基于TRIZ的大尺寸平板电脑屏幕水雾问题改善

罗 翔 马 林 王 瑶 袁西平

(1.厦门理工学院 光电与通信工程学院,福建 厦门 361024；2.万利达集团有限公司，福建 漳州 363000)

0 引言

大尺寸平板电脑屏幕出现水雾是很常见的一个问题，原因可能来自环境因素也可能由于生产过程中的组装失误。目前国内外解决此问题采用的是全贴合技术，然而这一技术带来的问题就是成本很高。想要降低成本，并减少水雾问题的发生，本文利用TRIZ研究解决此问题的创新方案。

如今TRIZ是创新设计方法中最常见的一种理论方法，其含义就是发明问题解决理论。由于人类进入工业化社会，已经产生了无数的发明创作，设计了各种机械设备，而这些发明的创新过程是一个普遍的规律。理性使用TRIZ可以大大加快创造发明的过程，并获得高质量的创新产品；帮助我们系统分析问题，快速发现性质或矛盾，并确定问题的研究方向，最终提出符合要求的最优方案。

1 描述问题

平板电脑开机一段时间以后，整机中触摸屏内侧局部区域出现水雾。这种现象会影响显示效果，使用户看不清楚液晶屏幕显示的内容，也无法屏幕触控。

(1)该问题的产生原因：湿冷环境下，空气湿度70%以上，开机约20分钟易出现，多发在梅雨季节。

(2)采用的解决方案：整机生产过程中，控制生产车间的环境湿度，空气湿度控制在60%之下。安全生产防静电的要求，湿度不能小于50%。生产管控文件约定：生产环境的空气湿度控制在50%～60%。

(3)解决方案的缺点：在工厂生产环节，通过控制生产过程中环境，解决了水雾问题。但是整机到终端用户手上，在特定环境下(气候湿冷的地区和气温潮湿的梅雨季节)，还是会有出现。客户对这种现象不理解，普遍会认为是质量问题，可能导致客户投诉。

(4)目前类似问题的解决方案：采用全贴合工艺，把液晶屏幕和触摸屏通过水胶贴合到一起，此方案缺点就是成本高，整机成本增加5%左右。

(5)公司对此问题的要求：成本不能增加太多，工艺方面要容易实现，对于结构的变更要少。

了解上述问题后，就可以利用TRIZ对该问题进行分析和创新设计。

2 分析问题

2.1 TRIZ解题步骤

TRIZ解决创新问题的想法是使用科学的问题来解决方法，具体方法是将特殊问题归因于TRIZ常规问题，然后应用TRIZ里通用的创新理论和算法寻求标准解决方案，在此基础上形成初始问题具体解决方案,具体的解题步骤流程[1]如图1所示。在描述问题，进行功能组件、功能组件矩阵、功能组件模型分析后，进行根本原因分析。根本原因分析就是对整个问题的内在因果关系进行逻辑上的顺序分析，从问题到答案，再结合解决问题分析中的技术矛盾创新原理、物理矛盾分离方法和物场模型标准解法等进行分析，最终得到一系列方案，然后进行方案评价。如果没有得到比较好的方案则返回到分析问题，重新进行分析；相反则根据实际情况选出比较好的方案。

图1 解题流程

2.2 功能组件分析

在TRIZ中，组件分析主要目的是寻找技术系统内部组件与组件之间相互作用的功能属性。通过分析找到了如表1所示的超系统组件和系统组件。在现有方案中，全贴合技术中仅仅是针对触摸屏和液晶屏进行了创新设计，改变其他系统组件也可以对改善屏幕水雾问题有帮助，因此可从这些方面切入找到创新点和解决方案。

