Патент на изобретение №2335004

(54) ПАССИВНО-МАТРИЧНЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ И СПОСОБ ЕГО УПРАВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к дисплейным технологиям. В пассивно-матричном жидкокристаллическом дисплее, состоящем из двух подложек с нанесенными на внутренние поверхности каждой из них последовательно прозрачным проводящим слоем, изолирующим слоем и ориентирующим слоем, по крайней мере, на одной из подложек электрод выполнен в виде первого проводящего слоя заданной конфигурации, толстопленочного изолирующего слоя на нем другой заданной конфигурации и второго проводящего слоя, по крайней мере, часть которого расположена на вершинах толстопленочного изолирующего слоя. В способе управления, заключающемся в последовательной подаче стробирующего сигнала амплитудой U_S1 на полосчатые электроды, на примыкающие к стробируемой полосе электроды, сформированные полосами второго проводящего слоя первой подложки, расположенные на пьедесталах, подают напряжение |U_D|, a на остальные электроды первой подложки, включая расположенные на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, подают напряжение U_S2=0. Технический результат – увеличение быстродействия. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил., 2 табл.

Изобретение относится к дисплейным технологиям и может быть применено к устройствам отображения информации в сотовых телефонах, МР-3 плейерах, электронных блокнотах, карманных и переносных компьютерах, играх, измерительной аппаратуре и т.д.

Жидкокристаллические дисплеи (ЖКД) широко используются в качестве различных устройств визуализации изображения. Наиболее часто ЖКД используют т.н. твист-эффект (или TN – ЖК-структура, закрученная на 90°) (например, M.Schadt, W. Helfrich, “Voltage Dependent Optical Activity of a Twisted Nematic Liquid Crystal”, Applied Phisics Letters, v.18 (4), p.127-128, 1971) и супертвист-эффект (или STN – ЖК-структура, закрученная на большие углы: 160°…270°) (например, T.J.Scheffer, J.Nehring, “A New Highly Multiplexable Liquid Crystal Display”, Applied Physics Letters, v.45 (10), p.1021-1023, Nov.15, 1984). Эти дисплеи не имеют состояния памяти: на них должно непрерывно подаваться напряжение, среднеквадратичное значение которого на включенном элементе должно быть выше некоего порогового напряжения, а на выключенном – ниже этого значения.

Такой принцип управления вызывает много проблем. Во-первых, требуется максимальная крутизна вольт-контрастной характеристики. Это обеспечивается за счет интерференции (угол закрутки ЖК-спирали 240°, гекоаксиальное расположение ЖК-слоя между поляроидами и т.д.). Реализация условий интерференции существенно снижает контраст и увеличивает времена отклика. Кроме того, накопление напряжения на элементах экрана приводит к росту среднеквадратичного напряжения на выключенных пикселях. В результате либо ограничивается число мультиплексируемых строк экрана, либо существенно ухудшается его контраст.

Можно уверенно констатировать, что классический STN исчерпал свои возможности по контрасту, быстродействию и уровню мультиплексирования. Различные методы оптимизации за счет компенсаторов или управления не позволяют достичь высокого уровня контраста или увеличить уровень мультиплексирования в реальных образцах.

В настоящее время оптимизация пассивно-матричных ЖК-технологий идет за счет использования эффектов памяти (бистабильности). В этом случае записанная информация сохраняется длительное время в отсутствие напряжения. Если нет ограничения по времени кадра, это позволяет отобразить любое число строк. При этом главным становится различие в амплитудах во время записи строки, а не среднеквадратичное (за несколько кадров) значение напряжения. Контраст и времена переключения также улучшаются, поскольку определяются амплитудным напряжением, а не крутизной ВКХ.

Для обеспечения бистабильности необходимо равновесие между упругостью жидкокристаллического слоя и поверхностной энергией сцепления. При определенных условиях одинаково стабильными будут структуры с закруткой 0° и 360° [D.W.Berreman, W.R.Heffiier, J. Appl. Phys., 52 (1981), 3032: D.W.Berreman, J. Opt. Soc. Amer., 63 (1973), 1374]; и +2 при некоторых фиксированных значениях [H.S.Kwok, J. Appl. Phys., 80 (1996), 3687; T.Z.Qian, Z.L.Xie, H.S.Kwok, P.Sheng, Appl. Phys. Lett., 71 (1997), 596; Z.L.Xie, H.S.Kwok, Jap. J. Appl. Phys., 37 (1998), 2572; Z.L.Xie, H.S.Kwok, Jap. J. Appl. Phys., 84 (1998), 77]. Этот класс бистабильных дисплеев называется 2-BTN [D.W.Berreman, W.R.Heffiier, J. Appl. Phys., 52 (1981), 3032: D.W.Berreman, J. Opt. Soc. Amer., 63 (1973), 1374]. Применение таких дисплеев ограничивает существование в очень узком диапазоне зазоров, шага спирали, температуры.

Известен также вариант -BTN, в котором бистабильными являются состояния с закруткой 0° и 180°, иначе называемые BiNem [I.Dozov, M.Nobili, G.Durand, Appl. Phys. Lett., 70 (1997), 1179]; и + при некоторых фиксированных значениях [H.S.Kwok, J. Appl. Phys., 80 (1996), 3687; T.Z.Qian, Z.L.Xie, H.S.Kwok, P. Sheng, Appl. Phys. Lett., 71 (1997), 596; Z.L.Xie, H.S.Kwok, Jap. J. Appl. Phys., 37 (1998), 2572; Z.L.Xie, H.S.Kwok, Jap. J. Appl. Phys., 84 (1998), 77]. Этот вариант технологически более сложен, но возможен.

Недостатком является сильная зависимость управляющих сигналов от толщины и шага спирали ЖК-слоя.

Существует также еще один класс бистабильных дисплеев, так называемые зенитальные бистабильные дисплеи, использующие асимметрично структурированную поверхность [G.P.Bryan-Brown, С.V.Brown, J.C.Jones, GB Patent 9521106.6 (Oct. 1995); J.C.Jones, US Patent Application 20050200785, 15 Sept. 2005 и т.д.]. В этом варианте бистабильными являются гомеотропная (или гибридная) и гомогенная конфигурации ЖК-молекул в слое. Это устройство еще более сложно технологически.

Недостатками являются большие времена переключения и жесткие требования к параметрам поверхностной структуры (периоду, высоте рельефа, его асимметричной форме) и величине энергии сцепления.

Общий недостаток бистабильных структур – большое время, необходимое для записи и стирания каждой строки. Длительность кадра становится слишком большой (0.18-2.5 сек) и препятствует отображению информации в реальном масштабе времени [С.Joubert, IMI Paper Like Display Conference Issue, April 2004]. Есть и технологические проблемы (большой угол преднаклона, сложный в изготовлении и нестабильный во времени), препятствующие широкому использованию этих структур.

Известно также техническое решение, улучшающее временные характеристики [Studentsov S.A., Brezhnev V.A. et al, Euro Display 2002, 437; Studentsov S.A. Brezhnev V.A. et al. Proceedings 12th International Symposium Advanced Display Technologies, August 2003, Russia, 179; патент Российской Федерации №2206914, опубл. 20.06.03]. В данном случае используются самокомпенсирующие свойства -структур под напряжением и некоторое время после его снятия, при условии коаксиальной ориентации ЖК-молекул и скрещенных поляроидов. Память в такой конструкции равняется длительности кадра и обеспечивается за счет задержки оптического отклика при прекращении подачи электрического сигнала. Видимое время релаксации уменьшается на время задержки – почти вдвое. Однако недостатком дисплея является малый уровень мультиплексирования (до 1/32).

Известны и другие технические решения для ускорения процесса релаксации в исходное состояние.

