液晶材料電學特性隨溫度變化研究

吳 楠， 黃一洋， 張 嬌， 范亞凝， 房樸洋， 孔祥明蔡明雷， 趙桐州， 楊長勇， 葉文江*

(1. 河北工業大學 理學院, 天津 300401;2. 河北工業大學 材料科學與工程學院, 天津 300401;3. 河北冀雅電子有限公司, 河北 石家莊 050071;4. 河北省平板顯示器工程技術研究中心, 河北 石家莊 050071)

1 引 言

液晶因為其自身獨特的優點，近年來已經廣泛應用于顯示和非顯示領域[1-3]。但是，液晶性質極其容易受到溫度的影響。在高溫下，液晶分子取向有序度會大幅降低；在低溫下，液晶甚至會轉變成為晶體。這也直接導致了利用液晶實現顯示的器件在低溫下不能正常工作。目前用于解決低溫液晶顯示問題的方法主要有以下幾種：提高液晶顯示器的驅動電壓[4]，運用低溫加固技術、外置加熱技術以及利用內置氧化銦錫(ITO)導電膜進行加熱[5-6]。但上述幾種方法每種都有其局限性，不能有效解決低溫下液晶顯示器的顯示問題。所以，研究低溫下液晶材料特性，對比分析其變化規律，改善低溫液晶性質是解決低溫液晶顯示問題的最主要手段。液晶材料介電各向異性和彈性常數等參數影響電場作用下液晶分子的取向[7-9]，導致液晶器件顯示性能的變化。因此，本文在液晶材料自身及外界影響因素確定的條件下，深入探究了液晶介電各向異性及彈性常數隨溫度變化的規律。

由于液晶盒的獨特結構，可以將液晶盒看作一個電容器，上下基板取向層以及中間夾著的液晶層電容串聯在一起構成了液晶盒的電容，此即液晶盒電容模型[10-12]，由該模型可以計算得到液晶層的電容。利用上述模型，并結合雙盒模型[13]，得到正性及負性液晶材料在-10～55 ℃范圍內閾值電壓、介電各向異性以及彈性常數的變化。通過實驗發現，液晶材料的介電各向異性隨溫度的變化呈線性關系，且隨著溫度升高，正性液晶的介電各向異性不斷減小，而負性液晶的介電各向異性不斷增大。同時，正、負性液晶的彈性常數k11與k33隨著溫度的升高而降低。

2 制冷裝置

2.1 制冷裝置主要部件

如圖1所示，制冷裝置分別由測量系統、控制系統、制冷系統和散熱系統4部分組成[14]。測量系統主要由測量腔室和吊架組成。測量腔室由鋁合金制成，具有高熱傳遞效能，有效保證熱傳遞，同時具有易加工，不易銹蝕等優點，其外壁包裹有絕熱層，從而減少了熱傳遞。吊架位于測量腔室內部，與測量腔室上蓋連接，用于懸吊待測液晶盒。吊架為聚乳酸或 ABS 塑料經 3D打印方式制造而成，可以在盡可能緊湊合理的空間實現吊架的功能。緊湊的空間可以在相同制冷功率情況下更快達到目標溫度，使制冷裝置的制冷效率更高。

控制系統主要包括溫度控制器和溫度傳感器。溫度控制器基于預置溫度算法和接收到的至少兩個溫度取值確定測量腔室的溫度，從而保證了測量溫度的精確度。同時人工可調溫度，方便測量確定溫度下的液晶的特性?？販鼐瓤蛇_±0.1 ℃，無超調、欠調，有利于測量時液晶盒電容保持穩定，使測量結果誤差更小。溫度傳感器采用具有高靈敏特性的鉑電阻，具有偏差極小、性能穩定的優點。溫度傳感器主要負責檢測測量腔室內部的溫度并傳給溫度控制器。二者相互配合，使控制工作進行得更加有序高效。

制冷系統主要部件為半導體制冷片，是一種呈片狀結構的雙層制冷片，冷端和熱端均設置有導熱硅脂層，主要作用是對測量腔室進行降溫。該系統制冷時不需添加其他輔助制冷材料，不產生任何污染源，產生噪音小、使用壽命長，通過控制輸入電流可精準控制腔室內部溫度。

散熱系統主要由散熱器構成。熱量通過散熱器排出，使半導體制冷片安全、高效工作。

圖1 制冷裝置實物圖Fig.1 Physical diagram of refrigeration equipment

2.2 半導體制冷片工作原理

半導體制冷片是利用 Peltier 效應[15-16]工作的元件，如圖2所示。該元件由N型和P型半導體材料構成，N型半導體存在負性溫差電勢，P型半導體存在正性溫差電勢。兩種半導體上端相連為冷端，發生吸熱反應，電子流動方向為P型半導體指向N型半導體；下接頭為熱端，發生放熱反應，電子流動方向相反，從N型半導體指向P型半導體。利用熱交換器等熱傳導方法可以排出熱量，而不會使熱端內部溫度過高。然后將冷端放入工作環境中，通過冷端不斷地吸收熱量對腔室進行降溫。

