液晶材料電學(xué)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(zhǎng)勇， 葉文江*

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 天津 300401;2. 河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(shù)研究中心, 河北 石家莊 050071)

1 引 言

液晶因?yàn)槠渥陨愍?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于顯示和非顯示領(lǐng)域[1-3]。但是，液晶性質(zhì)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(huì)大幅降低；在低溫下，液晶甚至?xí)D(zhuǎn)變成為晶體。這也直接導(dǎo)致了利用液晶實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)電壓[4]，運(yùn)用低溫加固技術(shù)、外置加熱技術(shù)以及利用內(nèi)置氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電膜進(jìn)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(duì)比分析其變化規(guī)律，改善低溫液晶性質(zhì)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(shù)等參數(shù)影響電場(chǎng)作用下液晶分子的取向[7-9]，導(dǎo)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(shù)隨溫度變化的規(guī)律。

由于液晶盒的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，可以將液晶盒看作一個(gè)電容器，上下基板取向?qū)右约爸虚g夾著的液晶層電容串聯(lián)在一起構(gòu)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(jì)算得到液晶層的電容。利用上述模型，并結(jié)合雙盒模型[13]，得到正性及負(fù)性液晶材料在-10～55 ℃范圍內(nèi)閾值電壓、介電各向異性以及彈性常數(shù)的變化。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液晶材料的介電各向異性隨溫度的變化呈線性關(guān)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(fù)性液晶的介電各向異性不斷增大。同時(shí)，正、負(fù)性液晶的彈性常數(shù)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(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)4部分組成[14]。測(cè)量系統(tǒng)主要由測(cè)量腔室和吊架組成。測(cè)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(shí)具有易加工，不易銹蝕等優(yōu)點(diǎn)，其外壁包裹有絕熱層，從而減少了熱傳遞。吊架位于測(cè)量腔室內(nèi)部，與測(cè)量腔室上蓋連接，用于懸吊待測(cè)液晶盒。吊架為聚乳酸或 ABS 塑料經(jīng) 3D打印方式制造而成，可以在盡可能緊湊合理的空間實(shí)現(xiàn)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(dá)到目標(biāo)溫度，使制冷裝置的制冷效率更高。

控制系統(tǒng)主要包括溫度控制器和溫度傳感器。溫度控制器基于預(yù)置溫度算法和接收到的至少兩個(gè)溫度取值確定測(cè)量腔室的溫度，從而保證了測(cè)量溫度的精確度。同時(shí)人工可調(diào)溫度，方便測(cè)量確定溫度下的液晶的特性。控溫精度可達(dá)±0.1 ℃，無超調(diào)、欠調(diào)，有利于測(cè)量時(shí)液晶盒電容保持穩(wěn)定，使測(cè)量結(jié)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(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。溫度傳感器主要負(fù)責(zé)檢測(cè)測(cè)量腔室內(nèi)部的溫度并傳給溫度控制器。二者相互配合，使控制工作進(jìn)行得更加有序高效。

制冷系統(tǒng)主要部件為半導(dǎo)體制冷片，是一種呈片狀結(jié)構(gòu)的雙層制冷片，冷端和熱端均設(shè)置有導(dǎo)熱硅脂層，主要作用是對(duì)測(cè)量腔室進(jìn)行降溫。該系統(tǒng)制冷時(shí)不需添加其他輔助制冷材料，不產(chǎn)生任何污染源，產(chǎn)生噪音小、使用壽命長(zhǎng)，通過控制輸入電流可精準(zhǔn)控制腔室內(nèi)部溫度。

散熱系統(tǒng)主要由散熱器構(gòu)成。熱量通過散熱器排出，使半導(dǎo)體制冷片安全、高效工作。

圖1 制冷裝置實(shí)物圖Fig.1 Physical diagram of refrigeration equipment

2.2 半導(dǎo)體制冷片工作原理

半導(dǎo)體制冷片是利用 Peltier 效應(yīng)[15-16]工作的元件，如圖2所示。該元件由N型和P型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，N型半導(dǎo)體存在負(fù)性溫差電勢(shì)，P型半導(dǎo)體存在正性溫差電勢(shì)。兩種半導(dǎo)體上端相連為冷端，發(fā)生吸熱反應(yīng)，電子流動(dòng)方向?yàn)镻型半導(dǎo)體指向N型半導(dǎo)體；下接頭為熱端，發(fā)生放熱反應(yīng)，電子流動(dòng)方向相反，從N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體。利用熱交換器等熱傳導(dǎo)方法可以排出熱量，而不會(huì)使熱端內(nèi)部溫度過高。然后將冷端放入工作環(huán)境中，通過冷端不斷地吸收熱量對(duì)腔室進(jìn)行降溫。

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

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

河北冀雅電子有限公司提供本實(shí)驗(yàn)所用到的正性液晶1M0951000-000、LXD11100-000，負(fù)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(jì)(METASH UV-9000S)進(jìn)行測(cè)定，經(jīng)過測(cè)量，PAN盒厚度為3.959 μm，VAN盒厚度為4.019 μm。PAN盒與VAN盒取向?qū)?PI層)的相對(duì)介電常數(shù)均為3.1，并且由表面輪廓儀(Contor GK-T)測(cè)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(shù)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(cè)量由精密熱臺(tái)(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(shí)現(xiàn)。