В патенте США №6522379 “Liquid Crystal Display Element with Zigzag Data or Scan Lines Adjacent Zigzag Edged Pixel Electrodes” (он же японский патент JP2002169160, он же европейский ЕР1091236), G02F 1/133; G02F 1/1337, опубл. 18 февраля 2003 г.) с этой целью предлагается формировать участки с отличающейся от остальной части экрана закруткой. Это могут быть затенения при натирании выступающих участков, или натирание по уже имеющейся микроструктуре, или объемные спейсеры. Однако в таком случае релаксация происходит спонтанно и зависит от случайных факторов (температуры, колебания зазора, плотности распределения дефектов и пр.). Аналогичный эффект получается под действием электрического поля, если электрод выполнен из трех частей: информационных, боковых и узкого зигзагообразного центрального. Прикладывая напряжение разной полярности к центральному и поочередно к боковым электродам, формируются области с различными направлениями ориентации перпендикулярно ломаной линии зигзагообразного разрыва между частями электрода. Эти участки иной закрутки являются центрами возврата из полученной под напряжением splay-структуры (так в данной области техники называют структуры с ориентацией молекул под небольшим углом относительно плоскости подложки, их деформация характеризуется как поперечный изгиб, или splay, по-английски) исходную bend-конфигурацию (так в данной области техники называют структуры с ориентацией молекул под небольшим углом относительно перпендикуляра к плоскости подложки, их деформация характеризуется, как продольный изгиб, или bend, по-английски), или наоборот. Такая конструкция позволяет сократить время релаксации практически на порядок, с 42 мс до 4-7 мс.

К недостаткам этой конструкции следует отнести значительное уменьшение световой апертуры при 3-полосной конструкции электрода.

Известно также устройство, предложенное в патенте США №6512569 “Liquid crystal display device and a method of manufacture thereof, and a substrate and a method of manufacture thereof (C09K 19/02), опубл. 28 января 2003 г. Согласно этому патенту, с целью уменьшения прилагаемых напряжений на электродах формируется splay-структура, а между ними – гибридная структура (с высоким углом преднаклона на одной поверхности и низким – на другой). В этом случае гибридная структура инициирует более быстрый переход в bend-конфигурацию. Однако изготовить дисплей со столь резким изменением углов преднаклона достаточно сложно.

Другой вариант описан в патенте США №6714276 “Liquid Crystal Display Device” (C09K 19/02). В центре каждого пикселя находится участок с углом закрутки, отличающимся от угла закрутки ЖК-спирали в остальной области. Это обеспечивается введением в состав ЖК-смеси хиральной добавки, при которой шаг спирали Р удовлетворяет соотношению 2d₂

1, где d₁ – межэлектродное расстояние в рабочей части пикселя, а d₂ – межэлектродное расстояние в нерабочей части пикселя. Зона d₂ действует как центр дисклинации и уменьшает величину напряжения, при котором происходит образование bend-конфигурации. После прекращения подачи напряжения обе структуры возвращаются в исходное состояние.

Недостатком описанного патента является необходимость закрытия этой зоны черной маской для сохранения контраста и, как следствие, уменьшение световой апертуры пикселя на величину зоны d₂.

В патенте Японии №2004037615 “Liquid Crystal Display Device” (G02F 1/139; G02F 1/1337) для создания центров формирования возврата в исходное состояние предлагается каждый элемент разбить на 4 домена, отличающихся направлениями закрутки. В этом случае 2 домена из 4-х будут являться центрами возникновения дисклинации обратного наклона. Такое решение дорого и распространения не получило.

В патенте Японии №2001033827 “Liquid Crystal Display Device” (G02F 1/133; G02F 1/137; G02F 1/1333) предлагается управлять возвратом из второго стабильного состояния в исходное с помощью осциллятора, расположенного в зоне контактов. Своими высокочастотными колебаниями (до 20 кГц) он заставляет молекулы возвращаться в исходное состояние. К недостаткам этого метода следует отнести в первую очередь высокую вероятность потери электрического контакта при таких воздействиях и проблему гашения колебаний на больших расстояниях при увеличенных размерах экрана или массе устройства, в котором монтируется ЖК-дисплей.

В патенте США №4577930 “Weak boundary storage liquid crystal display devices with bias voltage” (G02F 1/133) для ускорения возврата в исходную конфигурацию предложено использовать ориентационные материал со слабой энергией сцепления с ЖК-молекулами. Тогда, приложив определенное поле для переориентации, возврат в исходное состояние будет происходить при напряжениях меньшей амплитуды. Этот эффект, как и описанные выше, существенно зависит от внешних условий (температуры) и однородности зазора.

Более перспективен вариант, в котором переключение бистабильных структур производится за счет приложения электрических полей различной направленности: вертикальных и горизонтальных.

Такой принцип управления впервые был представлен работой [Boyd et al, J. Appl. Letters, 36 (1980), 556], в которой для эффекта гость-хозяин описано переключение из гомогенной структуры с нулевой закруткой (splay) в гомеотропную, перпендикулярную плоскости электродов (bend), за счет вертикального поля между электродами обоих пластин, а обратное переключение – за счет горизонтального поля между электродами одной пластины (splay-bend switching, SBS). Данный принцип позволяет производить запись и стирание изображения независимо, за счет чего уменьшаются времена переключения и длительность кадра. Однако этот дисплей характеризовался большой толщиной ЖК-слоя, поэтому напряжения были слишком велики для практического использования.

Есть и другое решение. Е.J.Acosta, M.J.Towlerand, H.G.Walton, [“The Role of Surface Tilt in the Operation of Pi-Cell Liquid Crystal Devices”, July 2000, Liquid Crystals, vol.27, p.977-984] и патент US 6600537 “Liquid Crystal Device” (он же европейский патент ЕР 1225473, он же японский JP 2002287170 и английский GB 2371372; Int. Cl. G02F 1/133) этих же авторов предлагают использовать близость энергетических уровней для исключения образования конфигураций с ненулевым углом закрутки (в том числе, -конфигураций). Согласно этому патенту существует достаточно широкая область углов преднаклона в диапазоне от 30 до 60°, когда более высоким напряжением формируется bend-конфигурация, а более низким или нулевым – splay-конфигурация. Кадр при этом управлении состоит из двух частей – стирающего нулевого напряжения и записывающего высокого напряжения. Скорость переключения составляет от 3,5 до 14 мс. Однако высокий угол преднаклона является серьезной технологической проблемой. Кроме того, стабильность этого угла невысока, т.е. со временем он уменьшается и эффект пропадает.

Патент США №6437844 “Liquid Crystal display device and associated fabrication method” (G02F 1/1337; G02F 1/1335) предлагает вариант этого решения: на электродах, формирующих пиксель, создаются высокие углы преднаклона, а вне пикселя – более низкие углы преднаклона. Эти области вне пикселей со splay-конфигурацией являются центрами роста ЖК-структур с исходной закруткой сразу после снятия напряжения. Поскольку площадь каждого пикселя, окруженного областями исходной конфигурации, невелика время релаксации значительно сокращается. Суммарное время переключения улучшено со стандартных 150 до 21-43 мс.

Одним из исполнений этого патента является вариант, в котором на краю каждого столбцового электрода создаются выступы высотой, сравнимой с толщиной ЖК-слоя. Ориентирующий слой, покрывающий эти выступы и обработанный со стороны пикселя по стандартной методике получения ориентации ЖК-молекул параллельно поверхности, формирует в центральной части слоя вертикальное расположение молекул. Это увеличивает угол преднаклона молекул вблизи поверхности электродов до необходимой для образования стабильной bend-конфигурации величины.

Недостатком этого варианта исполнения следует указать обработку с целью создания ориентации только одной стороны выступа. Сторона, обращенная к межпиксельному промежутку, будет создавать произвольную ориентацию молекул. Это приводит к неравномерной ориентации молекул на смежной с этим промежутком стороне соседнего пикселя и вызывает образование дефектов. Кроме того, стандартные методы ориентации натиранием в этом случае неприменимы, т.к. на большей части поверхности выступа и примыкающих к нему поверхностях ориентационные канавки будет отсутствовать из-за затенения, создавая хаотическую ориентацию молекул.