圖2 半導體制冷片工作原理Fig.2 Working principle diagram of semiconductor chilling plate

3 實 驗

3.1 實驗材料

河北冀雅電子有限公司提供本實驗所用到的正性液晶1M0951000-000、LXD11100-000，負性液晶1MA15459-000、JYS93700-020-035以及平行盒(PAN)、垂直盒(VAN)。液晶空盒的厚度由紫外可見分光光度計(METASH UV-9000S)進行測定，經過測量，PAN盒厚度為3.959 μm，VAN盒厚度為4.019 μm。PAN盒與VAN盒取向層(PI層)的相對介電常數均為3.1，并且由表面輪廓儀(Contor GK-T)測得PI層的厚度，其中PAN盒PI層厚度為53.8 nm，VAN盒PI層厚度為22.3 nm。

3.2 閾值電壓-溫度曲線

液晶材料閾值電壓Uth的數值通過液晶層的電容-電壓(C-U)特性曲線確定。C-U特性曲線的測量由精密熱臺(LTS 350)和如圖1所示的熱電制冷裝置分別控制液晶盒溫度為55,45, 35, 25, 0,-5, -10 ℃，使用精密LCR表(Agilent E4980A)實現。

測量前先對精密LCR表進行斷路校準，然后進行短路校準。校準完成后利用夾持裝置夾住液晶盒并與精密LCR表連在一起，為了避免外加電壓頻率的改變對液晶材料的電學特性產生影響，實驗測量過程中保持外加1 kHz電壓頻率不變，對液晶盒施加0 ～20 V的電壓，測量得到液晶盒的C-U特性曲線[17]，結果如圖3所示。

利用液晶盒電容模型可以求得液晶層的C-U特性曲線，對所得曲線進行歸一化處理后，找到斜率最大點，通過該點的直線與橫軸交點對應的電壓值即為該溫度下液晶材料Uth的數值。改變溫度，重復上述操作，可以得到液晶材料閾值電壓的溫度依賴特性，如圖4所示。

由圖4分析可知：

(1)不同液晶材料的閾值電壓隨溫度變化的范圍并不相同，并且隨著溫度的升高，正、負性液晶的閾值電壓均呈現下降趨勢。

圖3 不同液晶材料液晶盒C-U 特性曲線。(a) 1M0951000-000； (b) LXD11100-000； (c) 1MA15459-000； (d) JY593700-020-035。

圖4 Uth-T 曲線。 (a) 正性液晶； (b) 負性液晶。Fig.4 Uth-T curves of liquid crystal with (a) positive and (b) negative dielectric anisotropy

(2)對于正、負性液晶材料，低溫下閾值電壓降低的速度要大于常溫下閾值電壓降低的速度。

閾值電壓作為液晶能夠被驅動的最低電壓，在顯示中起到十分重要的作用。隨著溫度的變化，液晶材料的閾值電壓會發生變化，這也使得驅動電壓發生改變，導致液晶顯示的功耗增大，對液晶顯示器的顯示產生一定的影響。

3.3 介電各向異性-溫度曲線

液晶材料在不同溫度下的介電各向異性由前述測得的液晶層電容值得到。根據得到的液晶層不同溫度下的PAN盒與VAN盒電容-電壓(C-U)特性曲線，綜合運用雙盒模型計算得到液晶材料的平行介電常數ε//、垂直介電常數ε⊥和介電各向異性Δε。

為了確保盒內液晶分子均勻排列，需要對PAN和VAN盒玻璃基板表面聚酰亞胺(PI)取向層進行摩擦處理，使得其預傾角分別為1°和89°?？紤]到預傾角對測量電容的影響，ε//和ε⊥可根據公式(1)和(2)聯立計算給出[18]，其中ε0為真空介電常數、S為電極面積、CPAN和CVAN分別是PAN盒和VAN盒中的液晶層電容，LPAN和LVAN分別是PAN盒和VAN盒中的液晶層厚度。

(1)

(2)

正性和負性液晶材料的ε//、ε⊥及Δε隨溫度的變化分別如圖5、圖6和圖7所示。

由圖分析可知：

(1)溫度在-10～55 ℃范圍內變化時，對于正性液晶，ε//與ε⊥整體變化趨勢相同，即隨著溫度升高ε//和ε⊥均減小，同時在低溫和常溫時減小的速率明顯不同。

(2)隨著溫度的升高，正性液晶介電各向異性均在減??；而對于負性液晶，隨著溫度升高，其介電各向異性的絕對值不斷減小。

(3)隨著溫度的升高，正性液晶介電各向異性皆為正值，而負性液晶介電各向異性為負值。并且在同一溫度變化范圍內，正性液晶介電各向異性變化為 10.0～21.0，而負性液晶的介電各向異性的絕對值變化為 3.0～8.5?？梢?，不同的液晶材料，其介電各向異性受溫度的影響程度不同。

