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DE2419170A1 - Fluessigkristall-bildschirm mit matrixansteuerung - Google Patents

Fluessigkristall-bildschirm mit matrixansteuerung

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DE2419170A1
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liquid crystal
collector
transistor
matrix
lines
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Nobuo J Koda
Lewis T Lipton
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Raytheon Co
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Hughes Aircraft Co
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Description

Anmelder; . Stuttgart, 17. April 1974-
Hughes Aircraft Company P 2870 S/nu
Centinela Avenue and
Teale Street
Culver City, Calif., V. St. A.
Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixansteuerung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixansteuerung, der eine Tragplatte mit einer auf einer Seite aufgebrachten Transistormatrix, die eine Vielzahl von Gattleitungen und eine Vielzahl die Gattleitungen kreuzender Smitterleitungen aufweist, eine Deckplatte, die mit einer durchsichtigen
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leitenden Schicht bedeckt ist, und eine zwischen der Transistormatrix und der leitenden Schicht angeordnete Flüssigkristallschicht umfaßt.
In dem Aufsatz "Liquid Crystal Displays" von Bernard J. Letchner, erschienen in "Pertinent Concepts in Computer Graphics", University of Illinois Press, 196% ist eine Anzahl von Methoden zur Ansteuerung für Flüssigkristall-Bildschirme mit Matrixanordnungen behandelt, darunter eine "einfache" Anordnung, die eine vorgespannte Diode pro Barstellungselernent umfaßt? eine Doppel-Dioden-Kondensator-Anordnung und eine Feldeffekttransistor-Eonaensator-Anordming. In dem Artikel ist betont, daß ein wirtschaftlich brauchbarer Flüssigkristall-Matrixbildschirm offensichtlich voraussetzt, daß die Sehaltungsanordnungen in integrierter Form hergestellt werden, obwohl ein vollständiger Bildschiria Metallisierungen in vielen Ebenen und eine hohe Ausbeute auf einer großen Substratfläche erfordern» Diese Bedingungen sind bei den bekannten Flüssigkristall-Bildschirmen nur mit großen Schwierigkeiten au erfülleD5
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Matrixanordnung zur Ansteuerung von Flüssigieristall-Bildschirnien anzugeben, welche die Herstellung der integrierten Schaltung für die Matrixansteuerung wesentlich erleichtert, so daß auch auf großen Flächen die Schaltungsanordnungen mit hoher Ausbeute erstellt werden können.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daii jeder Transistor der Transistormatrix einen leitenden Kollektorfleck: aufweist, der mit der dem jeweiligen Transistor zugeordneten Gattleitung kapazitiv gekoppelt ist.
Durch, die Erfindung wird demnach ein Flüssigkristall-Bildschirm geschaffen, der unter Verwendung der Feldeffekttransistortechnik hergestellt werden kann und eine zeilenweise Ansteuerung mit normalen Fernsehfrequenzen ermöglicht. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Bildschirms liegt darin, daii der leitende Kollektorfleck des Feldeffekttransistors gleichzeitig als eine Platte des Kondensators des Feldeffekttransistor-Kondensator-Matrixelements dient, während ein Teil der Gattelektrode als andere Kondensatorplatte dient. Dabei kann der Kollektorfleck selbst die reflektierende Elektrode sein, die zum Ansteuern des Flüssigkristallmaterials dient, so daß nur zwei Arten von Ansteuerleitungen in der Matrix benötigt werden, nämlich eine Art, die alle Gattelektroden einer Zeile verbindet, und eine zweite Art, die alle Emitterelektroden einer Spalte verbindet.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination
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Anwendung finden. Bs zeigen
Fig. 1 ein Schaltbild einer Feldeffekttransistor-Kondensator-Ansteuerung nach dem Stande der Technik,
Fig. 2 ein Schaltbild einer Matrixansteuerung nach der Erfindung,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Flüssigkristall-Bildschirms nach der Erfindung und
Fig. 4 eine schematische isometrische Darstellung eines Teiles des Bildschirms nach fig. 3.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß bei einer typischen Feldeffekttransistor-Kondensator-Ansteuerung nach dem Stande der Technik jedes einzelne Matrixelement einen Feldeffekttransistor 10 umfaßt, dessen Gatt mit einem Zeilentreiber 12 und dessen Emitter mit einem Spaltentreiber 14 verbunden ist. Unmittelbar mit dem Gatt des Transistors 10 ist eine Platte eines Kondensators 16 verbunden, dessen andere Platte mit einer Masseebene verbunden ist. Wie weiterhin in Fig. 1 symbolisch dargestellt ist, wird von diesem speziellen Matrixelement eine Teilmenge Flüssigkristall 19 aktiviert. Wie bekannt, ist eine Elementarzelle einer nematischen Flüssigkristallmatrix einer Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator äquivalent. Typische Werte sind für den Widerstand 1O^ ohm und für den Kondensator 1 pF.
