液晶材料电学特性随温度变化研究

吴 楠， 黄一洋， 张 娇， 范亚凝， 房朴洋， 孔祥明蔡明雷， 赵桐州， 杨长勇， 叶文江*

(1. 河北工业大学 理学院, 天津 300401;2. 河北工业大学 材料科学与工程学院, 天津 300401;3. 河北冀雅电子有限公司, 河北 石家庄 050071;4. 河北省平板显示器工程技术研究中心, 河北 石家庄 050071)

1 引 言

液晶因为其自身独特的优点，近年来已经广泛应用于显示和非显示领域[1-3]。但是，液晶性质极其容易受到温度的影响。在高温下，液晶分子取向有序度会大幅降低；在低温下，液晶甚至会转变成为晶体。这也直接导致了利用液晶实现显示的器件在低温下不能正常工作。目前用于解决低温液晶显示问题的方法主要有以下几种：提高液晶显示器的驱动电压[4]，运用低温加固技术、外置加热技术以及利用内置氧化铟锡(ITO)导电膜进行加热[5-6]。但上述几种方法每种都有其局限性，不能有效解决低温下液晶显示器的显示问题。所以，研究低温下液晶材料特性，对比分析其变化规律，改善低温液晶性质是解决低温液晶显示问题的最主要手段。液晶材料介电各向异性和弹性常数等参数影响电场作用下液晶分子的取向[7-9]，导致液晶器件显示性能的变化。因此，本文在液晶材料自身及外界影响因素确定的条件下，深入探究了液晶介电各向异性及弹性常数随温度变化的规律。

由于液晶盒的独特结构，可以将液晶盒看作一个电容器，上下基板取向层以及中间夹着的液晶层电容串联在一起构成了液晶盒的电容，此即液晶盒电容模型[10-12]，由该模型可以计算得到液晶层的电容。利用上述模型，并结合双盒模型[13]，得到正性及负性液晶材料在-10～55 ℃范围内阈值电压、介电各向异性以及弹性常数的变化。通过实验发现，液晶材料的介电各向异性随温度的变化呈线性关系，且随着温度升高，正性液晶的介电各向异性不断减小，而负性液晶的介电各向异性不断增大。同时，正、负性液晶的弹性常数k11与k33随着温度的升高而降低。

2 制冷装置

2.1 制冷装置主要部件

如图1所示，制冷装置分别由测量系统、控制系统、制冷系统和散热系统4部分组成[14]。测量系统主要由测量腔室和吊架组成。测量腔室由铝合金制成，具有高热传递效能，有效保证热传递，同时具有易加工，不易锈蚀等优点，其外壁包裹有绝热层，从而减少了热传递。吊架位于测量腔室内部，与测量腔室上盖连接，用于悬吊待测液晶盒。吊架为聚乳酸或 ABS 塑料经 3D打印方式制造而成，可以在尽可能紧凑合理的空间实现吊架的功能。紧凑的空间可以在相同制冷功率情况下更快达到目标温度，使制冷装置的制冷效率更高。

控制系统主要包括温度控制器和温度传感器。温度控制器基于预置温度算法和接收到的至少两个温度取值确定测量腔室的温度，从而保证了测量温度的精确度。同时人工可调温度，方便测量确定温度下的液晶的特性。控温精度可达±0.1 ℃，无超调、欠调，有利于测量时液晶盒电容保持稳定，使测量结果误差更小。温度传感器采用具有高灵敏特性的铂电阻，具有偏差极小、性能稳定的优点。温度传感器主要负责检测测量腔室内部的温度并传给温度控制器。二者相互配合，使控制工作进行得更加有序高效。

制冷系统主要部件为半导体制冷片，是一种呈片状结构的双层制冷片，冷端和热端均设置有导热硅脂层，主要作用是对测量腔室进行降温。该系统制冷时不需添加其他辅助制冷材料，不产生任何污染源，产生噪音小、使用寿命长，通过控制输入电流可精准控制腔室内部温度。