測(cè)量前先對(duì)精密LCR表進(jìn)行斷路校準(zhǔn)，然后進(jìn)行短路校準(zhǔn)。校準(zhǔn)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(duì)液晶材料的電學(xué)特性產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中保持外加1 kHz電壓頻率不變，對(duì)液晶盒施加0 ～20 V的電壓，測(cè)量得到液晶盒的C-U特性曲線[17]，結(jié)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(duì)所得曲線進(jìn)行歸一化處理后，找到斜率最大點(diǎn)，通過該點(diǎn)的直線與橫軸交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值即為該溫度下液晶材料Uth的數(shù)值。改變溫度，重復(fù)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(fù)性液晶的閾值電壓均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

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(fù)性液晶。Fig.4 Uth-T curves of liquid crystal with (a) positive and (b) negative dielectric anisotropy

(2)對(duì)于正、負(fù)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(qū)動(dòng)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(huì)發(fā)生變化，這也使得驅(qū)動(dòng)電壓發(fā)生改變，導(dǎo)致液晶顯示的功耗增大，對(duì)液晶顯示器的顯示產(chǎn)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(cè)得的液晶層電容值得到。根據(jù)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(yùn)用雙盒模型計(jì)算得到液晶材料的平行介電常數(shù)ε//、垂直介電常數(shù)ε⊥和介電各向異性Δε。

為了確保盒內(nèi)液晶分子均勻排列，需要對(duì)PAN和VAN盒玻璃基板表面聚酰亞胺(PI)取向?qū)舆M(jìn)行摩擦處理，使得其預(yù)傾角分別為1°和89°。考慮到預(yù)傾角對(duì)測(cè)量電容的影響，ε//和ε⊥可根據(jù)公式(1)和(2)聯(lián)立計(jì)算給出[18]，其中ε0為真空介電常數(shù)、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(fù)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(nèi)變化時(shí)，對(duì)于正性液晶，ε//與ε⊥整體變化趨勢(shì)相同，即隨著溫度升高ε//和ε⊥均減小，同時(shí)在低溫和常溫時(shí)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小；而對(duì)于負(fù)性液晶，隨著溫度升高，其介電各向異性的絕對(duì)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(fù)性液晶介電各向異性為負(fù)值。并且在同一溫度變化范圍內(nèi)，正性液晶介電各向異性變化為 10.0～21.0，而負(fù)性液晶的介電各向異性的絕對(duì)值變化為 3.0～8.5。可見，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(fù)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(fù)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(fù)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(shù)-溫度曲線

液晶材料受到外界電場(chǎng)作用時(shí)，其分子取向會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致液晶可能發(fā)生展曲、扭曲或彎曲彈性形變。對(duì)于正性液晶，其展曲彈性常數(shù)k11可由公式(3)計(jì)算得到：

(3)

對(duì)于負(fù)性液晶材料，其彎曲彈性常數(shù)k33由公式(4)計(jì)算得到：

(4)

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

正性液晶的彎曲彈性常數(shù)k33數(shù)值由數(shù)值擬合方法得到，利用Visual Fortran軟件，通過不斷調(diào)整k33的輸入數(shù)值，得到不同的液晶層C-U理論模擬特性曲線，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的PAN盒的歸一化液晶層C-U特性曲線，最佳擬合時(shí)的k33即為實(shí)驗(yàn)所求數(shù)值。而對(duì)于負(fù)性液晶的展曲彈性常數(shù)k11，利用Visual Fortran軟件，通過不斷調(diào)整k11的輸入數(shù)值，得到不同的液晶層C-U理論模擬特性曲線，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的VAN盒的歸一化液晶層C-U特性曲線，最佳擬合時(shí)的k11即為實(shí)驗(yàn)所求數(shù)值。

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

由圖分析可知：

(1)對(duì)于正、負(fù)性液晶的k11，在-10～55 ℃范圍內(nèi)，均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且在同一溫度變化范圍內(nèi)，正性液晶的變化范圍為7.0～17.0 pN，而負(fù)

圖8 k11-T 曲線。 (a) 正性液晶； (b) 負(fù)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(fù)性液晶。

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

(2)對(duì)于4種液晶材料的k33，在-10～55 ℃范圍內(nèi)，總體同樣呈下降趨勢(shì)。在同一溫度變化范圍內(nèi)正性液晶k33的變化范圍在16.0～31.0 pN，負(fù)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(huì)有較大的差距。

隨著溫度的降低，液晶材料的彈性常數(shù)不斷上升，也使得外場(chǎng)作用下液晶分子受到的彈性形變引起的力矩增大，導(dǎo)致液晶分子在外場(chǎng)下更難被驅(qū)動(dòng)，從而對(duì)顯示產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量了正性和負(fù)性共4種液晶材料(1M0951000-000、LXD11100-000、1MA15459-000、JYS93700-020-035)的電學(xué)參數(shù)，探究了溫度變化對(duì)液晶介電各向異性和彈性常數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)k11從17.0 pN減小至7.0 pN，k33從31.0 pN減小至16.0 pN；而負(fù)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(fù)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(dǎo)致液晶閾值電壓等電學(xué)參量發(fā)生變化，而這樣的變化會(huì)影響液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓，最終會(huì)對(duì)顯示產(chǎn)生影響。因此本文給出的結(jié)論，對(duì)進(jìn)一步提升液晶顯示器低溫顯示性能具有一定指導(dǎo)意義。