表1 功能组件表

2.3 组件关系矩阵

组件关系矩阵是对关系的一种刻画，即对于两个集合之间的某个关系，能清楚地表明此二集合的任意元素是否有此关系的数字矩阵。画出组件的关系矩阵来反映出各组件的相互作用的情况，如图2所示，然后分析各个结点，可以看出图中有13个节点相互作用：①后壳对前壳的支撑作用；②后壳对中框的支撑作用；③前壳对触摸屏的黏着作用；④触摸屏对防尘泡棉的压缩作用；⑤液晶屏幕对触摸屏光辐射的不足作用；⑥触摸屏对电路控制系统电信号传递的作用；⑦触摸屏对空气附着的有害作用；⑧防尘泡棉对液晶屏幕的支撑作用；⑨防尘泡棉限制空气流动不足；⑩液晶屏幕对中框的支撑作用；电路控制系统对液晶屏幕提供电能；液晶屏幕加热空气具有过度作用；中框对电路控制系统起到支撑作用。其中组件之间的相互作用有充分的作用、不足的作用、有害的作用、过度的作用。

图2 组件关系矩阵

2.4 功能模型

经过对组件关系矩阵和组件之间相互作用的分析，经过绘图得到了如图3所示的功能模型图，其中直线表示充分作用，波浪线表示有害作用，虚线表示不足作用，+线表示过度作用，箭头表示方向。

通过组件功能模型图分析，可得出导致产生水雾的几个功能因素：①液晶模组对于夹层空气具有加热的功能(过度)；②外界的空气对于触摸屏具有冷却的作用(有害)；③触摸屏对液晶屏幕和触摸屏之间的夹层空气有冷却的作用(不足)；④夹层的空气中的水汽对触摸屏具有粘附的作用(有害)；⑤防尘泡棉限制夹层空气的流通(不足)。

图3 功能模型

2.5 根本原因分析

通过对功能模型图的分析理解，得到四个结果，从结果到原因，一步步寻找引发问题的根本原因，即是常说的因果分析法，通过分析可以得到如图4所示的因果关系图。

这4条因果链条最终都导致TP内侧出现了水雾，造成TP对人信息传递不足。针对这4条因果链条，利用物场模型标准解法、物理矛盾分离方法和技术矛盾创新方法进行分析。

图4 因果关系

3 解决问题

3.1 物场模型分析

物场模型是由根里奇·阿奇舒勒于1979年提出的, 一般用在分析问题时描述带有问题的系统。物场模型是一种使用符号表达技术系统变换的建模技术, 它以解决问题中的各种矛盾为中心, 通过建立一种模型描述系统内的问题, 旨在用符号语言清楚地描述系统构成要素及构成要素之间的相互联系[2]。针对问题“1.1 TP内侧表面张力；2.TP和水蒸气有温度差”这一问题可以使用物场模型对问题进行分析。

(1)明确问题发生的位置：触摸屏和夹层空气接触的位置。

(2)确定问题物场模型，如图5所示，可以看出夹层的空气中的水汽对触摸屏具有粘附的作用是有害的。

图5 触摸屏与夹层空气接触的物场模型

(3)根据规律得到解决方案物场模型，如图6所示采用标准解：两个子级有13个标准解里应用“引入S3，消除有害因素”的标准解来解决空气中的水汽对触摸屏的有害作用。

图6 用标准解解决后的物场模型

用物场模型解决TP和水蒸气有温度差的问题，解决方案就是引入S2触摸屏变形物质，在触摸屏中增加使用透明材质制作的电阻丝，加热TP。

解决思路：S2变形，现在低温，变为与夹层空气温度接近。

方案1：触摸屏中，增加使用透明材质制作的电阻丝。设计电路，电阻丝通电后发热，加热触摸屏；触摸屏温度高，就不会对夹层空气冷却。张少波[3]等人已研究过这种技术，其主要科技内容有：开发了超薄ITO导电膜玻璃低温成膜技术。自主设计了真空泵抽气口缓冲过滤装置，有效降低了腔体中水汽含量，保证了腔体内部的真空度；开发了真空状态下玻璃表面均衡的加热技术，解决温度引起的玻璃变形，实现了高温精确监控，保证ITO薄膜的光学特性和导电性能。

