温度对向列相液晶阈值电压的影响_王欣

1 温度对液晶显示器件的影响
液晶显示器的种类很多，但相当普通而且广泛 应用的是扭曲向列相型液晶显示器件，即 TN- LCD (tw is t ne m atic liquid crys tal dis play)。这种显示模式 的特点是液晶分子基本平行于基板排列，但上下液 晶分子取向呈扭曲排列，整体扭曲角为 90°。 TN- LCD 发明较早，由于技术已十分成熟，因此到目 前为止是应用范围最广、数量最多、价格最便宜的液 晶显示器，无论在无源驱动显示还是有源驱动显示 中都是如此。目前，大部分的商用 TFT- LCD 依然使 用向列相液晶为主要的液晶材料。
4结论
液晶显示器件的阈值电压是温度的函数，随着 温度的升高阈值电压降低。在理论上，我们结合 Landau 理论推导出阈值电压 Uth 与 （ST）1/2 成正比， 由于 S 正比于 T- N，且 N>1，所以阈值电压随温度升 高而降低，这与实验数据相符。我们利用灌装 J K- 13141+0.1% S811 液晶的 ECB 盒进行高温环 境试验，证明了随着环境温度的升高阈值电压显著 降低，并观测到因此带来的非选择像素出现半显状 态的现象。这为设计良好温度稳定性的液晶显示器 件提供了依据。
2 理论推导
我们知道，阈值电压 Uth 的变化将会较大地影响 器件显示的稳定性。Uth 升高，器件的显示对比度会 下降；Uth 降低，容易产生交叉串扰现象。一般在 0℃ 或以下的温度时，由于液晶在与常温同样的电场影 响下很难进行物理旋转，液晶的反应时间大大增加， 致使画面显示明显迟缓。实际上，温度还会改变液晶 材料的双折射和光学各向异性特性。液晶显示器件 的阈值电压公式可以由以下公式描述：
参考文献 [1] 黄锡珉. 显示技术新进展[J]. 液晶与显示，2000，15(1) : 125. [2] 范志新. 液晶器件工艺基础[M]. 北京: 北京邮电大学出版
社，2000: 415. [3] 黄 翀，王建国. 温度对液晶光阀电光特性的影响[J ]. 光学
与光电技术，2008，6(6): 34. [4] Y. Q. Lin. Tem perature effect on thres hold voltage and op-
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技 术 交 流
图 1 不同温度下的阈值电压 旋转。所以提高液晶光阀的驱动电压，可以加速液晶 分子的运动，使其达到显示效果。
3.2 液晶显示器件的高温稳定实验
将灌装样品 J K- 13141+0.1% S811 的液晶盒和 检测电路整体装入电热干燥箱，设定温度 55℃，在工 作状态下进行耐热实验，18 小时后显示状态正常。继 续设定温 60℃后，在 60℃高温（相对 27℃室温）出现 非选择笔段并呈现半显示状态的现象。实验证明，该 型液晶阈值电压随温度的升高单调降低，在 27℃的 室温下阈值电压的有效值为 0.950V，而在 60℃下阈 值电压有效值降低至 0.855V，如图 2 所示。
子的序参数。根据 Landau 理论，弹性常数 K1、K2、K3
可以表示为以下形式：
姨 姨 K1=
9 2
来自百度文库
L1+
L2 2
S2
（2a）
K2=
9 2
L1S2
（2b）
K3= K1
（2c）
显然 K1、K2 和 K3 均与 S2 成正比，并且可以认为
K1 与 K3 是相等的。各向异性介电常数近似为：
姨 姨 △ε=ε
从图 1 看出，液晶光阀的阈值电压是温度的函 数，随着温度的升高，阈值电压逐渐降低。温度在 25～85 ℃变化，阈值电压在 0.96～0.75V 之间波 动。这是由于温度决定液晶分子的内能，在较低的温 度下，液晶材料变得粘稠，分子的运动需要更多的能 量，液晶在与常温同样的电压影响下很难进行物理
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Φ π
+ 2L1 L2/2 + L1
hq0 π
1
Φ π
2
（S
1
T）2
（4）
显然，阈值电压 Uth 正比于(ST)1/2；由于 S 正比于
T- N 且 N>1，所以阈值电压随温度升高而降低。
3 实验论证
3.1 阈值电压随温度变化曲线
使用奥林巴斯偏光显微镜进行光学观测和显微 镜专用加热平台加热，从 22℃开始加热，在到达 85℃之间的温度区间内该型液晶均呈现向列相，测 量阈值电压随温度变化情况并描绘出 Uth～T 曲线， 如图 1 所示。
关键词：向列相液晶；温度；阈值电压；高稳定性
中图分类号：TN141.9
文献标识码：B
Influence of Temperature on Threshold Voltage of Nematic Liquid Crystal
WANG Xin, LI Zhi-guang, GUO Ting, ZHANG Zhi-dong (Department of Appling Physics, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)
-
ε⊥=
N ε0
姨3cos 2β- 1 姨dp2 2KBT
S （3）
可见△ε 正比于序参数 S。将(2a)、(2b)、(2c)和
(3)式与(1)式联立可得：
1
姨 姨 Uth=
π h
9（L1+ L2/2）KB N（3cos 2β- 1）dp2
2
1+ L2/2- L1 L2/2 + L1
姨 姨 姨 姨姨 姨 2
度对该型液晶阈值电压的影响，结果表明向列相液晶阈值电压是温度的函数。 温度从室温 25℃
变化到 85℃,阈值电压从 2.6V 降到 2.2V，这与 TN 盒阈值电压 Uth 随温度 T 增加而降低的理论
推导相符。 在实际应用中则可能出现在室温下非显示状态的像素，在较高的温度下呈现半显状
态。 文章为设计高稳定性的液晶显示器件提供了依据。
图 2 在 60℃下， 液晶显示器非选择像素出现半显 现象
该样品采用动态驱动方式，动态驱动法比静态 驱动法可以节省庞大的硬件驱动电路，即把水平一 组显示像素的背电极都连在一起引出，称之为行电 极；把纵向一组显示像素的背电极都连在一起引出， 称之为列电极。液晶显示的动态驱动法是循环地给 行电极施加选择脉冲，同时所有显示数据的列电极 给出相应的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某
