實(shí)現(xiàn)液晶顯示器低溫顯示的方法

1 引言

液晶顯示器具有功耗低、清晰度高、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、光學(xué)特性好等特點(diǎn)，是理想的顯示器件，廣泛應(yīng)用在各種儀器儀表上。

液晶顯示是一種被動(dòng)的顯示，它本身不能發(fā)光，只能依靠周圍環(huán)境的光來(lái)顯示。它只需很小的能量就能顯示圖案或字符。正因?yàn)榈凸暮托⌒突?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(tài)和固體雙重性質(zhì)的有機(jī)物，它的棒狀結(jié)構(gòu)在液晶盒內(nèi)一般平行排列，但在電場(chǎng)作用下能改變其排列方向。

對(duì)于正性TN-LCD，當(dāng)未加電壓到電極時(shí)，LCD處于"OFF"態(tài)，光能透過(guò)LCD呈白態(tài)；當(dāng)在電極上加上電壓時(shí)LCD處于"ON"態(tài)，液晶分子長(zhǎng)軸方向沿電場(chǎng)方向排列，光不能透過(guò)LCD，呈黑態(tài)。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(lái)制作具有低電壓、低功耗、長(zhǎng)壽名等特點(diǎn)的液晶顯示器，在各種工作模式中是應(yīng)用最廣泛的一種模式。

液晶顯示器是一個(gè)由上下兩片導(dǎo)電玻璃制成的液晶盒，盒內(nèi)充有液晶，四周用密封材料-膠框（一般為環(huán)氧樹(shù)脂）密封，盒的兩個(gè)外側(cè)貼有偏光片。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔，即通常所說(shuō)的盒厚，一般為幾個(gè)微米（人的準(zhǔn)確性直徑為幾十微米）。上下玻璃片內(nèi)側(cè)，對(duì)應(yīng)顯示圖形的部分，鍍有透明的氧化甸-氧化錫（簡(jiǎn)稱ITO）導(dǎo)電薄膜，即顯示電極。電極的作用主要是使外部電信號(hào)通過(guò)其加到液晶上去。

液晶盒中玻璃片內(nèi)側(cè)的整個(gè)顯示區(qū)覆蓋著一層定向?qū)?。定向?qū)拥淖饔檬鞘挂壕Х肿影刺囟ǖ姆较蚺帕?，這個(gè)定向?qū)油ǔＪ且槐痈叻肿佑袡C(jī)物，并經(jīng)摩擦處理，也可以通過(guò)在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來(lái)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(zhǎng)棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿一個(gè)固定方向排列，分子長(zhǎng)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(nèi)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(lái)。

評(píng)價(jià)液晶顯示器的指標(biāo)主要有閾值電壓、對(duì)比度與視角等，其中最重要的是響應(yīng)特性。液晶顯示是基于液晶分子狀態(tài)的改變，因而是一種分子過(guò)程，其響應(yīng)速度自然比原子過(guò)程或電子過(guò)程慢的多。但是無(wú)論是上升過(guò)程還是下降過(guò)程，都是一個(gè)由動(dòng)力克服阻力而使液晶分子狀態(tài)發(fā)生改變的過(guò)程。因此，不論何種液晶電光效應(yīng)制成的器件，其響應(yīng)時(shí)間T如下式表示：

圖1 響應(yīng)時(shí)間和溫度關(guān)系圖
 

其中 是液晶顯示器的上升時(shí)間； 為液晶顯示器的下降時(shí)間； 是液晶顯示材料的各向異性粘滯系數(shù)； 是液晶材料的三種形變彈性常數(shù)； 是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(qū)動(dòng)電壓。E=V/d為電場(chǎng)強(qiáng)度；q稱為波數(shù)，在向列形液晶顯示器的場(chǎng)合q＝π/d； 為真空介電常數(shù)；式中 受溫度影響較小，而 于1/T成指數(shù)關(guān)系，所以受溫度影響相當(dāng)大，K雖隨溫度變化較大，隨溫度T的升高K的數(shù)值迅速減少，但近似與有序參數(shù)S的平方成正比，當(dāng)液晶溫度由晶體到向列相轉(zhuǎn)變溫度 升高到向列相到各向同性相變溫度 以下時(shí)S由約0.8降到0.3?？梢?jiàn)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(rèn)為 與1/T成指數(shù)關(guān)系。圖1顯示液晶盒的響應(yīng)時(shí)間與溫度的關(guān)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(dá)到最大變化量的10%時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的有效值，隨著溫度的降低，閾值電壓會(huì)升高。當(dāng)溫度降至低于0℃時(shí)，液晶材料將變得粘滯，響應(yīng)速度變慢，動(dòng)態(tài)圖像出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象甚至不能顯示；如果溫度過(guò)低，液晶態(tài)就會(huì)消失，變成晶體。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，背光源的熒光燈管壽命會(huì)降低，而且低溫會(huì)降低背光源的亮度，根據(jù)試驗(yàn)顯示，背光源的亮度在50℃時(shí)是最高的，為使顯示器工作性能最佳，應(yīng)使其工作在一定的溫度范圍之內(nèi)。