解决思路：S2变形，变形为提高表面张力。

方案2：在触摸屏内侧，增加一层防雾膜。这种膜是种透明的PET膜。具有比较高的表面张力。可以使得水滴形状变更为水膜，改变视觉上的效果。解决TP内侧表面张力的问题，引入S2触摸屏变形物质，在触摸屏内侧增加一层防雾膜。防雾膜的产品构造如图7所示。

图7 防雾膜产品构造

3.2 物理矛盾分析

物理矛盾通俗讲便是在整个技术系统中，对产品中的一个参数有着对应不同的要求，如长与短、大与小，因此产生了矛盾，这里就称为物理矛盾。针对问题“4.1泡棉阻碍空气”采用物理矛盾方法求解。对物理矛盾进行提问如下：

Step 1：定义物理矛盾？

参数： 防尘泡棉的密度。

要求1：降低密度，提高空气的流通性；

要求2：增加密度，防止灰尘进入机器。

Step 2：如果想实现技术系统的理想状态，这个参数的不同要求应该在什么空间得以实现？

空间1： 整机所有的使用环境；

空间2： 整机所有的使用环境。

Step 3：以上两个空间是否交叉？

交叉，无法通过空间分离方法解决。

Step4：如果想实现技术系统的理想状态，这个参数的不同要求应该在什么时间得以实现？

时间1：整机使用的所有时间段；

时间2： 整机使用的所有时间段。

Step5：以上两个时间是否交叉？

交叉，无法使用时间分离解决。

Step6：如果想实现技术系统的理想状态，这个参数的不同要求应该在什么条件时间得以实现？

条件1：从机器内部到外部空气流动要快；

条件2：从机器外部到内部要求防尘和空气流动差。

Step5：以上两个条件是否交叉？

不交叉，因此在使用空气流动方向这个条件下，可以把这两个从机器外部到内部要求防尘和空气流动差，而从机器内部到外部空气流动要快的需求分离，通过上述分析问题，最终采用条件分离的方式解决。

方案3：更改防尘泡棉的外形参数。最终根据实际可操作情况，防尘泡棉按照如图8所示方式设计(图示为局部)。其工作原理是改变泡棉的通道形状使外部到内部的空气流动性受阻、内部到外部的空气顺利流通。

图8 改变防尘泡棉的外形

3.3 技术矛盾分析

技术矛盾指技术系统中两个参数之间存在相互制约，是在提高技术系统的某一参数时，导致了另一个参数的恶化而产生的矛盾。所以设计人员或者技术人员在面对技术系统做出改善的时候，不仅是要考虑两个参数方面相互影响的后果，还有对最终成果预期值的判断。为此，TRIZ理论提供了39个通用技术参数，用来对问题进行分析，每种参数都对应不同的矛盾，由此还有40个发明原理，以便在后续解决问题和创新过程中，又能够依据TRIZ理论体系。同时为了提高效率和矛盾间的关联性，创建了矛盾矩阵，这个矩阵提供了不同参数的技术矛盾和发明原理之间的问题解决原理推荐，帮助设计人员在处理矛盾时选择合适的发明原理[2]。针对问题“4.2缺乏让空气流动的装置”可以采用技术矛盾方法求解。对技术矛盾进行提问如下：

Step 1：问题是什么？

液晶模组对于夹层空气具有加热的功能。

Step 2：现在有什么解决办法？

降低液晶模组的温度(降低液晶模组中LED的电流)。

Step 3：上述的方法有什么缺点？

物体会产生有害因素。

找到技术矛盾，且根据改善和恶化查找矛盾矩阵表中对应的发明原理结果。其改善的条件是温度，恶化的条件是物体产生有害因素，通过查找矛盾矩阵表找了对应的发明原理35、24、22、2这4个。最后利用知识库思考找到新的创新方案，结果如表2所示。根据上述改善方案各产生不同的确切方案技术。