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Ss sei nun die Arbeitsweise einer solchen Matrix betrachtet. Zwischen dem Anlegen eines elektrischen Signals an den Flüssigkristall und der Änderung von dessen optischen Eigenschaften besteht eine Verzögerung. Im statischen Zustand ist der Kontrast eine stetige, monotone Funktion der Spannung. Infolgedessen kann in Abhängigkeit von geeigneten Änderungen des Eingangssignals eine Grauskala durchlaufen werden. Damit ein Matrix-Bildschirm mit einer relativ hohen Bildfrequenz betrieben werden kann, beispielsweise der Fernsehfrequenz, muß allgemein jedes Matrixelement sowohl S^eichereigenschaften als auch einen Schwellenwert aufweisen. Bei der Anordnung nach Fig. 1 erzeugt der Transistor 10 einen Schwellenwert, während der Kondensator 16 eine Speicherung bewirkt, durch welche die Zeit, die eine Signalspannung am Flüssigkristall anlegt, über dessen Relaxationszeit ausdehnt, wodurch dar Flüssigkristall die Möglichkeit erhält, anzusprechen. Um eine zeilenweise Abtastung zu ermöglichen, wird jeweils der entsprechende Zeilentreiber oder Zeilengenerator, beispielsweise der Zeilengenerator IL, aktiviert .
Alle Daten für eine gegebene Zeile Matrixelemente kann serienweise in ein nicht dargestelltes Schieberegister mit serieller Eingabe und paralleler. Ausgabe eingetaktet werden, das zwischen die Eingangsdatenquelle und die verschiedenen Spaltengeneratoren C^, C2 usw. geschaltet ist. Ein positives Signal vom Zeilentreiber H1 führt den Feldeffekttransistoren der Spalte 1 eine
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Vorspannung zu, so daß sie leitend werden, und es werden den entsprechenden Kondensatoren C^, G^p usw. die von den verschiedenen Spaltengeneratoren C^ , C^* ···t c n erzeugten Spannungen zugeführt. Auf diese Weise werden die geeigneten Spannungen den Flüssigkristallelementen LC,,,., LC^2'usw. aufgeprägte Es sei angenommen, daii der von dem Zeilentreiber S^ gelieferte Impuls fairs vor der Zeit endet, an des die tog den Spaltengeneratoreo erseugten Pulse enden, so werdeα die Transistoren der Zeile 1 alle gesperrt, imu. es bleiben die von den Spalte nge aerator en bestimmten Spannungen an aea aus Kondensator und Flüssigkristallseil® bestehenden Koabioatioaea bis sun Ssda der laufeadea BIMperiode bestellen, oaciidem d©r ¥orgaog wiedssiiolt wlreL Wenn bsi dem nächsten Bild die Aaplifc&ie ele&s speziellen Spalfeealmpulses größer- ist als bei des vorhergehenden Bild, wird dar Farall@lkoMbißatia-ti ψοβ. Fliissigkrlstallsel-Ie und Sondensator zusätslicfes Ledimg augeführt, s© daß sie bei einer höner-es? Sp-SEßUiig b-elesg(Sß. wirda fiesti dagegen die Amplitude kleiosr ist-j wisä Ladung afegesc-ges, und es bleibt "die Kombia&tla,n, Uei ®ia®i? niedrigeren Spannung. D& der Faldeffe-tfe'er-aiisisfcorj ßachdes» ©r vom 2eil@ngenerator Is den l@It»(?adga Zustand versefest wurde, la beiden Richtung©s. sti-&£ls£ti£Ed Istc, wird fcein .Eiickstellimpuls b@riöfclgfec QmrnM. bsi d@r vorstehenden Besehreibung das ITorlisgsa ¥qe F@ld@ffekttransistoren vom li-Überschußtjp aGgsEStsseEL wordea isfe? könasa gleichartige fc>chaltungsaiior-dß-siEig©E eiisö. ©it- f©ld.