散热系统主要由散热器构成。热量通过散热器排出，使半导体制冷片安全、高效工作。

图1 制冷装置实物图Fig.1 Physical diagram of refrigeration equipment

2.2 半导体制冷片工作原理

半导体制冷片是利用 Peltier 效应[15-16]工作的元件，如图2所示。该元件由N型和P型半导体材料构成，N型半导体存在负性温差电势，P型半导体存在正性温差电势。两种半导体上端相连为冷端，发生吸热反应，电子流动方向为P型半导体指向N型半导体；下接头为热端，发生放热反应，电子流动方向相反，从N型半导体指向P型半导体。利用热交换器等热传导方法可以排出热量，而不会使热端内部温度过高。然后将冷端放入工作环境中，通过冷端不断地吸收热量对腔室进行降温。

图2 半导体制冷片工作原理Fig.2 Working principle diagram of semiconductor chilling plate

3 实 验

3.1 实验材料

河北冀雅电子有限公司提供本实验所用到的正性液晶1M0951000-000、LXD11100-000，负性液晶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见分光光度计(METASH UV-9000S)进行测定，经过测量，PAN盒厚度为3.959 μm，VAN盒厚度为4.019 μm。PAN盒与VAN盒取向层(PI层)的相对介电常数均为3.1，并且由表面轮廓仪(Contor GK-T)测得PI层的厚度，其中PAN盒PI层厚度为53.8 nm，VAN盒PI层厚度为22.3 nm。

3.2 阈值电压-温度曲线

液晶材料阈值电压Uth的数值通过液晶层的电容-电压(C-U)特性曲线确定。C-U特性曲线的测量由精密热台(LTS 350)和如图1所示的热电制冷装置分别控制液晶盒温度为55,45, 35, 25, 0,-5, -10 ℃，使用精密LCR表(Agilent E4980A)实现。

测量前先对精密LCR表进行断路校准，然后进行短路校准。校准完成后利用夹持装置夹住液晶盒并与精密LCR表连在一起，为了避免外加电压频率的改变对液晶材料的电学特性产生影响，实验测量过程中保持外加1 kHz电压频率不变，对液晶盒施加0 ～20 V的电压，测量得到液晶盒的C-U特性曲线[17]，结果如图3所示。

利用液晶盒电容模型可以求得液晶层的C-U特性曲线，对所得曲线进行归一化处理后，找到斜率最大点，通过该点的直线与横轴交点对应的电压值即为该温度下液晶材料Uth的数值。改变温度，重复上述操作，可以得到液晶材料阈值电压的温度依赖特性，如图4所示。

由图4分析可知：

(1)不同液晶材料的阈值电压随温度变化的范围并不相同，并且随着温度的升高，正、负性液晶的阈值电压均呈现下降趋势。

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

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

(2)对于正、负性液晶材料，低温下阈值电压降低的速度要大于常温下阈值电压降低的速度。

阈值电压作为液晶能够被驱动的最低电压，在显示中起到十分重要的作用。随着温度的变化，液晶材料的阈值电压会发生变化，这也使得驱动电压发生改变，导致液晶显示的功耗增大，对液晶显示器的显示产生一定的影响。

3.3 介电各向异性-温度曲线

液晶材料在不同温度下的介电各向异性由前述测得的液晶层电容值得到。根据得到的液晶层不同温度下的PAN盒与VAN盒电容-电压(C-U)特性曲线，综合运用双盒模型计算得到液晶材料的平行介电常数ε//、垂直介电常数ε⊥和介电各向异性Δε。

为了确保盒内液晶分子均匀排列，需要对PAN和VAN盒玻璃基板表面聚酰亚胺(PI)取向层进行摩擦处理，使得其预倾角分别为1°和89°。考虑到预倾角对测量电容的影响，ε//和ε⊥可根据公式(1)和(2)联立计算给出[18]，其中ε0为真空介电常数、S为电极面积、CPAN和CVAN分别是PAN盒和VAN盒中的液晶层电容，LPAN和LVAN分别是PAN盒和VAN盒中的液晶层厚度。

(1)

(2)

