ampliar sus

prestaciones hasta valores de entre 800 y 1000 nits en el caso de la luminosidad

del backlight, manteniendo un ratio de contraste de 500:1 a 800:1. Al aumentar la

luminosidad del backlight se persigue que la luz emitida por la TFT sea de mayor

intensidad que la luz que se refleja del ambiente. El contraste es la relación entre el pixel

más brillante (blanco) y el más oscuro (negro) que pueda mostrar la TFT, y cuanto mayor

sea su valor, más fácilmente podrá leerse.

Estos requisitos de uso hacen que el consumo global de la TFT también aumente. Y aquí es

donde empiezan los problemas reales. La TFT suele integrarse en equipos con poca

disponibilidad de espacio, lo que no facilita la disipación del calor y suele suponer

la incorporación de ventiladores para generar un flujo de aire que mantenga la

temperatura adecuada de la electrónica.

Además un display para exteriores suele incorporar otras “capas” aparte de la propia TFT,

como pueden ser: sensor táctil, cristal anti vandálico, filtro de rayos UV, etc. Esas capas

son de materiales diversos: cristal, PET, vinilo…. sin olvidar la cámara de aire que suele

haber entre el LCD y el resto de capas en el montaje habitual de este tipo de soluciones.

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Cada material tiene su propio índice de refracción

de la luz. La luz se refleja al atravesar materiales

con índices de refracción diferentes. Así, en cada

cambio de material, una parte de la luz será

reflejada incidiendo negativamente en el

contraste del equipo.

De forma genérica se considera que, en cada cambio de medio se produce una

reflexión del 4,5% de la luz incidente. Dependiendo del número de capas que tenga

nuestro montaje, eso puede indicar que entre un 12% y un 24% de la luz incidente puede

acabar siendo reflejada.

1. ¿Qué es el bonding?

El “bonding”, o también “optical bonding” consiste en unir, sin dejar ninguna capa de

aire, las diferentes capas del montaje (LCD, filtro UV, sensores táctiles, filtro

antirreflejos, cristal anti vandálico, etc) mediante un adhesivo que iguale los índices de

refracción de los materiales que está uniendo. Al reducir esa diferencia entre los índices de

refracción, se minimiza el efecto de reflexión de la luz incidente y se aumenta así el

contraste total y la visibilidad de las imágenes mostradas en la TFT.

Si entramos al detalle podemos definir los siguientes pasos en el proceso de “bonding”:

Elección de Materiales:

Aunque hay una extensa gama de materiales líquidos ópticamente adhesivos, no todos

ellos son adecuados para la unión directa de las distintas capas a un LCD. Normalmente se

usan materiales acrílicos o basados en siliconas. Los materiales basados en epoxy no se

suelen emplear para este proceso ya que carecen de las propiedades mecánicas y

adhesivas y además su composición química en dos sustancias, es mucho más difícil de

manejar en un entorno de producción. Además, con el tiempo se acaba cuarteando.

Tampoco tienen cabida los uretanos, tanto por sus características mecánicas como por su

tendencia a amarillear con el tiempo.

Fig. 1 – Reflexión en cada superficie

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Preparación de Materiales:

Para garantizar la calidad global de un proceso de bonding y el rendimiento a largo plazo

del kit ensamblado, los materiales implicados en el proceso deben prepararse

oportunamente. El uso de salas limpias es esencial para excluir partículas extrañas que

afectarían negativamente en la calidad del display. Los procesos de bonding se

realizan habitualmente en salas limpias clase 1K ISO o superior. Los sensores

táctiles, diplays y demás capas del proceso deben superar el proceso de inspección de

calidad a su recepción y se deben limpiar completamente y embalarse en un encapsulado

apropiado para el uso en salas limpias. El pre-acondicionamiento de los displays y otros

componentes a altas temperaturas se puede usar para eliminar cualquier partícula no

deseada en el proceso. Los adhesivos se deben manipular según las especificaciones del

fabricante y con su envase original y los adhesivos líquidos pueden contener gases

disueltos o componentes volátiles, así que puede que tengan que ser desgasificados

previamente a su uso.