方案4：后壳边框区域开孔。这种方法汤双才等人就设计过，该技术是通过在壳体中提供对流热室，对流热室可以进一步与多个单独的空腔分离，然后在壳体对应于腔的情况下，下部提供多组流过孔，使得壳体空气对流可以在体内进行，并且壳体与绝缘构件组合，使得壳体的内壁表面也可以完全涉及整理产品的散热，所以最终散热区域会比一般的产品多3倍以上。

方案5：在后壳特定位置增加风扇散热。在许多公司研究超小型笔记本电脑时就会利用风扇往外抽风，在壳体出风口的另外一侧开进风孔，使得机器内部通过空气对流进行散热。这种方法对大尺寸平板电脑来说也是经常用到的。

方案6：对液晶屏的驱动板贴石墨片进行散热措施。以石墨为原料通过温和电化学溶胀工艺，常温常压下高效制备高质量的石墨烯。液体循环使用，不用浓硫酸。该工艺具有石墨烯产率高、成本低、能耗低、无污染和可规模化生产的特点。使用该工艺可制备出石墨烯粉、墨和薄膜多种产品。其中石墨烯粉具有单片大，质量好，缺陷少、高度晶化的优点，其压实密度可达2.2g/ml。石墨烯薄膜具有较好的导热导电和力学性能。其经高温(1000℃)热处理后不脆裂，具有良好的拉伸强度[4]。

表2 基于发明原理的改善方案

方案7： 整机出货的时候，放干燥剂。保证整机在开箱使用时候，整机内的环境湿度不要太大。

3.4 技术系统进化法则分析

针对问题“2.2.1 液晶屏的LED发光发热”采用根据技术系统进化法则二提高理想度法则，液晶模组将会被显示效率更高的OLED模组替代。OLED模组，显示粒子是自发光的，显示效率更高。目前在LCD模组，液晶粒子是不会发光，是背光发光，穿透液晶模组，发光效率不高，容易产生大量热量[5]。

方案8：用效率高自发光的OLED代替效率低背光板发光的LCD显示屏。该技术是由北京科技大学李立东教授课题组围绕白光有机发光二极管研制中的关键问题, 合成了两种类型的有机白光材料，如聚合物白光材料和有机小分子白色材料，并制备了一层白光OLED 设备，最大亮度大于10000cd/m2，发光效率大于30镉/a，寿命大于1500小时，色温4000～7000k。

4 方案评价及决策

4.1 方案评价

基于TRIZ理论对大尺寸平板电脑屏幕水雾问题改善研究得出了8个方案，但还没有从需求方面进行分析即满足成本不多增加、工艺容易实现、结构变更要少这3个方面。对这8个方案进行评价，对应地就可以从经济性、技术可行性、可生产性3个方面客观评分进行可行性评估。通过企业员工对上述方案评价进行总结与打分，最终结果如表3所示。

表3 方案可行性评估表

4.2 方案选择

在进行可行性分析之后，根据综合得分可得出最佳方案3、4、7，分别是更改防尘泡棉的外形参数、在后壳边框区域开孔提高散热和整机出货放干燥剂。但除开得分20以下的方案1、8外，其他方案也是值得采纳的。各生产商可根据自身的经济实力和发展状况选择最优方案，本文总结的方案可行性评价表可帮助其在客观上进行选择。

5 结语

本文结合TRIZ对改善大尺寸平板电脑屏幕水雾问题进行了研究，取得了创新成果。采用了TRIZ中提出问题、问题分析、解决问题的流程，运用了对事物技术矛盾、物理矛盾和物场模型的分析方法，提出了科学有序的多个设计方案。关于改善大尺寸平板电脑屏幕水雾问题，首先进行了创建模型，根据所需要的前提画出组件关系矩阵，构建结构模型和组件功能模型。再根据组件功能模型，利用TRIZ研究新的创新设计和方案，对这些方案进行可行性分析得到最优解决方案。得出的最终方案在降低成本、简化工艺方面都基本满足了要求。