工程師課堂：基于實(shí)現(xiàn)液晶顯示器低溫顯示的方法介紹

1 引言

液晶顯示器具有功耗低、清晰度高、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、光學(xué)特性好等特點(diǎn)，是理想的顯示器件，廣泛應(yīng)用在各種儀器儀表上。

液晶顯示是一種被動(dòng)的顯示，它本身不能發(fā)光，只能依靠周圍環(huán)境的光來(lái)顯示。它只需很小的能量就能顯示圖案或字符。正因?yàn)榈凸暮托⌒突?LCD成為較佳的顯示方式。液晶顯示所用的液晶材料是一種兼有液態(tài)和固體雙重性質(zhì)的有機(jī)物，它的棒狀結(jié)構(gòu)在液晶盒內(nèi)一般平行排列，但在電場(chǎng)作用下能改變其排列方向。

對(duì)于正性TN-LCD，當(dāng)未加電壓到電極時(shí)，LCD處于"OFF"態(tài)，光能透過(guò)LCD呈白態(tài);當(dāng)在電極上加上電壓時(shí)LCD處于"ON"態(tài)，液晶分子長(zhǎng)軸方向沿電場(chǎng)方向排列，光不能透過(guò)LCD，呈黑態(tài)。有選擇性地在電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案。

TN模式可用來(lái)制作具有低電壓、低功耗、長(zhǎng)壽名等特點(diǎn)的液晶顯示器，在各種工作模式中是應(yīng)用最廣泛的一種模式。

液晶顯示器是一個(gè)由上下兩片導(dǎo)電玻璃制成的液晶盒，盒內(nèi)充有液晶，四周用密封材料-膠框(一般為環(huán)氧樹(shù)脂)密封，盒的兩個(gè)外側(cè)貼有偏光片。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔，即通常所說(shuō)的盒厚，一般為幾個(gè)微米(人的準(zhǔn)確性直徑為幾十微米)。上下玻璃片內(nèi)側(cè)，對(duì)應(yīng)顯示圖形的部分，鍍有透明的氧化甸-氧化錫(簡(jiǎn)稱ITO)導(dǎo)電薄膜，即顯示電極。電極的作用主要是使外部電信號(hào)通過(guò)其加到液晶上去。

液晶盒中玻璃片內(nèi)側(cè)的整個(gè)顯示區(qū)覆蓋著一層定向?qū)印６ㄏ驅(qū)拥淖饔檬鞘挂壕Х肿影刺囟ǖ姆较蚺帕?，這個(gè)定向?qū)油ǔＪ且槐痈叻肿佑袡C(jī)物，并經(jīng)摩擦處理，也可以通過(guò)在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來(lái)制備。

在TN型液晶顯示器中充有正性向列型液晶。液晶分子的定向就是使長(zhǎng)棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿一個(gè)固定方向排列，分子長(zhǎng)軸的方向沿著定向處理的方向。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，這樣，在垂直于玻璃片表面的方向，盒內(nèi)液晶分子的取向逐漸扭曲，從上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°，這就是扭曲向列型液晶顯示器名稱的由來(lái)。

評(píng)價(jià)液晶顯示器的指標(biāo)主要有閾值電壓、對(duì)比度與視角等，其中最重要的是響應(yīng)特性。液晶顯示是基于液晶分子狀態(tài)的改變，因而是一種分子過(guò)程，其響應(yīng)速度自然比原子過(guò)程或電子過(guò)程慢的多。但是無(wú)論是上升過(guò)程還是下降過(guò)程，都是一個(gè)由動(dòng)力克服阻力而使液晶分子狀態(tài)發(fā)生改變的過(guò)程。因此，不論何種液晶電光效應(yīng)制成的器件，其響應(yīng)時(shí)間T如下式表示：

圖1 響應(yīng)時(shí)間和溫度關(guān)系圖

其中液晶顯示器的上升時(shí)間為液晶顯示器的下降時(shí)間，液晶顯示材料的各向異性粘滯系數(shù)是液晶材料的三種形變彈性常數(shù)，液晶材料的介電各向異性，d是顯示器中液晶層的厚度；V為外加驅(qū)動(dòng)電壓。E=V/d為電場(chǎng)強(qiáng)度；q稱為波數(shù)，在向列形液晶顯示器的場(chǎng)合q=π/d；為真空介電常數(shù)：受溫度影響較小，于1/T成指數(shù)關(guān)系，所以受溫度影響相當(dāng)大，K雖隨溫度變化較大，隨溫度T的升高K的數(shù)值迅速減少，但近似與有序參數(shù)S的平方成正比，當(dāng)液晶溫度由晶體到向列相轉(zhuǎn)變溫度 升高到向列相到各向同性相變溫度以下時(shí)S由約0.8降到0.3。可見(jiàn)K隨溫度變化較 隨溫度變化小，隨兩者作用效果相加，仍可認(rèn)為與1/T成指數(shù)關(guān)系。圖1顯示液晶盒的響應(yīng)時(shí)間與溫度的關(guān)系。液晶顯示器的閾值電壓Vth，按定義是指液晶顯示器件顯示部分的電光變化達(dá)到最大變化量的10%時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的有效值，隨著溫度的降低，閾值電壓會(huì)升高。當(dāng)溫度降至低于0℃時(shí)，液晶材料將變得粘滯，響應(yīng)速度變慢，動(dòng)態(tài)圖像出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象甚至不能顯示;如果溫度過(guò)低，液晶態(tài)就會(huì)消失，變成晶體。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，背光源的熒光燈管壽命會(huì)降低，而且低溫會(huì)降低背光源的亮度，根據(jù)試驗(yàn)顯示，背光源的亮度在50℃時(shí)是最高的，為使顯示器工作性能最佳，應(yīng)使其工作在一定的溫度范圍之內(nèi)。

2 常用的低溫顯示方法

2.1 提高液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓

當(dāng)溫度下降時(shí)，液晶顯示器的閾值電壓會(huì)升高，提高液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓，可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示器在低溫下的顯示。此方法的主要器件是溫度傳感器與可調(diào)輸出電壓，根據(jù)外界環(huán)境的溫度改變液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓以使顯示器實(shí)現(xiàn)在低溫下的顯示，此種方法可以使液晶顯示器的工作溫度范圍為-20℃～+50℃。但是驅(qū)動(dòng)電壓不可能無(wú)限止的提高，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓提高到一定程度后，顯示器的對(duì)比度會(huì)明顯下降，甚至黑屏而導(dǎo)致顯示器無(wú)法使用。

2.2 利用ITO導(dǎo)電膜進(jìn)行加熱

將ITO加熱器置于液晶基板與背光源反射腔之間直接對(duì)LCD基板進(jìn)行加熱、這種方法加熱集中、時(shí)間短、加熱功率小