©f£ekttr&nsisto-.ren vom P-Übereeimltyg. oder K- oder verwendet werdeE3
Aus Fig. 2, welche das Ansteuerungsschema eines Flüssigkristall-Bildschirms nach der Erfindung nach Art eines schematischen Schaltbildes wiedergibt, ist ersichtlich, daß es sich auch hier um eine Feldeffekttransistor-Kondensator-Ansteuerung handelt, bei der jeweils eine ganze Zeile gleichzeitig angesteuert wird. Es ist jedoch zu beachten, daß bei der erfindun^sgemäßen Anordnung der Kondensator 26 unmittelbar zwischen den Kollektor und das Gatt des Transistors 20 geschaltet ist, wodurch eine Notwendigkeit für eine Verbindung zwischen dem Kondensator und einer besonderen Masseebene vermieden ist. Auf diese Weise wird die Herstel-lung einer integrierten Anordnung in der Praxis bedeutend erleichtert, was aus den folgenden Ausführungen noch deutlicher werden wird.
Ss sei angenommen, daß das von einem Zeilengenerator, beispielsweise R1, gelieferte Einsghaltsignal ein positiver Impuls ist, wie er durch die Kurve 29 dargestellt wird, während das Signal der verschiedenen Spaltengeneratoren CL, Cp usw. ein negatives Analogsignal ist, dann wird die Spannung, die dem Kondensator C11 zu Beginn zugeführt wird, die vom Spaltengenerator C1 gelieferte analoge Spannung 30 um einen Betrag überschreiten, der durch den Einschaltimpuls bestimmt ist. Wenn jedoch die Spannung des Einschaltimpulses auf 0 zurückgeht, wodurch der Transistor T11 abgeschaltet wird, so ist die Spannung, die am Kondensator C11 stehen bleibt, im wesentlichen gleich der vom Spaltengenerator C1 gelieferten Spannung, und es liegt der Kondensator C11
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funktionell parallel zu dem Flüssigkristallelernent LC1.., wobei angenommen ist, daß während der Eestzeit jeder Bildperiode der Zeilengenerator R^ einen nur geringen Widerstand nach Masse aufweist.
Ss ist demnach ersichtlich, daß der Kondensator 26, obwohl er dem Aufbau nach parallel zur Gatt-Kollektor-Strecke des Transistors liegt, funktionell während der gröisten Zeit einer Bildperiode parallel zum Flüssigkristallelement liegt und dadurch effektiv die Ansprechzeit des Flüssigkristalls und danach dessen dielektrische Relaxationskonstante erhöht. Der Kondensator 26 sollte so bemessen sein, daß seine Kapazität wenigstens um eine Größenordnung größer ist als diejenige des Flüssigkristallelements 27, damit die Ladung erhalten bleibt, bis der Flüssigkristall reagieren kann.