2 常用的低溫顯示方法

2.1 提高液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓

       當(dāng)溫度下降時(shí)，液晶顯示器的閾值電壓會(huì)升高，提高液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓，可以實(shí)現(xiàn)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(diào)輸出電壓，根據(jù)外界環(huán)境的溫度改變液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓以使顯示器實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)電壓不可能無(wú)限止的提高，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓提高到一定程度后，顯示器的對(duì)比度會(huì)明顯下降，甚至黑屏而導(dǎo)致顯示器無(wú)法使用。

2.2 利用ITO導(dǎo)電膜進(jìn)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(duì)LCD基板進(jìn)行加熱、這種方法加熱集中、時(shí)間短、加熱功率小。但需要對(duì)LCD顯示器件拆裝改造，操作工藝復(fù)雜?；蛘呃蔑@示窗口的屏蔽玻璃鍍ITO加熱膜，低溫條件下接通加熱膜電源通過(guò)熱輻射對(duì)顯示器件進(jìn)行加熱，這種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易行，加熱時(shí)間也比較短。

       液晶顯示器模塊內(nèi)部具有一定的復(fù)雜性，它是由多個(gè)基本部分組成的，是一種非常精密緊湊的結(jié)構(gòu)，其中LCD屏組件、背光源、驅(qū)動(dòng)及控制電路這三部分的集合稱為L(zhǎng)CD模塊組件。對(duì)LCD模塊組件來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部是由LCD顯示屏、透射式偏振器、柔性導(dǎo)電引出帶、背光源、高密度多路驅(qū)動(dòng)集成電路等精密部件組成，再次拆卸及組裝極易損壞這些精密部件及光電原件。目前，常用的對(duì)LCD進(jìn)行加熱的方法，是在一片厚度為0.5-0.3毫米的高強(qiáng)度特種玻璃基片上，用真空蒸發(fā)或者是磁控濺射的方法，生長(zhǎng)一種半導(dǎo)體薄膜－ITO膜，經(jīng)專門工藝處理后，該層膜就變得清澈透明并具有一定的導(dǎo)電性，利用其導(dǎo)電性，就可以做成LCD內(nèi)部加熱器。但是，若要在LCD內(nèi)部裝入這種厚度超過(guò)0.5mm的玻璃基板ITO加熱器，就必須解決許多結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜問(wèn)題，并且有可能破壞原有的光學(xué)通路，損失亮度及器件的密封性，甚至稍強(qiáng)一些的振動(dòng)和沖擊都會(huì)造成ITO玻璃加熱基片的破碎，所以，必須重新進(jìn)行模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新的零件制造才能裝入ITO膜加熱器。這是一項(xiàng)細(xì)致、復(fù)雜及工藝要求很高的工作，費(fèi)用高、成品率低，而且產(chǎn)品的可靠性也不高，所以，原有的這種LCD加熱技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中就受到很大限制。針對(duì)這一問(wèn)題，新型低溫加固型LCD顯示器在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破，他的顯著特點(diǎn)之一，是在可以不用打開(kāi)LCD模塊組件內(nèi)部并進(jìn)行加熱器安裝的前提下，就解決LCD顯示器的微功耗加熱問(wèn)題。加熱器、真空保溫屏和電磁屏蔽層三者為一體化結(jié)構(gòu)，可將這套裝置嵌裝在LCD顯示窗口前端，故可不影響原LCD顯示模塊內(nèi)部的光路系統(tǒng)，并能達(dá)到與內(nèi)置式加熱器相同的加熱效果，使整個(gè)低溫顯示器的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，組裝相對(duì)比較容易，而且不會(huì)破壞LCD模塊組件的原結(jié)構(gòu)及光學(xué)通路。