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文章编号：１００６－６２６８（２０１０）０２／０３－００４８－０３
温度对向列相液晶阈值电压的
技
术 交 流
影响
王 欣，李志广，郭 婷，张志东 (河北工业大学应用物理系，天津 300401)
摘 要： 采用商用 ECB 液晶盒灌装向列相液晶样品 JK-13141+0.1%S811 测量并分析了环境温
随着液晶显示器应用的日益广泛，人们对液晶 显示器温度使用范围的要求越来越宽[1]。而液晶显示 器主要部分是液晶材料，在极冷的情况下会渐渐成 为真正的晶体，而在过热的情况下又会成为各向同 性物质或纯液体，这两种极限状态下液晶都不能作 为显示器件的工作材料。即使在液晶态温度范围之 内，温度的变化也会影响液晶材料的物性参数，如粘 滞系数、介电常数和弹性常数等，而液晶显示器的显 示特性与这些物性参数直接相关。
引言
液晶作为一种具有各向异性的特殊功能材料， 已广泛应用于显示器件、光通信、光计算及光信息处 理等领域，而向列相液晶则是现在使用最广泛的液 晶。从宏观整体上观察向列相液晶，由于其液晶分子
质心无长程序，并可在三维范围内移动，因而可以像 液体一样流动。但所有液晶分子的长轴都基本指向 同一个方向，正是这一有序的指向矢，使向列相液晶 具有典型的单轴晶体的光学特性，而在电学上又具 有明显的介电各向异性。如果利用外加电场对具有 各向异性的向列相分子进行控制，改变原有分子的
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收 稿 日 期 ：2009-10-29
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有序状态，自然就会改变原有液晶的光学性能，从而 实现了液晶对外界光的调制。正是因为向列相液晶 这种明显的电学 - 光学各向异性，才使向列相液晶 成为显示技术中应用最广泛的一类液晶[3]。但是液晶 材料的物性参数，如粘滞系数、介电常数和弹性常数 等都对环境温度十分敏感。本文分析环境温度变化 对 J K- 13141+0.1% S811 型液晶电光特性的影响， 对液晶显示器件的显示稳定性具有实际应用价值。
作者简介：王 欣，男，籍贯内蒙古，主要研究方向为 液晶器件及液晶导波光学，E- m ail：Wal_2008@126. com。
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行所有显示像素的显示功能，这种扫描逐行进行或 者按照一定顺序周期性重复实现动态驱动。一般来 说，动态驱动法的非选择像素实际为半选择点，即行 电极选择而列电极为非选择的状态，半选择点施加 电压值为选择点的一半[2]。
一般而言，只要选择电压接近或高于饱和电压， 半选择电压选择低于阈值电压，就能够得到较好的 显示效果。但随着环境温度的升高，阈值电压降低， 原本远小于阈值电压的半选择电压接近甚至达到阈 值电压，致使非选择像素出现半显现象，使液晶显示 器件的对比度大大降低。
Abstract： Us ing the ECB ce ll, the influe nce of te m pe rature on thre s hold voltage of liquid crys tal (J K- 13141+0.1S811) is m e as ure d and analyze d. The re s ults indicate that the thre s hold voltage change s w ith te m pe rature . In addition, w e the ore tically dis cus s the te m pe rature e ffe ct on the thre s hold voltage of ne m atic tw is te d liquid crys tal. Whe n the te m pe rature change s from 25℃ to 85℃ , the thre s hold voltage de cre as e s from 0.96V to 0.75V rm s . The e xpe rim e ntal data are cons is te nt w ith the the ore tical re s ults . It s upplie s the re fe re nce s for the de s ign of LCD de vice s w ith high s tability. Keywords： ne m atic liquid crys tal; te m pe rature ; thre s hold voltage ; high s tability
2
姨 姨 姨 Uth=
π h
K1 △εε0
1+ （K3- 2K2） K1
Φ π
+2
1
姨 姨姨 姨 K2 hq0
K1 π
Φ2 π
（1） 技
其中 h 为盒厚，给液晶盒施加高于阈值的电压， 术
液晶分子指向矢倾斜角和扭曲角就是 z 的函数。Φ
交 流
为液晶分子指向矢扭曲角。K1、K2、K3 分别为展曲弹
性常数、扭曲弹性常数和弯曲弹性常数，S 为液晶分
tical property of tw isted nematic liquid crystal w ith applied different voltages[J]. Opt. Int. J. Light Electron, 2009. [5] Surajit Dhara. Enhancem ent of Freedericks z's thres hold voltage of nem atic liquid crys tals in thin cells [J]. J ournal of Molecular Liquids, 2009, 147(3):145.