Wenn der Flüssigkristall mit Emulsionsspeicherung arbeitet, kann-die dargestellte Information durch ein negatives Wechselstromsignal auf den verschiedenen Zeilenleitungen oder von der Masseseite des Flüssigkristalls gelöscht werden. Wenn der Flüssigkristall dagegen mit dynamischer Streuung arbeitet, kann auf die Zeilenleitungen von den verschiedenen Zeilengeneratoren R.J, R2 usw. Zeile für Zeile ein negativer Steuerimpuls zur Kontrasterhöhung gegeben werden. Es sei jedoch erwähnt, daß diese Maßnahme nicht notwendig ist, da beim Schreiben jedes Bildes automatisch die Parallelkombination von Flüssigkristallelement und Kondensator auf die
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neue Spaltenspannung gebracht wird, weil der Feldeffekttransistor in beiden Richtungen Strom übertragen kann.
Für Flüssigkristalle mit dynamischer Streuung bestimmt das Verhältnis des Sperrwiderstandes des Feldeffekttransistors zum Vorwärtswiderstand in hohem Maße die
Ladegeschwindigkeit, während der Sperrwiderstand die
Speicherung der Ladung im Kondensator bestimmt. Bei
Flüssigkristallen mit Emulsionsspeicherung kann ein
größerer Parallelkondensator erwünscht sein, weil das
Flüssigkristallmaterial eine größere Leckrate hat. Ein Betreiben des Bildschirms mit Fernsehfrequena ex'iordert, daß die RG-Zeitkonstante zum. Aufladen des Speicherkondensators im Bereich von Mikrosekuaden liegt? während
die Sntlade-Zeitkoostante bei gesperrtem Transistor
größer sein muß als die Millisekunden, die zum Erregen des Flüssigkristalls benötigt werden. Diese Foraerungeß ergeben, daß das Verhältnis von Sperrwiderstand zu
Durchlaßwiderständ des Transistors wenigstens drei Größenordnungen beträgt. Bei einem Bildschirm mit 20 Elementen pro cm kann dem Pufferkondensator eise Kapazität
—10 —12
im Bereich von 10 bis 10 F pro Element gegeben
werden^ ά. h. den 1- bis 100-fachen Wert dar Kapazität des Flüssigkristallelements. Demgemäß ist bei einem
—10
Nennwert von 10 F des Fufferkondensators und einer .
Ansprechzeit des Flüssigkristalls von 10 ms ein Sperrwiderstand des Transistors von mehr als 10 Ohm erforderlich. Diese Betrachtungen bestimmen die Anforderungen an die Transistoreigenschaften. Für einen Betrieb
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- ίο -
mit Fernsehfrequenzen, nämlich einer Bildfrequenz von 30 Hz, 55/US Schreibaeit pro Zeile und 525 Zeilen, und unter Berücksichtigung der Eigenschaften von MBBA als Flüssigkristall sind die für di® Transistoren eines Flussigkristall-Bildschirics erforderlichen Betriebseigenschaften, in der folgenden--TabaU© susammengefaiit.