Кроме того, недостатком описанного устройства является неконтролируемый процесс релаксации из формируемой под напряжением bend-конфигурации в splay-конфигурацию при отключении напряжения. Это создает значительные проблемы, поскольку это время зависит от множества случайных факторов – температуры, колебания шага и зазора, чистоты поверхности, степени очистки жидкого кристалла и т.д.

Международная заявка (WO) №2005/040899 “Bistable Liquid Crystal Display” (G02F 1/133), а также публикации [Fion S.Y.Yeung, H.S.Kwok, Truly bistable twisted nematic liquid crystal display using photoalignment technology, Applied Physics Letters, vol.83, No.21, 24 November 2003, p.4291-4293; X.J.Yu, H.S.Kwok, Bistable bend-splay liquid crystal display, Applied Physics Letters, vol.85. No.17, 25 October 2004, p.3711-3713; X.J.Yu, H.S.Kwok, Bistable bend-splay LCD, SID’04 Digest, p.875-877] предлагают конструкцию дисплея с электрически управляемым bend-splay переключением. Указанный дисплей состоит из: первой подложки, на которую последовательно нанесены первый проводящий слой и первый ориентирующий слой; второй подложки, на которую последовательно нанесены второй проводящий слой и второй ориентирующий слой; и жидкокристаллического слоя, помещенного между первым и вторым ориентирующим слоями; которые ориентируют контактирующие с ними жидкокристаллические молекулы под углами 9 от 20° до 65°; указанный жидкокристаллический слой способен формировать в отсутствие напряжения стабильную splay- или стабильную bend-конфигурацию, а когда к нему приложено переключающее напряжение – переключаться между указанными стабильной splay- и стабильной bend-конфигурациями. Конкретный угол преднаклона выбирается из названного диапазона таким образом, чтобы энергии splay- и bend-конфигураций в отсутствие напряжения были приблизительно равны. Ширина электродов в описанном примере составляет 4 мкм, а расстояние между ними – 6 мкм.

В одном из вариантов исполнения переключение стабильной splay- в стабильную bend-конфигурацию производится подачей напряжения низкой частоты, а из стабильной bend- в стабильную splay-конфигурацию – напряжением высокой частоты, при котором знак диэлектрической анизотропии жидкокристаллического вещества изменится на отрицательный.

Этот способ управления является неприемлемым для матричных экранов из-за повышенных искажений формы сигнала высокой частоты по площади экрана, рассеяния мощности и т.д. Известно, например, что при двухчастотном управлении даже единичным ЖК-затвором оптимальный его размер не должен превышать 30×40 мм.

В другом варианте исполнения данной заявки электрод одной из подложек (столбцовый или строчный) выполнен в виде полос, каждая из которых представляет собой два электрода в виде вставленных друг в друга гребенок. Подача на обе гребенки одинакового напряжения относительно противоположного электрода (вертикальное поле) обеспечивает переключение из splay-конфигурации в bend-структуру. Создавая между гребенками напряжение выше порогового (горизонтальное поле), а между обеими гребенками и электродом противоположной подложки напряжение ниже порогового (для вертикального поля), обеспечивают обратное переключение из bend- в splay-конфигурацию. Данная конструкция и способ управления обеспечивают возможность создания пассивно-матричного экрана с высокой скоростью переключения и контрастом, не имеющего ограничения по числу мультиплексируемых строк. Фактически реализованы времена переключения от 50 микросекунд при напряжении 85 В до 10 мс при напряжении 10 В и контраст 40:1. Указано, что значение контраста может достигать 200:1.

Недостатком данной конструкции является необходимость высокого угла преднаклона молекул. С одной стороны, это достаточно сложно технологически. С другой – существует проблема обеспечения стабильности высокого угла преднаклона. Со временем, а также при эксплуатации или хранении при высокой температуре (особенно, если эти температуры превышают температуру перехода в изотропное состояние), этот угол падает. Следовательно, управляющие напряжения со временем возрастают. Более того, при уменьшении угла преднаклона до 25-30° возникает промежуточная твист-конфигурация и переключение из splay- в bend-, а затем снова в splay-конфигурацию становится невозможным.

Еще одна проблема связана с малыми расстояниями (4-6 мкм) между горизонтальными электродами. Это технологически сложно (стандартный размер межпиксельного интервала равен 20…30 мкм). Кроме того, реализация описанных предложений на практике приведет к уменьшению световой апертуры (при 4 мкм ширине каждой полосы и расстоянии между полосами от 4 мкм в работе [J.C. Kim et al. Bistable property in a splay cell with chiral additive, IMID’03 Digest, p.555-558; J.C.Kim et al, A Novel Liquid Crystal Display Device for Memory Mode and Dynamic Mode, IMID’05 Digest, p.567-570] и 6 мкм в [Международная заявка (WO) №2005/040899] снижение пропускания составит 50 и 40%, соответственно). Конструкция жидкокристаллического дисплея с вертикально-горизонтальным переключением направления электрического поля согласно международной заявке WO 2005/040899 показана на чертеже. На пластину последовательно нанесены полосчатые токопроводящие слои и ориентирующий слой. Между ориентирующими слоями и расположен слой ЖК-материала. В исходном состоянии молекулы ориентированы под углом более 45° к поверхности, причем направления наклона у поверхностей пластин отличаются на 180°. В результате межмолекулярного взаимодействия в центральной части молекулы находятся в равновесном состоянии параллельно поверхности. Такая исходная горизонтальная splay-конфигурация под действием напряжения, приложенного к электродам, переориентируется вдоль силовых линий поля – вертикально, а после прекращения подачи напряжения преобразуется во второе стабильное состояние, в котором в центральной части молекулы сохраняют вертикальную ориентацию (bend). В bend-состоянии ЖК-материал не вращает плоскость поляризации проходящего света, в splay-состоянии – максимально изменяет его. Для визуализации состояния поляризации на внешних поверхностях подложек расположены поляроидные пленки: поляризатор и анализатор.

Структура проводящих покрытий дисплея по заявке WO 2005/040899 показана более подробно. Каждый элемент матрицы формируется из строчных полос и столбцовых. Для перевода из исходной конфигурации splay во вторую стабильную конфигурацию bend напряжение прикладывается между электродом и электродом, состоящим из двух гребенчатых электродов, вставленных друг в друга. Ширина каждого гребенчатого электрода и расстояние между ними – 4…6 мкм. Для переключения из конфигурации bend в исходную структуру splay к электроду прикладывается нулевое напряжение, а к электродам – напряжение «+U» и «-U», выбираемое таким образом, чтобы напряжение «+U» было ниже порога вертикальной деформации, а напряжение «-U» – выше порога горизонтальной деформации. На чертеже показан типичный оптический отклик дисплея по заявке WO 2005/040899, управляемого по указанному выше алгоритму. Время переключения из включенного состояния в выключенное и обратно на приведенной осциллограмме составляют несколько единиц миллисекунд, контраст – порядка 50:1.

Как уже отмечалось выше, такая конструкция имеет ряд недостатков. Важнейшим из них являются: низкая световая эффективность (при используемой в примере 4 мкм ширине гребенчатого электрода и расстояния 6 мкм между электродами снижается относительно стандартной на 40%); технологические проблемы изготовления дисплеев с такими мелкими деталями (для массовых матричных ЖК-дисплеев характерны ширина электрода в 30-40 мкм и интервалы между ними 10-20 мкм); технологические проблемы получения высокого угла преднаклона и его стабильности во времени. Последнее обстоятельство ограничивает срок службы дисплея.

Наиболее близким аналогом – прототипом по техническому решению является пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей и способ его управления, описанные в работе J.C.Kim et al. Bistable property in a splay cell with chiral additive, IMID’03 Digest, p.555-558; J.C.Kim et al, A Novel Liquid Crystal Display Device for Memory Mode and Dynamic Mode, IMID’05 Digest, p.567-570. J.C.Kim et al предлагают конструкцию дисплея с переключением вертикальным электрическим полем исходной splay-конфигурации в вертикальную конфигурацию, которая после прекращения подачи напряжения релаксирует в закрученную на 180° () – структуру. Последняя переключается в исходную splay-конфигурацию наложением горизонтального поля.