Aplicación del adhesivo:

En la gran mayoría de casos, se usan procesos automatizados para dispensar o aplicar los

adhesivos a las superficies del bonding. Existen varios métodos en el caso de adhesivos

líquidos, dependiendo de la aplicación y tamaño del display, que incluyen una o varias

agujas dispensadoras y varios tipos de recubrimientos.

El posicionamiento preciso del adhesivo, así como el control de su volumen y recorrido es

esencial para obtener los resultados deseados (ver Fig. 2). En algunos casos, un segundo

material adhesivo de alta viscosidad se puede emplear para formar una estructura de

soporte que se usa para el control del posicionamiento y fluido del adhesivo (ver Fig. 3).

Fig. 2 Fig. 3

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Bonding o Unión:

Son diversas las técnicas usadas para hacer el bonding con adhesivos líquidos, tanto en

condiciones ambientales normales, como en condiciones de vacío. Se emplean métodos

tanto manuales como automáticos para emplazar con precisión una cubierta sobre un

display o un sensor táctil y para controlar exactamente el flujo de adhesivo, obteniendo así

una unión uniforme. En otros casos, se aplica el adhesivo a la cubierta superior y ésta se

coloca sobre la siguiente superficie. El tipo de técnica y equipamiento usado por

cada fabricante, depende en gran parte de las preferencias del mismo, de las

necesidades del cliente y de la aplicación específica del display.

Se han desarrollado sistemas tanto ópticos como mecánicos para asegurar el correcto

posicionamiento de las superficies del bonding. La precisión de dicho posicionamiento

depende de los requisitos del usuario final. A mayor precisión, mayor coste del

equipamiento implicado y mayor complejidad del proceso. Algunos sistemas de optical-

bonding alcanzan precisiones en los ejes X-Y de hasta ± 5 μm. Si bien es cierto que, en la

mayoría de aplicaciones una precisión de ± 100 μm es suficiente.

Proceso de Curado:

El último paso en el proceso de bonding implica el curado del adhesivo (ver Fig. 4). Se

produce una reacción química en que partículas más pequeñas del adhesivo reaccionan y

se unen para formar una molécula mayor que proporciona las características adhesivas y

mecánicas deseadas.

Esta reacción se puede iniciar mediante luz UV,

calor o humedad. Al tratarse de una reacción

química, es también sensible a los parámetros

típicos como la temperatura, tiempo,

concentración de los reactivos, y en el caso de

curado por UV, intensidad de la luz, composición

espectral, y la dosis de energía suministrada.

Los sistemas de curado por UV tienen la ventaja de ser totalmente

automatizados y tener un tiempo muy corto para el ciclo de ensamblado total.

Aun así, en ocasiones se requieren pasos especiales en diseños que incluyen algún

componente opaco que impide la transmisión de luz UV.

Fig. 4 – Curado por Ultra

Violeta

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En los casos de curado por temperatura, hay que tener especial cuidado en el

almacenamiento y manipulación del adhesivo para evitar que la reacción de curado se

produzca de forma prematura.

A modo de resumen, en este vídeo podemos apreciar algunos de los pasos del proceso de

bonding.

2. Beneficios del Bonding

Ya hemos visto que el objetivo principal de la técnica del bonding es mejorar el contraste

del display y mejorar así su visibilidad. Pero además, debido a la naturaleza de los

materiales empleados y al resultado final de la unión de los mismos, se consiguen otros

beneficios a tener en cuenta, como mejor respuesta a las condiciones ambientales,

robustez estructural y flexibilidad de diseño:

Resistencia a Impactos y vibraciones:

El bonding de un cristal templado o lamiando encima del display incrementa drásticamente

su resistencia a impactos y vibraciones. Un display con bonding es mucho más

resistente que uno con la habitual cámara de aire, ya que la capa adhesiva

absorbe los golpes en cierta manera y la unión que se forma entre la cubierta de cristal

y el display es mucho más resistente mecánicamente de lo que son dichas capas por

separado. El bonding aumenta la resistencia al vandalismo en máquinas de vending,

cajeros automáticos así como la tolerancia a las caídas para móviles, tablets, etc. También

reduce las deformaciones en los LCDs debidas a la presión (lápiz, dedo). Por último,

mejora la seguridad del usuario al mantener unidas los pedazos de cristal en caso de

ruptura.

