工程師課堂：基于實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、體積小、重量輕、光學特性好等特點，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的顯示，它本身不能發光，只能依靠周圍環境的光來顯示。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和固體雙重性質的有機物，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，LCD處于"OFF"態，光能透過LCD呈白態;當在電極上加上電壓時LCD處于"ON"態，液晶分子長軸方向沿電場方向排列，光不能透過LCD，呈黑態。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模式可用來制作具有低電壓、低功耗、長壽名等特點的液晶顯示器，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(一般為環氧樹脂)密封，盒的兩個外側貼有偏光片。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔，即通常所說的盒厚，一般為幾個微米(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(簡稱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其加到液晶上去。

液晶盒中玻璃片內側的整個顯示區覆蓋著一層定向層。定向層的作用是使液晶分子按特定的方向排列，這個定向層通常是一薄層高分子有機物，并經摩擦處理，也可以通過在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來制備。

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棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿一個固定方向排列，分子長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。

評價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的改變，因而是一種分子過程，其響應速度自然比原子過程或電子過程慢的多。但是無論是上升過程還是下降過程，都是一個由動力克服阻力而使液晶分子狀態發生改變的過程。因此，不論何種液晶電光效應制成的器件，其響應時間T如下式表示：

圖1 響應時間和溫度關系圖

其中液晶顯示器的上升時間為液晶顯示器的下降時間，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為外加驅動電壓。E=V/d為電場強度；q稱為波數，在向列形液晶顯示器的場合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S由約0.8降到0.3。可見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成指數關系。圖1顯示液晶盒的響應時間與溫度的關系。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，驅動電壓的有效值，隨著溫度的降低，閾值電壓會升高。當溫度降至低于0℃時，液晶材料將變得粘滯，響應速度變慢，動態圖像出現拖尾現象甚至不能顯示;如果溫度過低，液晶態就會消失，變成晶體。當環境溫度低于0℃時，背光源的熒光燈管壽命會降低，而且低溫會降低背光源的亮度，根據試驗顯示，背光源的亮度在50℃時是最高的，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電壓

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

2.2 利用ITO導電膜進行加熱

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