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nach der Srf iüidußg ws^dda aus aa Haad der Fig. 3 »ißd 4 erläutert j ψοίί ds neu S"'ig. 3 siaea Abseimitt eiaes Tollstäiiaiggn Eildscliirias im Querschnitt und Fig. 4- die SransistoraEordoiiiig auf aiaesi Substrat, ohne schützende Backsehicfefc, in aufgebrochener Perspefc« tive zeigt. Is ist ersichtlich, daß der gesamte Plüssigkristall-Bilaschirffi eine Deckplatte 4-0 mit einer durchsieht ige α, leitenasE Beschiehtiißg 419 einen Träger
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42, auf dem eine Vielzahl von Gattleitungen 44 aufgebracht ist, die von einer Isolierschicht 46 bedeckt sind, und eine Halbleiterschicht 48 umfaßt. Auf der oberen Fläche der Halbleiterschicht 48 sind Emitterleitungen 50 gebildet, die rechtwinklig zu den Gattleitungen 44 verlaufen. Jeder Schnittpunkt zwischen diesen Leitungen definiert eine Elementarzelle. Für jede Elementarzelle ist auf der oberen Fläche der Halbleiterschicht 48 jeweils auch ein Kollektorflecken 52 unmittelbar neben einer Emitterleitung 50 und unmittelbar über einer Gattleitung 44 aufgebracht. Der Kollektorflecken hat eine relativ grolie Fläche und dient nicht nur als Kollektorelektrode für den Feldeffekttransistor, sondern bildet auch eine Platte eines Speicherkondensators und kann eine reflektierende Elektrode bilden, die in Verbindung mit der Deckplatte 40 dazu dient, das benachbarte Flüssigkristallmaterial 54 zu aktivieren. Eine schützende Deckschicht 56» die aus Calciumfluorid und Siliciumoxid oder Quarz bestehen kann, kann dann auf die gesamte Anordnung aufgebracht werden. Der Zweck dieser Schicht, besteht darin, die Stabilität der einzelnen Feldeffekttransistoren zu verbessern und weiterhin unerwünschte elektrochemische Reaktionen zwischen dem Flüssigkristall und den freiliegenden Abschnitten der Halbleiterschicht 48 zu verhindern.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind in der Deckschicht 56 über den Kollektorflecken 52 Löcher vorgesehen, um einen Stromfluß von den einzelnen Kollektor-JTlecken zu der leitenden Beschichtung 41 zu ermöglichen.
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Es sei jedoch bemerkt, daß dann, wenn für den Flüssigkristall 54 ein reiner Feldeffektbetrieb beabsichtigt ist, die Löcher 58 entbehrlich sind.
Bei einer als Beispiel ausgeführten Matrix, die eine
ρ Auflösung von 12 Linien pro cm oder 144- Zellen pro cm aufwies, hatten die Kollektorflecken eine Größe von etwa 0,7 x 0,7 mm , womit eine reflektierende Oberfläche von mehr als 70 % geschaffen wurde. Die reflektierende Gesamtfläche kann 75 % überschreiten, wenn die Reflexion an den Emitterleitungen 50 mit einbezogen wird.
Bin betriebsfähiger Bildschirm weist selbstverständlich Flüssigkristallmaterial 5^· auf, das sich zwischen der Tragplatte 42 und der Deckplatte 40 befindet. Nicht dargestellte, geeignete Abstandshalter aus Kunststoff (Mylar) dienen dazu, die geeignete Dicke der Flüssigkristallschicht einzuhalten. Die leitende Beschichtung 41 kann entweder' eine durchgehende Schicht oder ein Linienmuster sein, das mit den Gattleitungen 44 übereinstimmt, um die Möglichkeit der Zufuhr der Videosignale über die Beschichtung 41 zu geben.
Für einen Betrieb mit dynamischer Streuung kann als Flüssigkristall für den Bildschirm MBBA Verwendung finden, dessen chemische Bezeichnung n-(p-Methoxybenzyliden)-p-n-butylanilin ist und das 2,3 % Cholestan und 1 % eines Zwitterionen-Dotierungsmittels enthält. Dieses Material hat einen niederen Anfangs-Schwellenwert
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von nur 2,5 V.
Die Isolierschicht 46 kann beispielsweise entweder aus Siliciummonoxyd oder Aluminiumoxyd, aber auch aus jedem anderen Isolator mit einer geeigneten Dielektrizitätskonstante, bestehen und ist ebenso wie die Halbleiterschicht 48, die beispielsweise aus CdSe oder CdS bestehen kann, durch übliche Verfahren der Dünnschichttechnik aufgebracht. Die Gattleitungen 44 können aus Chrom oder Aluminium bestehen und können durch Ätz- oder Maskieruiigsverfahren auf dis aus Glas bestehende Tragplatte 42 aufgebracht sein. Die Emitterleitungen 50 und die Kollektorflecken 52 bestehen aus einem reflektierenden Metall, beispielsweise Silber, und können auf photolithographische Weise gebildet sein. Da die Emitterleitungen und die Eollektorflecken im gleichen Arbeitsgang gebildet werden, wird ihre Belativstellung mit Sicherheit eingehalten, und es ist eine Ausrichtung nur hinsichtlich der Stellung der Kollektorflecken über den Gattleitungen 44 erforderlich, was im Hinblick auf die relativ große Breite der Gattleitungea ohne Schwierigkeiten möglich ist.