Дисплей, согласно этой конструкции, на одной из подложек содержит сеточный окисно-индиевый электрод (ITO), отделенный от лежащего под ним слоя ITO изолирующей пленкой SiO₂, и ориентирующий слой, формирующий после натирания у контактирующих с ним молекул жидкого кристалла угол преднаклона 5°. На второй подложке последовательно формируются окисно-индиевый электрод и ориентирующий слой, формирующий после натирания у контактирующих с ним молекул жидкого кристалла угол преднаклона 5°. Ширина электрода и расстояние между ними составляет по 4 мкм. Между пластинами с указанными слоями находится ЖК-смесь с 0° углом закрутки и отношением толщины ЖК-слоя d к шагу спирали Р₀, равным 0.2.

Исходная splay-конфигурация после приложения вертикального поля между нижним и верхним электродами 20В в течение 0.5 сек преобразуется сначала в bend-конфигурацию, которая затем релаксирует в 180° -конфигурацию. После приложения напряжения амплитудой 20 В длительностью 0.7 сек 180° -конфигурация переключается в исходную splay-конфигурацию с нулевым углом закрутки.

Недостатком этой конструкции является большая длительность (до 0.7 сек) прикладываемых напряжений, что не позволяет использовать ее для быстродействующих пассивно-матричных экранов. Кроме того, время возврата в промежуточную закрученную структуру зависит от множества неконтролируемых факторов, например температуры, однородности зазора, наличия дефектов ориентации и примесей в зазоре.

Сущность изобретения в следующем. Задача, на решение которой направлены заявляемые технические решения (устройство и способ), заключается в возможности отображения информации в реальном масштабе времени.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном пассивно-матричном жидкокристаллическом дисплее, состоящем из двух соединенных в пакет подложек с нанесенными на внутренние поверхности каждой из них прозрачным проводящим слоем, изолирующим слоем и ориентирующим слоем, жидкокристаллического вещества, размещенного внутри пакета, элементов матриц, сформированных на ортогональном пересечении прозрачных проводящих слоев подложек, по крайней мере, на одной из подложек электрод имеет объемную структуру и выполнен в виде первого проводящего слоя полосчатой конфигурации, толстопленочного изолирующего слоя на нем другой конфигурации и второго проводящего слоя, по крайней мере, часть которого расположена на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, при этом поверх указанных слоев нанесен ориентирующий слой.

Кроме того, толстопленочный изолирующий слой со вторым проводящим слоем расположены в пространстве между элементами первого проводящего слоя с возможностью использования в качестве черной маски; второй проводящий слой выполнен в виде L независимо управляемых групп электродов по n полос в каждой; исходный угол закрутки молекул жидкокристаллического вещества равен 0° или 180°.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления пассивно-матричным жидкокристаллическим дисплеем, заключающемся в последовательной подаче стробирующего сигнала с амплитудой U_S1 на полосчатые электроды, составляющие первый проводящий слой первой подложки, и информационного сигнала ±U_D на электроды, сформированные проводящим слоем второй подложки, первый проводящий слой первой подложки и, по крайней мере, часть второго проводящего слоя первой подложки, расположенная на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, управляются раздельно, при этом на примыкающие к стробируемой полосе электроды, сформированные полосами второго проводящего слоя первой подложки, расположенные на пьедесталах, подают напряжение |U_D|, а на остальные электроды первой подложки, включая расположенные на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, подают напряжение U_S2=0.

Частный вариант этого способа управления состоит в том, что напряжение |U_D| подается на одновременно на одну из L групп по n полос второго проводящего слоя первой подложки, включающую примыкающие к записываемой строке, подают напряжение U_L1=|U_D|.

В соответствии с настоящим изобретением пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей в первом варианте состоит из:

– двух подложек, на внутренние поверхности каждой из которых последовательно нанесены электрод требуемой конфигурации (например, в виде полос), изолирующий слой и ориентирующий слой, причем, по крайней мере, на одной из пластин электрод представляет собой:

– первый проводящий слой требуемой конфигурации (например, в виде полос),

– толстопленочный изолирующий слой другой требуемой конфигурации на нем (например, в виде полос, перпендикулярных направлению полос первого проводящего слоя),

– второй проводящий слой, по крайней мере, часть которого расположена на вершинах толстопленочного изолирующего слоя;

– жидкокристаллического вещества, размещенного между указанными ориентирующими слоями, в котором при приложении к электродам электрических сигналов устанавливаются и после окончания их действия сохраняются, по крайней мере, два стабильных или метастабильных структурных состояния, соответствующих различным молекулярным конфигурациям жидкого кристалла.

Согласно первому частному случаю конструкции толстопленочный изолирующий слой требуемой конфигурации со вторым проводящим слоем на верхней части толстопленочного изолирующего слоя расположен в пространстве между элементами первого проводящего слоя и одновременно является черной маской.

Согласно второму частному случаю конструкции второй проводящий слой выполнен в виде L независимо управляемых групп электродов по n в каждой.

Согласно третьему частному случаю конструкции исходный угол закрутки молекул жидкокристаллического вещества равен 0° или 180°.

Согласно способу управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном указанной конструкции:

– первый проводящий слой первой подложки и, по крайней мере, часть второго проводящего слоя первой подложки, расположенная на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, управляются раздельно;

– на примыкающие к стробируемой полосе электроды, сформированные полосами второго проводящего слоя первой подложки, расположенные на пьедесталах, подают напряжение |U_D|;

– на остальные электроды первой подложки, включая расположенные на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, подают U_S2=0.

Принцип данного управления заключается в том, что матричные элементы строк, не участвующих в формировании изображения записываемой в данный момент строки, шунтируются боковыми электродами, и накопление заряда на этих элементах существенно уменьшается.

Частный вариант способа управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном указанной конструкции согласно данному изобретению состоит в том, что:

– на одну из L групп по n полос второго проводящего слоя первой подложки, включающую записываемую строку, подают напряжение |U_D|.

Преимуществом частного варианта данного управления является то, что число дополнительных шин, управляющих вторым проводящим слоем первой пластины, уменьшено до L.

Сущность изобретение поясняется графическими материалами, описанием и примерами конкретного исполнения..

На фиг.1 показана структура пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея с внутренними объемными электродами. Вторая подложка имеет последовательно нанесенные прозрачное токопроводящее покрытие, изолирующий и ориентирующий слои. Первая подложка имеет последовательно нанесенные прозрачное токопроводящее покрытие, изолирующий слой, толстопленочный изолирующий слой, например, в виде полос, на вершины которых нанесены токопроводящие покрытия и фоточувствительный ориентирующий слой, например, SD-1. Направление ориентации контактирующих со слоем SD-1 молекул жидкого кристалла определяется направлением поляризации УФ-света (длина волны 365 нм) во время формирования ориентирующего слоя. Токопроводящие покрытия на вершинах толстопленочного изолирующего слоя могут одновременно играть роль черной маски в межэлектродных промежутках.

На фиг.2 показаны структурные переключения дисплея с объемными электродами в вертикальных и горизонтальных полях при исходной нулевой закрутке ЖК-молекул. При наложении вертикального поля формируется стабильная вертикальная (bend) конфигурация, при наложении горизонтального поля – стабильная незакрученная конфигурация.

На фиг.3 показаны структурные переключения дисплея с объемными электродами в вертикальных и горизонтальных полях при исходной 180°-закрутке ЖК-молекул. При наложении вертикального поля формируется стабильная вертикальная (bend) конфигурация, при наложении горизонтального поля – стабильная закрученная на 180° конфигурация (180°-twist).

На фиг.4 изображена конструкция электродов пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея. Строчный электрод состоит из расположенных на базовой подложке электродов, а в промежутках между ними – выполненных на вершинах толстопленочного изолирующего слоя электродов. Столбцовый электрод выполнен по стандартной тонкопленочной технологии.