正性和负性液晶材料的ε//、ε⊥及Δε随温度的变化分别如图5、图6和图7所示。

由图分析可知：

(1)温度在-10～55 ℃范围内变化时，对于正性液晶，ε//与ε⊥整体变化趋势相同，即随着温度升高ε//和ε⊥均减小，同时在低温和常温时减小的速率明显不同。

(2)随着温度的升高，正性液晶介电各向异性均在减小；而对于负性液晶，随着温度升高，其介电各向异性的绝对值不断减小。

(3)随着温度的升高，正性液晶介电各向异性皆为正值，而负性液晶介电各向异性为负值。并且在同一温度变化范围内，正性液晶介电各向异性变化为 10.0～21.0，而负性液晶的介电各向异性的绝对值变化为 3.0～8.5。可见，不同的液晶材料，其介电各向异性受温度的影响程度不同。

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

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

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

3.4 弹性常数-温度曲线

液晶材料受到外界电场作用时，其分子取向会发生改变，从而导致液晶可能发生展曲、扭曲或弯曲弹性形变。对于正性液晶，其展曲弹性常数k11可由公式(3)计算得到：

(3)

对于负性液晶材料，其弯曲弹性常数k33由公式(4)计算得到：

(4)

可以看出液晶材料的弹性常数与阈值电压Uth和介电各向异性Δε相关，即随着温度的变化弹性常数也会产生变化，因此探究液晶弹性常数随温度的变化也十分有意义。

正性液晶的弯曲弹性常数k33数值由数值拟合方法得到，利用Visual Fortran软件，通过不断调整k33的输入数值，得到不同的液晶层C-U理论模拟特性曲线，通过对比实验测得的PAN盒的归一化液晶层C-U特性曲线，最佳拟合时的k33即为实验所求数值。而对于负性液晶的展曲弹性常数k11，利用Visual Fortran软件，通过不断调整k11的输入数值，得到不同的液晶层C-U理论模拟特性曲线，通过对比实验测得的VAN盒的归一化液晶层C-U特性曲线，最佳拟合时的k11即为实验所求数值。

将测得的液晶材料不同温度的阈值电压以及介电各向异性数值代入公式(3)和(4)，可以得到正性液晶展曲弹性常数-温度特性(k11-T)曲线以及负性液晶k33-T曲线，再利用Visual Fortran软件，通过不断改变输入数值进行拟合，从而得到正性液晶的k33以及负性液晶的k11，正负性液晶的弹性常数k11和k33的数值随温度的变化如图8和图9所示。

由图分析可知：

(1)对于正、负性液晶的k11，在-10～55 ℃范围内，均呈现下降趋势，并且在同一温度变化范围内，正性液晶的变化范围为7.0～17.0 pN，而负

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

图9 k33-T曲线。 (a) 正性液晶； (b) 负性液晶。

性液晶的变化范围在11.0～21.0 pN，可见不同性质的液晶材料其k11的变化范围会有一定的差距。

(2)对于4种液晶材料的k33，在-10～55 ℃范围内，总体同样呈下降趋势。在同一温度变化范围内正性液晶k33的变化范围在16.0～31.0 pN，负性液晶k33变化范围在13.0～31.0 pN，可见同一种液晶的k11和k33随温度变化的范围会有较大的差距。

随着温度的降低，液晶材料的弹性常数不断上升，也使得外场作用下液晶分子受到的弹性形变引起的力矩增大，导致液晶分子在外场下更难被驱动，从而对显示产生一定的影响。

4 结 论

本文通过实验精确测量了正性和负性共4种液晶材料(1M0951000-000、LXD11100-000、1MA15459-000、JYS93700-020-035)的电学参数，探究了温度变化对液晶介电各向异性和弹性常数的影响，实验结果表明：随着温度的升高，正性液晶的Uth分别从1.06 V减小至1.01 V，0.91 V减小至0.85 V，介电各向异性Δε从10.0增大至21.0，且为正值，弹性常数k11从17.0 pN减小至7.0 pN，k33从31.0 pN减小至16.0 pN；而负性液晶的Uth随温度升高分别从2.40 V减小至2.15 V，2.05 V减小至1.90 V，Δε随温度的升高从-8.5增大至-3.0，且为负值，k11从21.0 pN减小至11.0 pN，k33从31.0 pN减小至13.0 pN。由此可见，温度的变化导致液晶阈值电压等电学参量发生变化，而这样的变化会影响液晶显示器的驱动电压，最终会对显示产生影响。因此本文给出的结论，对进一步提升液晶显示器低温显示性能具有一定指导意义。