Mejora de la Visibilidad a Baja Temperatura

Los diseños con cámara de aire suelen verse afectados por la humedad entre el cristal de

cubierta o sensor táctil y el display, lo que afecta a la legibilidad a bajas temperaturas

debido a condensaciones. Se da el caso que dicha condensación puede incluso resultar en

la formación de hongos en el interior del equipo. El bonding previene este efecto, al

sustituir la cámara de aire por adhesivo.

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Mejor Respuesta a Condiciones Ambientales

Algunos polarizadores se deterioran rápidamente en condiciones de alta temperatura y

humedad. Al cubrir los bordes con el adhesivo, se mejora este comportamiento. Muchos

displays sin bonding no superan los requisitos de alta temperatura y humedad para

aplicaciones militares y/o aeroespaciales. El adhesivo utilizado en el bonding también

protege a los polarizadores de del contacto accidental y puntual con agua.

Flexibilidad de Diseño

El optical bonding ofrece varias flexibilidades de diseño, tales como la reducción del ancho

de marcos y juntas. Por ejemplo, la apariencia sin marco de algunos Smart phones o

tablets solamente es posible con el bonding de un cristal-cubierta a un sensor capacitivo

proyectado

Funcionalidades Añadidas

Las funcionalidades del display aumentan según los componentes que incorporemos al

bonding: sensores táctiles, filtros de privacidad, filtros EMI, filtros IR o infrarrojos, filtros

UV, etc. Un ejemplo ocurrió cuando se empezaron a instalar a la luz solar en los desiertos

de la zona del Golfo Pérsico. Dichos displays mostraban una serie de fallos muy

significativos debido a la ausencia de filtro UV en el montaje.

3. El filtro de Privacidad

En el uso de cajeros automáticos es importante ofrecer confort y seguridad al usuario final.

Una forma de evitar que el usuario tema porque alguien pueda estar viendo la información

que aparece en pantalla es incorporar un filtro de privacidad. Dicho filtro hace que la

pantalla solamente sea visible si se mira de forma frontal y a partir de un determinado

ángulo en el eje X ya no se distingue correctamente la información.

En Monolitic ofrecemos soluciones de bonding prácticamente para cualquier

aplicación. Para TFTs desde 5,7” hasta 21,5” podemos incorporar los componentes

que mejor se adecúen a cada solución:

- Cristal anti vandálico de 3mm o 6mm de espesor

- Sensor táctil Capacitivo Proyectado

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- Filtro IR infrarrojo para minimizar el efecto del calor en equipos expuestos al sol.

- Filtro UV ultravioleta

- Filtro de privacidad

- Filtro anti-reflejos y anti-glare

En las figuras 5 y 6 se aprecia un ejemplo desarrollado en MONOLITIC. Se trata del

bonding de una TFT de 10,4” más un sensor táctil capacitivo proyectado de Rocktouch y

un filtro de privacidad solamente en la mitad inferior de la pantalla (esta solución está

disponible como opción desde 7” hasta 21.5”).

Referencias

“Optical Bonding Makes Its Mark with Touch Panels and Other Displays” - Society For Information Display. Vol 27, Num

5/6. May/June 2011

“Direct-Dry-Film Optical Bonding: Finding New Applications” - Society For Information Display. Vol 29, Num 4. July/

August 2013

Fig. 5 – Vista frontal filtro privacidad Fig. 5 – Vista lateral filtro privacidad