На фиг.5 изображена эквивалентная электрическая схема. Продемонстрирован принцип шунтирования жидкокристаллического матричного элемента прилегающими электродами на пьедесталах. Уменьшение сопротивления не включенной части экрана приводит к снижению среднеквадратичного напряжения на элементах матрицы. В результате увеличивается уровень мультиплексирования.

На фиг.6 изображены структурные переключения пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея с объемными электродами при исходной незакрученной структуре ЖК-молекул. При наложении вертикального поля формируется стабильная вертикальная (bend) конфигурация, при наложении электрического поля между вершинами и основаниями объемных электродов создается симметричная структура, близкая к исходной незакрученной конфигурации.

На фиг.7 изображена принципиальная схема формирования ориентации на боковых гранях объемных поверхностных структур при стандартном технологическом процессе (фиг.7а) и в три стадии облучения (фиг.7b).

На фиг.8а-8с изображены фотографии пассивно-матричного ЖК-дисплея при стандартном процессе фотоориентации. Из-за затенения боковых граней пьедесталов прилегающие к ним ЖК-молекулы ориентируются произвольным образом. Упорядоченная в нужном направлении ЖК-структура наблюдается только в одной трети зазора между пьедесталами, в остальной части наблюдается дефект ориентации. На фиг.8d-8f изображены фотографии ЖК-дисплея при усовершенствованном процессе фото ориентации согласно фиг.7b. Видно, что зона разориентации отсутствует.

На фиг.9 дан пример практического исполнения дисплея. Оптический отклик образца на подачу чередующихся вертикальных и горизонтальных электрических полей.

На фиг.10 дан пример практического исполнения дисплея. Оптический отклик дисплея при мультиплексном управлении 1/64 (2 кадра «включено»+2 кадра «выключено»).

На фиг.11 дан пример практического исполнения дисплея. Оптический отклик при одновременной подаче вертикальных и горизонтальных полей.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 – подложка первая;

2 – проводящий слой;

3 – изолирующий слой;

4 – вершина толстопленочного изолирующего слоя;

5 – проводящий слой на вершине толстопленочного изолирующего слоя;

6 – ориентирующий слой;

7 – подложка вторая;

8 – проводящий слой;

9 – изолирующий слой;

10 – ориентирующий слой;

11 – жидкокристаллическое вещество;

12 – электрод;

13 – элемент матрицы.

Предлагается жидкокристаллический дисплей с объемной структурой электрода, по крайней мере, на одной из подложек. Указанная структура изображена на фиг.1. На подложке 1 (например, стеклянной или пластиковой) последовательно нанесены проводящий слой 2 (например, ITO – окисно-индиевая пленка с примесью окиси олова) требуемой конфигурации (например, полосчатой), изолирующий слой 3 (например, SiO₂ – пленка окиси кремния). На изолирующем слое 3, в промежутках между электродами 2, на вершинах толстопленочного изолирующего слоя 4 толщиной 1…3 мкм (например, фоторезист или полиимид) располагаются проводящие слои 5 (например, из алюминия Al, никеля Ni или окиси индия In₂O₃). Поверх указанных слоев наносится ориентирующий слой 6. В качестве ориентирующего слоя 6 может использоваться, например, фотоориентант SD-1 на базе азосоединений [V.G.Chigrinov, H.S.Kwok, W.C.Yip, E.K.Prudnikova, V.M.Kozenkov, H.Akiyama, M.Fukuda, H.Takada, H.Takatsu, SID’Ol Digest, 1170-1173; V.G.Chigrinov, H.S.Kwok, E.K.Prudnikova, V.M.Kozenkov, Z.Ling, H.Akiyama, M.Fukuda, T.Kawara, H.Takada, H.Takatsu, SID’02 Digest, 1106-1109 V.G.Chigrinov, H.S.Kwok, V.M.Kozenkov, E.K.Prudnikova, H.Akiyama, H.Takada, H.Takatsu, SID’03 Digest, 620-623], химическая формула которого приведена ниже:

На второй подложке 7 (стеклянной или пластиковой) последовательно нанесены проводящий слой 8 (например, ITO – окисно-индиевая пленка, легированная окисью олова) требуемой конфигурации (например, полосчатой), изолирующий слой 9 (например, SiO₂ – пленка окиси кремния) и ориентирующий слой 10 (например, полиимид или упомянутый выше фотоориентант SD-1). Молекулы жидкокристаллического вещества 11, расположенные между подложками 1 и 7, взаимодействуя со слоями 6 и 10, ориентируются в заданном направлении. Направление ориентации может быть любым. При этом, если направления ориентации ЖК-молекул жидкокристаллического вещества 11, контактирующих со слоями 6 и 10, не совпадают друг с другом, формируется закрученная структура, в которой обеспечивается плавный поворот от одного направления к другому. В состав жидкокристаллического вещества 11 может входить оптически активная добавка, обеспечивающая дополнительный угол закрутки. В результате молекулы жидкокристаллического материала могут быть закручены на угол от 0° до 360° и более.

Фиг.2 иллюстрирует структурные перестройки ЖК-молекул под действием электрического поля. Если к исходной структуре, характеризующейся однородной ориентацией молекул параллельно подложкам (как показано на фиг.2а), приложено вертикальное поле за счет подачи напряжения U_V к электродам, то молекулы жидкокристаллического вещества 11 ориентируются вертикально (кроме прилегающих к ориентирующим слоям подложек, которые остаются в исходном состоянии при любом значении напряжения) (фиг.2b). Если между четными (5а) и нечетными (5b) полосами электродов, расположенных на вершинах толстопленочного изолирующего слоя 4, отделенных от электродов изолирующим слоем 6, приложить горизонтальное напряжение U_H, то молекулы жидкокристаллического вещества 11 переориентируются параллельно поверхности, т.е. возвращаются в исходное состояние (фиг.2с).

Возможны и другие модификации структурных переключении. На фиг.3 показаны конфигурации, формируемые под действием вертикальных и горизонтальных электрических полей при исходной ориентации молекул жидкокристаллического вещества 11 у поверхности подложек параллельно электродам 12 перпендикулярно плоскости чертежа при исходном угле закрутки 180° (фиг.3а). И в этом случае под действием вертикального поля закрученная структура раскручивается, молекулы жидкокристаллического вещества 11 (за исключением прилегающих к ориентирующим слоям) переориентируются вертикально (фиг.3b). В отсутствие электрического поля молекулы жидкокристаллического вещества 11 вернутся в исходное состояние через несколько минут, часов или дней (в зависимости от энергии сцепления с подложкой, характеристик жидкокристаллического материала и температуры). Под действием горизонтального поля (фиг.3с) возврат в исходное состояние происходит за несколько миллисекунд.

В дисплее-прототипе горизонтальное поле воздействует на прилегающие к ориентирующему слою молекулы, жестко связанные с поверхностью. Известно, что для их переориентации требуются очень высокие напряженности поля, т.е. большое напряжение или малое расстояние между электродами. Согласно предлагаемому изобретению электрическое поле прикладывается к гораздо более подвижным молекулам центральной части ЖК-слоя. В результате расстояние между горизонтальными электродами может быть увеличено с 4…6 мкм в прототипе до 20…100 мкм в предлагаемой конструкции.

Данная конструкция позволяет реализовать и другие преимущества.

Во-первых, появляется возможность увеличения уровня мультиплексирования N.

В стандартной конструкции STN (управление только вертикальным полем) для роста N отношение констант упругости жидкокристаллического материала К₃₃/К₁₁ должно быть максимально большим [K.Katon, M.Akatsuka, К.Sumada, Effect of material parameters on the electrooptical properties of the super-TN liquid crystal display, Reports res. Lab. Asahi Glass Co., 1987, vol.37, p.285-297]. (К₃₃ определяет порог переориентации из однородной параллельной поверхности splay- в вертикальную bend-структуру (гомеотропную), К₁₁ – из гомеотропной bend- в параллельную splay-конфигурацию). Очевидно, что при использовании горизонтального поля для увеличения уровня мультиплексирования отношение К₃₃/К₁₁ должно быть минимальным. Отсюда следует, что при одновременном действии горизонтальных и вертикальных полей высокий уровень мультиплексирования может быть достигнут при любом отношении К₃₃/К₁₁. Это снимает очень важное ограничение по характеристикам ЖК.