圖5 ε// -T 曲線。 (a) 正性液晶； (b) 負性液晶。Fig.5 ε// -T curves of liquid crystal with (a) positive and (b) negative dielectric anisotropy

圖6 ε⊥-T 曲線。 (a) 正性液晶； (b) 負性液晶。Fig.6 ε⊥-T curves of liquid crystal with (a) positive and (b) negative dielectric anisotropy

圖7 Δε-T曲線。 (a) 正性液晶； (b) 負性液晶。Fig.7 Δε-T curves of liquid crystal with (a) positive and (b) negative dielectric anisotropy

3.4 彈性常數-溫度曲線

液晶材料受到外界電場作用時，其分子取向會發生改變，從而導致液晶可能發生展曲、扭曲或彎曲彈性形變。對于正性液晶，其展曲彈性常數k11可由公式(3)計算得到：

(3)

對于負性液晶材料，其彎曲彈性常數k33由公式(4)計算得到：

(4)

可以看出液晶材料的彈性常數與閾值電壓Uth和介電各向異性Δε相關，即隨著溫度的變化彈性常數也會產生變化，因此探究液晶彈性常數隨溫度的變化也十分有意義。

正性液晶的彎曲彈性常數k33數值由數值擬合方法得到，利用Visual Fortran軟件，通過不斷調整k33的輸入數值，得到不同的液晶層C-U理論模擬特性曲線，通過對比實驗測得的PAN盒的歸一化液晶層C-U特性曲線，最佳擬合時的k33即為實驗所求數值。而對于負性液晶的展曲彈性常數k11，利用Visual Fortran軟件，通過不斷調整k11的輸入數值，得到不同的液晶層C-U理論模擬特性曲線，通過對比實驗測得的VAN盒的歸一化液晶層C-U特性曲線，最佳擬合時的k11即為實驗所求數值。

將測得的液晶材料不同溫度的閾值電壓以及介電各向異性數值代入公式(3)和(4)，可以得到正性液晶展曲彈性常數-溫度特性(k11-T)曲線以及負性液晶k33-T曲線，再利用Visual Fortran軟件，通過不斷改變輸入數值進行擬合，從而得到正性液晶的k33以及負性液晶的k11，正負性液晶的彈性常數k11和k33的數值隨溫度的變化如圖8和圖9所示。

由圖分析可知：

(1)對于正、負性液晶的k11，在-10～55 ℃范圍內，均呈現下降趨勢，并且在同一溫度變化范圍內，正性液晶的變化范圍為7.0～17.0 pN，而負

圖8 k11-T 曲線。 (a) 正性液晶； (b) 負性液晶。Fig.8 k11-T curves of liquid crystal with (a) positive and (b) negative dielectric anisotropy

圖9 k33-T曲線。 (a) 正性液晶； (b) 負性液晶。

性液晶的變化范圍在11.0～21.0 pN，可見不同性質的液晶材料其k11的變化范圍會有一定的差距。

(2)對于4種液晶材料的k33，在-10～55 ℃范圍內，總體同樣呈下降趨勢。在同一溫度變化范圍內正性液晶k33的變化范圍在16.0～31.0 pN，負性液晶k33變化范圍在13.0～31.0 pN，可見同一種液晶的k11和k33隨溫度變化的范圍會有較大的差距。

隨著溫度的降低，液晶材料的彈性常數不斷上升，也使得外場作用下液晶分子受到的彈性形變引起的力矩增大，導致液晶分子在外場下更難被驅動，從而對顯示產生一定的影響。

4 結 論

本文通過實驗精確測量了正性和負性共4種液晶材料(1M0951000-000、LXD11100-000、1MA15459-000、JYS93700-020-035)的電學參數，探究了溫度變化對液晶介電各向異性和彈性常數的影響，實驗結果表明：隨著溫度的升高，正性液晶的Uth分別從1.06 V減小至1.01 V，0.91 V減小至0.85 V，介電各向異性Δε從10.0增大至21.0，且為正值，彈性常數k11從17.0 pN減小至7.0 pN，k33從31.0 pN減小至16.0 pN；而負性液晶的Uth隨溫度升高分別從2.40 V減小至2.15 V，2.05 V減小至1.90 V，Δε隨溫度的升高從-8.5增大至-3.0，且為負值，k11從21.0 pN減小至11.0 pN，k33從31.0 pN減小至13.0 pN。由此可見，溫度的變化導致液晶閾值電壓等電學參量發生變化，而這樣的變化會影響液晶顯示器的驅動電壓，最終會對顯示產生影響。因此本文給出的結論，對進一步提升液晶顯示器低溫顯示性能具有一定指導意義。