Die vorstehenden Ausführungen setzen einen reflektierenden Bildschirm voraus, bei dem das Licht von den Kollektorflecken 52 zum Beobachter reflektiert wird. Wenn jedoch ein durchsichtiger Bildschirm erwünscht ist, kann zu diesem Zweck ein. relativ durchsiehtigea leitendes Material für die Elektroden, nämlich die Gattleitungen 44, die Emitterleitungen 50 und die
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Kollektorfleckeü 52 benutzt werden,, wie beispielsweise Indii2inoxidt Cadaiiunioxid oder Slnaoxid, Auch die Durchsichtigkeit der HalbleiierseMci.it 48 kann durcia die Wahl eines-geeignetes Materials oder durch eine Beschränkung des Halbleitaraiatsrials auf diskrete Flecken im. Kanalbersieii aeiseiiea Kollektor und Esifcterelektrodea verbessert werde γα.
Aees dem Yorsöeiiendaa ist @isiefetiiehs daß aio Flüssigkristall-Bildschirm sack" des- Irfladung unter Anwendung der DüanssMelit-!Trans ist ort QeMiE^ leicht hergestellt werden feaaa uo.d die Größe des Bildschirms sowie die Anzalil der dai?ia eßtlialesa^si 31@ai@ßta ßyr durch die zur
ist.
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Claims (2)

  1. - 15 -
    Patentansprüche
    Flüssigkristall-Bildschimi mit JÄatrixansteuerunr;, der eine Tragplatte mit einer auf einer Seite aufgebrachten Transistormatrix, die eine Vielzahl von Gattleitungen und eine Vielzahl die Gattleitungen kreuzender .Emitterleitungen aufweist, eine Deckplatte, die mit einer durchsichtigen leitenden Schicht bedeckt ist, und eine zwischen der Transistormatrix und der leitenden Schicht angeordnete Flüssigkristallschicht umfaBt, dadurch gekennzeichnet, daii jeder Transistor (10) der Transistormatrix einen leitenden Kollektorfleck (52) aufweist, der mit der dem jeweiligen Transistor zugeordneten Gattleitung (44·) kapazitiv gekoppelt ist.
  2. 2. Flüssigkristall-Bildschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gattleitungen (44) eine wenigstens annähernd konstante Breite haben, die der Breite der Kollektorflecken (52) im wesentlichen gleich ist.
    $. Flüssigkristall-Bildschirm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dali die Kollektorflecken (52) aus einem reflektierenden Material bestehen.
    4-. Flüssigkristall-Bildschirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die mit den Gattleitungen (44) versehene Oberfläche
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    der Tragplatte (4-2) eine Isolierschicht (4-6) und darauf eine Halbleiterschicht (4-8) aufgebracht ist, die Emitterleitungen (50) und die Kollektorflecken (52) auf der Halbleiterschicht (48) aufgebracht sind und die Kollektorflecken (52) in der Uähe der Kreuzungspunkte zwischen den Gattleitungen (44-) und den Emitterleitungen (50) angeordnet sind.
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    fr
    Leerse ite
DE2419170A 1973-05-07 1974-04-20 Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixansteuerung Expired DE2419170C3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

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US35825973 US3824003A (en) 1973-05-07 1973-05-07 Liquid crystal display panel

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DE2419170B2 DE2419170B2 (de) 1977-12-22
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JP (1) JPS5639477B2 (de)
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GB (1) GB1446137A (de)
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