Во-вторых, как известно, снижение уровня мультиплексирования пассивно-матричного жидкокристаллического экрана происходит из-за накопления заряда на не включенных элементах матрицы, когда на элементы матрицы не записываемых в данный такт строк подается информационный сигнал «-U_D» для включения и «+U_D» для выключения. При этом на записываемую в данный такт строку подается стробирующий сигнал U_S, на остальные строки – нулевое напряжение. Таким образом, к включенному элементу во время записи прикладывается напряжение «U_S-U_D », к выключенному прикладывается напряжение «U_S-U_D». При этом среднеквадратичное (за кадр) напряжение на включенном элементе составляет:

,

а на выключенном:

.

Величина напряжения U_D выбирается таким образом, чтобы быть достаточно большой для разделения элементов записываемой строки на включенные и выключенные и достаточно малой для сохранения среднеквадратичного за кадр напряжения на не включенных элементах ниже порога.

Чем меньше сопротивление элемента, тем большая часть напряжения падает на токоведущих элементах, уменьшая приложенное к пикселю напряжение. Однако в обычной конструкции электродов пропорционально уменьшается и напряжение, приложенное к включенным (выключенным) элементам матрицы записываемой строки. В результате крутизна вольтконтрастной характеристики от падения напряжения на токоподводящих электродах не зависит.

Ситуация изменяется в случае строчного электрода, выполненного согласно данному изобретению. На фиг.4 показана конструкция экрана, в котором строчный электрод состоит из расположенных на базовой первой подложке 1 полос проводящих слоев 2 и в промежутках между ними – выполненных на вершинах толстопленочного изолирующего слоя 4 проводящих покрытий 5. Столбцовый электрод на второй подложке 7 изготавливается по стандартной технологии и представляет собой набор полос проводящего слоя 8, перпендикулярных направлению полос строчного электрода.

Как видно из фиг.5а, в обычном исполнении элемент формируется на пересечении полос строчного и столбцового электродов, сформированных из проводящих слоев 2 и 8, расположенными на подложках 1 и 7, соответственно, и слоем жидкокристаллического вещества 11 между ними. Если сопротивление этого элемента R_LC, а сопротивление токоподводящих электродов – R_Ш, то напряжение, приложенное к элементу, составляет:

Если на проводящие слои 2 и 5, формирующие строчный электрод (фиг.4), подавать нулевое напряжение, а на проводящий слой 8, формирующий столбцовые электроды, подавать информационное напряжение ±U_D, то эквивалентная электрическая схема каждого элемента матрицы 13 будет выглядеть, как показано на фиг.5b. Эффективное сопротивление элемента матрицы составит

Из (4) видно, что при любых R_LC и R_P сопротивление R’_LCLC.

Это означает, что падение напряжения на шунтирующем сопротивлении R_Ш увеличится. Следовательно, напряжение , прикладываемое к жидкокристаллическому веществу, упадет.

Разделение элементов на включенные и выключенные при обычном управлении производится при подаче на полосу проводящего слоя 2 записываемой строки напряжения U_S. На пересечении с полосой проводящего слоя 8 (столбцовым электродом), на которую подано напряжение «+U_D», среднеквадратичное за кадр напряжение будет ниже порога – здесь формируется выключенный элемент. На пересечении с полосой проводящего слоя 8 (столбцовым электродом), на которую подается напряжение «-U_D», среднеквадратичное за кадр напряжение будет выше порога – так формируется включенный элемент.

Если на проводящие слои 5 записываемой строки (фиг.4) подается напряжение «+U_D», электрическая схема элемента соответствует показанной на фиг.5с. Видно, что в этом случае, как и при обычном управлении,

С другой стороны, напряжение на включаемом элементе за счет электродов 12 на вершинах толстопленочного изолирующего слоя изменится и будет равно не

,

как при обычном управлении, а

.

Если рассматривать всю матрицу в целом, то эквивалентная электрическая схема при стандартном управлении выглядит, как показано на фиг.5d:

R₀₁ – результирующее сопротивление М (число столбцов матрицы) параллельных элементов записываемой строки, каждое из которых имеет сопротивление R_LC;

R₀₂ – результирующее сопротивление остальных параллельных элементов матрицы, число которых составляет М (N-1), где N – число строк матрицы.

.

Эквивалентная электрическая схема для электродов 12 с вершинами толстопленочного изолирующего слоя имеет вид, показанный на фиг.5е. Соответствующие результирующие сопротивления

,

.

Отсюда можно подсчитать, как изменится формула для крутизны вольт-контрастной характеристики за счет конструкции электродов согласно предлагаемому изобретению:

.

Для сравнения, при обычном управлении с уровнем мультиплексирования N₀ .

Для оценки влияния вершин толстопленочного изолирующего слоя на крутизну вольт-контрастной характеристики рассмотрим следующий пример реальной конструкции.

Пример 1

Элемент матрицы 13 – пиксель имеет ширину 0.09 мм; интервал между элементами матрицы пикселями (и ширина электрода на вершине толстопленочного изолирующего слоя – пьедестале) равен 0.025 мм. Толщина слоя жидкокристаллического вещества равна 4 мкм. Высота пьедестала – 2.5 мкм. Сопротивление единичного элемента матрицы-пикселя R_LC=100M . Отсюда можно подсчитать, что R_p=44.4 М . Токоведущие дорожки шириной 0.1 мм длиной от контакта до информационного элемента матрицы-пикселя 20 мм при удельном сопротивлении дает величину R_Ш=2К (реальная величина R_Ш, с учетом длины строк, столбцов и крайних токоведущих дорожек будет еще больше, однако в примере рассматривается наиболее неблагоприятный вариант). Пусть число столбцов М=200, а количество строк, обеспечиваемое жидкокристаллическим веществом при обычном управлении, N₀=64. Тогда

.

Крутизна жидкого кристалла при любом управлении должна соответствовать .

Очевидно, что .

Решая систему уравнений (14)…(18), получим значение числа строк N=347. Т.о., число мультиплексируемых строк за счет уменьшения амплитуды напряжений, прикладываемых к элементам не записываемых строк, увеличилось в предлагаемой конструкции в 5.4 раза.

Данная конструкция предполагает, что число управляемых строчных электродов увеличивается в 3 раза. Это экономически не выгодно, так как соответственно возрастает число драйверов. Целесообразно объединить боковые электроды группами. Пусть число таких групп равно L.

Тогда – число боковых электродов, на которые напряжение подается от одного выхода драйвера.

Крутизна вольт-контрастной характеристики в этом случае составит

Пример 2

Пусть для дисплея из Примера 1 боковые электроды 12 объединены в 4 группы (L=4) по n электродов на вершинах толстопленочного изолирующего слоя – пьедесталах в каждой. При решении системы уравнений (19)…(20) для “=₀ при L=4, получим n=63. Таким образом, уровень мультиплексирования вырастает в 3.94 раза, достигая N=252. При этом число выводов увеличилось всего на 4.

Еще один способ управления дисплеем по предлагаемому изобретению иллюстрирован на фиг.6. Он заключается в том, что для включения к элементу матрицы – прикладывается вертикальное поле между проводящими слоями 2 и 8 подложек 1 и 7, соответственно (фиг.6 b), а для выключения электрическое поле прикладывается между парой прилегающих к элементу матрицы полос проводящих слоев 5а и 5b на вершинах толстопленочногол изолирующего слоя – пьедесталах 4 и проводящим слоем 2 на подложке 1 (фиг.6b). По мере приближения к центру элемента матрицы угол наклона силовых линий к плоскости подложки 1 уменьшается. Хотя при этом напряженность поля падает, одновременное действие прилегающего к подложке 7 ориентирующего слоя и равностороннего воздействия со стороны токопроводящих покрытий 5а и 5b ориентирует молекулы жидкокристаллического вещества 11 преимущественно параллельно поверхности подложки 1. Это воздействие передается на весь объем жидкокристаллического вещества 11, элемент матрицы выключается (фиг.6b).