       此種方法可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的低溫顯示，但是工藝都比較復(fù)雜，需要對(duì)液晶顯示器進(jìn)行不同程度的拆裝，影響其可靠性，重要的是當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)液晶顯示器內(nèi)部溫度無(wú)法控制，需要根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整加熱膜的加熱功率。有可能造成顯示器內(nèi)部溫度過(guò)高而燒壞液晶顯示器，其使用范圍受到一定的限制。下面介紹一種外置加熱法實(shí)現(xiàn)液晶顯示器在低溫下的顯示。

3 外置加熱法

3.1 加熱原理

圖2 液晶顯示盒
 

       該系統(tǒng)由液晶顯示器、溫度傳感器及加熱電阻等組成，加熱器采用的是加熱電阻，固定在液晶顯示器背部的板上，整個(gè)系統(tǒng)密封在盒子內(nèi)，通過(guò)接口和外部控制電路相連。液晶顯示器采用的是字符點(diǎn)陣液晶顯示模塊MTC-C162，MTC-C162液晶顯示器是為我們研制的測(cè)角傳感器所新配備的，該傳感器的工作溫度范圍為-40℃～+55℃，因此要求顯示器也必須工作在這一溫度范圍內(nèi)。MTC-C162是寬溫型液晶顯示器，它具有尺寸小、顯示穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，唯一不足之處是工作溫度范圍不能滿足要求。

AD7416是裝在一個(gè)芯片中的完整的溫度監(jiān)視系統(tǒng)。它與其它數(shù)字溫度傳感器相比具有體積小、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它包括一個(gè)帶隙溫度傳感器和一個(gè)用來(lái)監(jiān)視并將溫度的高低數(shù)字化的10位AD傳感器，精度可達(dá)0.25℃，還有一個(gè)可編程的門限用來(lái)比較測(cè)量溫度的比較器。片內(nèi)寄存器可以用來(lái)設(shè)定高、低溫度門限，并提供一個(gè)漏極開(kāi)路的“超溫指示器”（OTI）輸出，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的門限時(shí)OTI輸出即有效。

3.2 溫度控制

       該系統(tǒng)的主控制器是單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)兩個(gè)溫度傳感器的值判斷環(huán)境溫度和液晶顯示盒內(nèi)的溫度，控制加熱器加熱，使液晶顯示器始終出在可工作的溫度范圍內(nèi)。試驗(yàn)證明，當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)，維持液晶顯示盒內(nèi)的溫度在20℃以上時(shí)，液晶顯示器可以正常工作。單片機(jī)首先根據(jù)溫度傳感器判斷環(huán)境溫度是否低于-10℃，如果環(huán)境溫度高于-10℃，則斷開(kāi)繼電器不加熱，如果環(huán)境溫度低于-10℃，則根據(jù)液晶顯示盒內(nèi)的溫度傳感器判斷液晶顯示盒的溫度，如果溫度在20～30℃以內(nèi)則維持原狀，超過(guò)30℃則斷開(kāi)繼電器停止加熱，低于20℃則閉合繼電器開(kāi)始加熱。用此方法當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)液晶顯示器始終能夠正常顯示。

4結(jié)論

使用外置加熱器實(shí)現(xiàn)液晶顯示器在低溫下的工作，與內(nèi)置加熱法和提高驅(qū)動(dòng)電壓方法相比，此方法簡(jiǎn)單易行，不用對(duì)液晶顯示器進(jìn)行拆卸，提高了顯示器的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示器在極低的溫度范圍內(nèi)工作。當(dāng)外界環(huán)境變換時(shí)可以自動(dòng)控制顯示盒內(nèi)的溫度，不需要人工控制，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。在-40℃的情況下，當(dāng)加熱器的加熱電壓為+20V時(shí)，只需加熱6～8分鐘液晶顯示器即可正常工作。如果采用+12V加熱，則加熱15分鐘后顯示器可以正常工作，加熱器的平均功率受外界環(huán)境溫度的影響，溫度越低，則平均加熱功能功率越大。此方法使用于小型的液晶顯示器在低溫惡劣環(huán)境下的使用，對(duì)于大型的液晶顯示器用此方法則不佳。液晶顯示器可以在-40℃～+55℃的溫度下正常顯示。