工程師課堂：基于實(shí)現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(cháng)、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?chē)h(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。正因為低功耗和小型化使 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)的有機物，它的棒狀結構在液晶盒內一般平行排列，但在電場(chǎng)作用下能改變其排列方向。

對于正性TN-LCD，當未加電壓到電極時(shí)，LCD處于"OFF"態(tài)，光能透過(guò)LCD呈白態(tài);當在電極上加上電壓時(shí)LCD處于"ON"態(tài)，液晶分子長(cháng)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(cháng)壽名等特點(diǎn)的液晶顯示器，在各種工作模式中是應用最廣泛的一種模式。

液晶顯示器是一個(gè)由上下兩片導電玻璃制成的液晶盒，盒內充有液晶，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(人的準確性直徑為幾十微米)。上下玻璃片內側，對應顯示圖形的部分，鍍有透明的氧化甸-氧化錫(簡(jiǎn)稱(chēng)ITO)導電薄膜，即顯示電極。電極的作用主要是使外部電信號通過(guò)其加到液晶上去。

液晶盒中玻璃片內側的整個(gè)顯示區覆蓋著(zhù)一層定向層。定向層的作用是使液晶分子按特定的方向排列，這個(gè)定向層通常是一薄層高分子有機物，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(cháng)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(cháng)軸的方向沿著(zhù)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(chēng)的由來(lái)。

評價(jià)液晶顯示器的指標主要有閾值電壓、對比度與視角等，其中最重要的是響應特性。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制成的器件，其響應時(shí)間T如下式表示：

圖1 響應時(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是液晶材料的三種形變彈性常數，液晶材料的介電各向異性，d是顯示器中液晶層的厚度；V為外加驅動(dòng)電壓。E=V/d為電場(chǎng)強度；q稱(chēng)為波數，在向列形液晶顯示器的場(chǎng)合q=π/d；為真空介電常數：受溫度影響較小，于1/T成指數關(guān)系，所以受溫度影響相當大，K雖隨溫度變化較大，隨溫度T的升高K的數值迅速減少，但近似與有序參數S的平方成正比，當液晶溫度由晶體到向列相轉變溫度 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?？梢?jiàn)K隨溫度變化較 隨溫度變化小，隨兩者作用效果相加，仍可認為與1/T成指數關(guān)系。圖1顯示液晶盒的響應時(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到最大變化量的10%時(shí)，驅動(dòng)電壓的有效值，隨著(zhù)溫度的降低，閾值電壓會(huì )升高。當溫度降至低于0℃時(shí)，液晶材料將變得粘滯，響應速度變慢，動(dòng)態(tài)圖像出現拖尾現象甚至不能顯示;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，根據試驗顯示，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，應使其工作在一定的溫度范圍之內。

2 常用的低溫顯示方法

2.1 提高液晶顯示器的驅動(dòng)電壓

當溫度下降時(shí)，液晶顯示器的閾值電壓會(huì )升高，提高液晶顯示器的驅動(dòng)電壓，可以實(shí)現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輸出電壓，根據外界環(huán)境的溫度改變液晶顯示器的驅動(dòng)電壓以使顯示器實(shí)現在低溫下的顯示，此種方法可以使液晶顯示器的工作溫度范圍為-20℃～+50℃。但是驅動(dòng)電壓不可能無(wú)限止的提高，當驅動(dòng)電壓提高到一定程度后，顯示器的對比度會(huì )明顯下降，甚至黑屏而導致顯示器無(wú)法使用。

2.2 利用ITO導電膜進(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