Аналогичный эффект может наблюдаться и при других исходных углах закрутки, например, 180°.

Возможны и другие варианты изменения структуры, например, из 270° исходной в 90°. Для этого достаточно, чтобы направление ориентации на пластине 7 составляло угол 90°, а оптически активная добавка обеспечивала равновесный шаг ЖК-спирали Р₀, удовлетворяющий неравенству:

где d – толщина слоя жидкокристаллического вещества 11 между подложками 1 и 7.

Технологически наиболее сложным моментом является создание бездефектной ориентации на поверхности элемента матрицы-пикселя, в пространстве между соседними вершинами изолирующего поля.

В стандартном процессе ориентации может быть использовано либо натирание полимерного слоя на подложке, либо наклонное напыление материала типа SiO₂, либо фотоориентация – облучением фоточувствительного полимерного материала типа SD-1 поляризованным светом.

Первые два процесса на объемных элементах дают ориентационные дефекты, связанные с затенением. Например, при натирании структуры подложки, аналогичной показанной на фиг.1, перпендикулярно направлению вершин толстопленочного изолирующего слоя – пьедесталов, ширина неориентированной области достигала 4 мм. Единственно возможным направлением ориентации при натирании или наклонном напылении является направление вдоль вершин толстопленочного изолирующего слоя – пьедесталов. Любое отклонение от этого направления приведет к появлению дефектных по однородности областей. Однако направление движения волокна при натирании (наиболее распространенном и дешевом способе ориентации) всегда имеет некоторый разброс порядка ±5…20°, не позволяющий получить однородную ориентацию на объемных поверхностях. Есть и другие проблемы, например, ограничения по диаметру волокна натирающего материала: оно должно иметь диаметр, в несколько раз меньший, чем размер элемента матрицы-пикселя, и т.д.

Наиболее перспективны при ориентации на поверхностях с объемными элементами фотоориентанты, например, уже упоминавшийся SD-1. В нашем случае подложка с объемными электродами 12 и слоем ориентанта SD-1 облучалась вертикально падающим линейно-поляризованным светом от обычного источника ультрафиолетового излучения длиной волны 365 нм мощностью 10…20 мДж/см² (фиг.7а). Если направление поляризации параллельно направлению полос толстопленочного изолирующего слоя, прилегающие к SD-1 молекулы жидкокристаллического вещества ориентируются параллельно поверхности и перпендикулярно направлению полос толстопленочного изолирующего слоя. Если направление поляризации перпендикулярно направлению полос толстопленочного изолирующего слоя, молекулы жидкокристаллического вещества ориентируются параллельно поверхности подложки и параллельно полос толстопленочного изолирующего слоя. Однако в этом случае боковые грани полос толстопленочного изолирующего слоя оказываются неориентированными, в результате чего молекулы жидкокристаллического вещества на значительной части элемента матрицы имеют хаотическое расположение.

Пример 3.

Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей, изготовленный из двух стеклянных подложек, одна из которых представляет собой последовательно нанесенные слои окисно-индиевого проводящей пленки (ITO) толщиной 120 нм, изолирующего слоя SiO₂ (100 нм толщиной); толстопленочные полосы фоторезиста ФП-383 толщиной 1.5…1.7 мкм с блокирующими свет алюминиевыми электродами (толщина 0.9 мкм) поверх указанных толстопленочных изолирующих слоев. Ширина толстопленочных изолирующих полос с Al-пленкой сверху составляла 20…25 мкм, а расстояние между соседними полосами толстопленочных изолирующих слоев равнялось 90…95 мкм. Внутренняя поверхность обоих пластин была покрыта фотоориентирующим материалом на базе азокрасителя SD-1 (толщиной 20-50 нм). Ориентирующий слой наносился центрифугированием 1% раствора SD-1 в диметилформамиде и отжигался при температуре 140°С.

Оптическая схема экспонирования (длина волны 360…365 нм) показана на фиг.7а. Подложки освещались таким образом, чтобы сформировать в ячейке параллельную ориентацию вдоль направления толстопленочного изолирующего слоя. В качестве жидкокристаллического вещества использовался материал MLC-6295 (Merck, Германия) с оптически активной добавкой ZLI-811 (Merck, Германия) для получения равновесного шага ЖК-спирали Р₀=100-140 мкм. Толщина ЖК-слоя составляла 6…7 мкм.

На фиг.8 показаны фотографии сформированных структур в микроскопе Olympus BH3 с видеокамерой JVC-TK-1281. Фотографии сделаны при скрещенном (фиг.8а), параллельном (фиг.8b) расположении поляроидов и в параллельных поляроидах при расположении ячейки под углом 45° (фиг.8с). Видно, что разориентирующее действие боковых стенок сказывается на расстоянии до 30 мкм от них (до 1/3 интервала между вершинами толстопленочного изолирующего слоя) с каждой стороны. Контраст такого дисплея даже в идеальном случае не превысит (1.5…2.0):1.

На фиг.7b показана оптическая схема используемого в данном изобретении процесса фотоориентации. На I этапе подложка с объемными электродами освещается под углом 45° светом, поляризованным в плоскости рисунка. При этом обеспечивается ориентация вдоль направления полос толстопленочного изолирующего слоя на одной из боковых граней объемного электрода. На II этапе подложка с объемными электродами поворачивается на 180° и освещается под углом 45° светом, поляризованным в плоскости рисунка. При этом обеспечивается ориентация вдоль направления полос толстопленочного изолирующего слоя на других боковых гранях объемного электрода. На III этапе подложка освещается вертикально падающим линейно-поляризованным светом, поляризованным в плоскости фигуры. При этом обеспечивается ориентация на поверхности элемента матрицы. Таким образом формируется структура, равномерно ориентированная параллельно поверхности вдоль направления полос толстопленочного изолирующего слоя.

Пример 4

Подложка конструкции дисплея согласно Примеру 3 облучается в три этапа, как описано выше. Вторая подложка изготавливается при вертикальном облучении поляризованным светом. Ориентация и тип ЖК соответствуют указанным в Примере 3. На фиг.8d-8f показаны фотографии сформированных структур в микроскопе Olympus BH3 с видеокамерой JVC-TK-1281. Фотографии сделаны при скрещенном (фиг.8d), параллельном (фиг.8е) расположении поляроидов и в параллельных поляроидах при расположении элемента матрицы под углом 45° (фиг.8f). Видно, что при таком способе изготовления дисплея с объемными электродами разориентация отсутствует.

При указанном способе ориентации можно регулировать угол преднаклона молекул жидкокристаллического вещества. С этой целью подложка при облучении на первых двух этапах ориентируется дополнительно под небольшим (от 2…5° до 20…22°) азимутальным углом. В результате при необходимости молекулы во всем объеме жидкокристаллического вещества между полосами толстопленочных изолирующих слоев могут иметь ненулевой угол преднаклона.

Ниже приведены примеры практического исполнения дисплея согласно данному изобретению.

Пример 5

Дисплей типа А (согласно изобретению) состоит из двух стеклянных подложек толщиной по 1,0 мм. На внутренней поверхности одной из них последовательно нанесены прозрачный окисно-индиевый слой толщиной 120 нм и изолирующий слой SiO₂ толщиной 80 нм. На изолирующем слое расположены полосы из фоторезиста ФП-383 высотой 1.7…1.9 мкм. Ширина каждой полосы 20…25 мкм, расстояние между полосами – 90…95 мкм. На вершинах полос находится слой алюминия толщиной 0.5…0.7 мкм. Таким образом, общая высота полос толстопленочного изолирующего слоя с электродом на вершине составляет 2.2…2.6 мкм. Окисно-индиевый и алюминиевый электроды управляются раздельно. Алюминиевый электрод выполнен в виде двух вставленных друг в друга гребенок, управляемых независимо. Поверх указанной структуры нанесен слой фотоориентанта SD-1 толщиной 20…50 нм, обработанный таким образом, чтобы ориентировать молекулы жидкого кристалла вдоль полос. На внутренней поверхности второй пластины последовательно нанесены прозрачный окисно-индиевый слой толщиной 120 нм, изолирующий слой SiO₂ толщиной 80 нм и слой фотоориентанта SD-1 толщиной 20…50 нм, обработанный таким образом, чтобы ориентировать молекулы жидкого кристалла вдоль полос. Угол преднаклона составлял 2…5°. Зазор между подложками обеспечивался калибраторами в виде стекловолокна и равнялся 6.5 мкм. В качестве жидкокристаллического вещества использовался материал MLC-6295+0,5% ZLI-811 фирмы Merck (Германия) с равновесным шагом спирали Р₀=14 мкм. Угол закрутки молекул жидкокристаллического вещества равнялся 180°. На наружных поверхностях дисплея находились скрещенные поляризаторы, ось поляризации входного поляроида составляла 0° с направлением ориентации входных молекул.

На фиг.9 показан оптический отклик дисплея типа А на подачу напряжения. Для перехода во включенное (темное) состояние на дисплей подавалось вертикальное напряжение амплитудой 9 В длительностью 5 мс с периодом 55 мс (не показано). Для выключения (возврата в светлое состояние) на дисплей подавалось горизонтальное напряжение амплитудой 25 В длительностью 5 мс с периодом 55 мс. Вертикальные и горизонтальные импульсы сдвинуты на 30 мс. Контраст между включенным и выключенным состояниями составил 254:1; время реакции – 2.0…4.2 мс; релаксации – 18…20 мс.

Пример 6

Дисплей типа В (стандартный вариант конструкции) изготовлен по стандартной технологии без проводящего слоя 5 на вершинах толстопленочного изолирующего слоя 4. Тип ЖК-материала, угол закрутки молекул жидкокристаллического вещества, зазор между подложками и ориентация поляроидов были аналогичны использованным в дисплее типа А. Пороговое напряжение составило 2,8 В, напряжение насыщения – 3,6 В. Соответственно, крутизна вольт контрастной характеристики составляет 1,29, а ожидаемый уровень мультиплексирования равняется 1:16.

Результаты измерения контраста включенного элемента относительно выключенного при различных уровнях мультиплексирования стандартного пассивно-матричного управления и наличии в цепи шунтирующего напряжения R_Ш=2K приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, уровень мультиплексирования дисплея согласно изобретению существенно выше.

Оптический отклик дисплея типа А при управлении с уровнем мультиплексирования 1:64 показан на фиг.10.

Пример 7

При одновременном наложении на элемент вертикальных и горизонтальных полей уровень мультиплексирования возрастает. Для иллюстрации на алюминиевые электроды образца типа А, описанного в Примере 5, подается напряжение амплитудой 25 В длительностью 5 мс и периодом 45 мс. Одновременно к дисплею прикладывается вертикальное напряжение амплитудой 8 В (фиг.11а), 12 В (фиг.11b) или 10 В (фиг.11с) той же длительности. В первом случае образец остается в исходном состоянии, во втором – имеет максимальное поглощение (контраст между этими состояниями равен 211:1). Крутизна вольт-контрастной характеристики может быть рассчитана по формуле: , что соответствует уровню мультиплексирования около 1/330.

Из фиг.11с видно, что временные характеристики дисплея следующие: время реакции – менее 0.5 мс, время релаксации – порядка 16.5 мс.

Угловые характеристики дисплея согласно данного изобретения в горизонтальном (Н) и вертикальном (V) направлениях представлены в таблице 2

При отклонении в горизонтальном направлении более чем на ±50° пропускание резко падает из-за эффекта затенения. Однако, как видно из таблицы 2, угол обзора по критерию CR5:1 превышает ±60° по горизонтали и ±45° по вертикали. По этим показателям дисплей по данному изобретению превышает стандартные активно-матричные дисплеи на твист-эффекте.

Данное изобретение описывает базовые принципы конструкции и управления, но возможны и другие варианты. Например, возможно исполнение объемного электрода на поверхностях обоих пластин дисплея.

Следует отметить, что расположение второго слоя объемного электрода в пространстве между элементами матрицы позволяет использовать его в качестве черной маски, закрывающей межэлектродные промежутки. Это упрощает технологию и позволяет использовать в качестве проводящего покрытия на вершинах толстопленочного изолирующего слоя непрозрачные материалы, например алюминий или никель.

В качестве материала вершин толстопленочного изолирующего слоя могут использоваться различные фоторезисты, полиимиды и другие изолирующие материалы.

В качестве ориентирующего слоя на подложке, не имеющей объемного электрода, могут использоваться стандартные материалы – полиимиды при натирании или окись кремния при наклонном напылении.

В качестве фотоориентанта могут быть использованы любые составы, содержащие адсорберы, имеющие стабильный дихроичный диапазон в области длин волн 200…450 нм.

Нет никаких специальных требований для жидкокристаллического материала, используемого в данном изобретении. Любой жидкий кристалл может использоваться в этом устройстве.

Возможны и другие варианты управления. Главным моментом при этом является наличие на поверхности хотя бы одной из подложек объемного двухуровневого электрода.

Методы формирования серой шкалы в данной конструкции и способах управления ею аналогичны используемым в стандартных пассивно-матричных жидкокристаллических экранах. Это – амплитудная или широтно-импульсная модуляция. Возможно также использование для формирования полутонов нескольких элементов матрицы (пространственная модуляция) или формирование среднего за несколько кадров уровня пропускания (полукадровая модуляция).

Настоящее изобретение предлагает конструкцию и метод управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном с вертикально-горизонтальным переключением, увеличенной световой апертурой и уменьшенным накоплением заряда на элементах изображения. Изобретение базируется на нематических ЖК-структурах и технологии фотоориентации, могут быть использованы любые материалы подложек, включая стеклянные и пластиковые.

Формула изобретения

1. Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей, состоящий из двух соединенных в пакет подложек с нанесенными на внутренние поверхности каждой из них прозрачным проводящим слоем, изолирующим слоем и ориентирующим слоем, жидкокристаллического вещества, размещенного внутри пакета, элементов матриц, сформированных на ортогональном пересечении прозрачных проводящих слоев подложек, отличающийся тем, что, по крайней мере, на одной из подложек электрод имеет объемную структуру и выполнен в виде первого проводящего слоя полосчатой конфигурации, толстопленочного изолирующего слоя на нем другой конфигурации и второго проводящего слоя, по крайней мере, часть которого расположена на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, при этом поверх указанных слоев нанесен ориентирующий слой.

2. Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей по п.1, отличающийся тем, что толстопленочный изолирующий слой со вторым проводящим слоем расположены в пространстве между элементами первого проводящего слоя с возможностью использования в качестве черной маски.

3. Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей по п.1, отличающийся тем, что второй проводящий слой выполнен в виде L независимо управляемых групп электродов по n полос в каждой.

4. Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей по п.1, отличающийся тем, что исходный угол закрутки молекул жидкокристаллического вещества равен 0° или 180°.

5. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим дисплеем, заключающийся в последовательной подаче стробирующего сигнала с амплитудой U_S1 на полосчатые электроды, составляющие первый проводящий слой первой подложки и информационного сигнала ±U_D на электроды, сформированные проводящим слоем второй подложки, отличающийся тем, что первый проводящий слой первой подложки и, по крайней мере, часть второго проводящего слоя первой подложки, расположенная на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, управляются раздельно, при этом на примыкающие к стробируемой полосе электроды, сформированные полосами второго проводящего слоя первой подложки, расположенные на пьедесталах, подают напряжение |U_D|, а на остальные электроды первой подложки, включая расположенные на вершинах толстопленочного изолирующего слоя, подают напряжение U_S2=0.

6. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим дисплеем по п.6, отличающийся тем, что на одну из L групп n полос второго проводящего слоя первой подложки, включающую записываемую строку, подают напряжение |U_D|.

РИСУНКИ