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DE2419170C3 - Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixansteuerung - Google Patents

Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixansteuerung

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DE2419170C3
DE2419170C3 DE2419170A DE2419170A DE2419170C3 DE 2419170 C3 DE2419170 C3 DE 2419170C3 DE 2419170 A DE2419170 A DE 2419170A DE 2419170 A DE2419170 A DE 2419170A DE 2419170 C3 DE2419170 C3 DE 2419170C3
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drain
matrix
crystal screen
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Nobuo J. Vista Koda
Lewis T. Olivenhain Lipton
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Raytheon Co
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Hughes Aircraft Co
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Publication date
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixansteuerung, der eine Tragplatte mit einer auf einer Seite aufgebrachten Feldeffekt-Transistormatnx. die eine Vielzahl von Gateleitungen und eine Vielzahl die Gateleitungen kreuzender Sourceieitungen aufweist, eine Deckplatte, die mit einer durchsichtigen leitenden Schicht bedeckt ist. und eine zwischen der Matrix und der leitenden Schicht angeordnete Flüssigkristallschicht umfaßt.
In dem Aufsatz »Liquid Crystal Displays« von Bernard ). Letchner. erschienen in »Pertinent Concepts in Computer Graphics«, University of Illinois Press. 1969. ist eine Anzahl von Methoden zur Ansteuerung für Flüssigkristall-Bildschirme mit Matrixanordnungen behandelt, darunter eine »einfache« Anordnung, die eine vorgespannte Diode pro Darstellungselemeni umfaßt, eine Doppel-Dioden-Kondensa· lor-Anordnung und eine Feldeffekttransistor-Kondensator-Anordnung. In dem Artikel ist betont, daß ein wirtschaftlich brauchbarer Flüssigkristall-Matnxbildschirm offensichtlich voraussetzt, daß die Schaltungsanöfdnutigen in integrierter Form hergestellt w.erden, obwohl eiii Vollständiger Bildschirm Metallisierungen in vielen Ebenen und eine hohe Ausbeute auf einef großen Stlbslratfläche erfordern. Diese Bedingungen sind bei den bekannten FlüssigkristaluBüdschirmen nur mit fraßen Schwierigkeiten zu erfüllen.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Matrixanordnung zur Ansteuerung von Flüssigkristall-Bildischirmen 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.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß jeder Feldeffekt-Transistor der Matrix einen leitenden Drainfleck aufweist, der mit der dem
ίο jeweiligen Transistor zugeordneten Gateleitungxapazitiv 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 Ternsehfrequenzen ermöglicht Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Bildschirms liegt darin, daß der leitende Drainfleck des Feldeffekttransistors gleichzeitig als eine Platte des Kondensators des Feldeffekttransistor- Kondensator-Mairixelements
dient, während ein Teil der Gateelektrode als andere Kondcnsatorplatte dient Dabei kann der DrainP.eck selbst die reflektierende Elektrode sein, die zum Ansieuern des Flüssigkristallmaterials dient so daß nur zwei Arten von Ansteuerleitungen in der Matrix benötigt werden, nämlich eine Art. die alle Gateelektroden einer Zeile verbindet, und eine zweite Art, die alle Sourceelektroden eir.sr 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 Anwendung finden. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer Feldeffekttransistor-Kondensator-Ansteuerung nach dem Stande der Technik.
F i g. 2 ein Schaltbild einer Matrixansteuerung nach der Erfindung,
F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Flüssigkristall-Bildschirms nach der Erfindung und
F ι g. 4 eine schematische isometrische Darstellung eines Teiles des Bildschirms nach F i g. 3.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß bei einer typischen Feldeffekttransisti 'r-Kondensator-Ansteuerung nach dem Stande der Technik jedes einzelne Matrixelement einen Feldeffekttransistor 10 umfaßt, dessen Gate mit einem Zeilentreiber 12 und dessen Source mit einem
ϊο Spaltentreiber 14 verbunden ist. Unmittelbar mit dem Drain des Transistors 10 ist eine Platte eines Kondensators 16 verbunden, dessen andere Platte mit Masse 18 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 diesen Widerstand lO^Ohm und für den Kondensator 1 pF.
Es sei nun die Arbeitsweise eine solchen Matrix betrachtet. Zwischen dem Anlegen eines elektrischen Signals an den Flüssigkristall und def Änderung Von dessen optischen Eigenschaften besieht eine Verzöge*
rung. Im statischen Zustand ist der Kontrast eine stetige, monotone Funktion der Spannung. Infolgedessen kann in Abhängigkeit Von geeigneten Änderungen des Eingangssignals eine Gfauskala durchlaufen werden.
Pamit ein Matrix-Bildschirm mil einer relativ hohen Bildfrequenz betrieben werden kann, beispielsweise der Fernsehfrequenz, muß allgemein jedes Matrixelement sowohl Speichereigenschaften als auch einen Schwellenwert aufweisen. Bei der Anordnung nach F i g. 1 erzeugt der Feldeffekt-Transistor 10 einen Schwellenwert, während der Kondensator 16 eine Speicherung bewirkt, welche die Zeit, während der eine Signalspannung am Flüssigkristall anliegt, über dessen Relaxationszeit ausdehnt, wodurch der Flüssigkristall die Möglichkeit erhält, anzusprechen. Um eine zeilenweise Abtastung zu ermöglichen, wird jeweils der entsprechende Zeilenireiber, beispielsweise der Zeilentreiber Ri, 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 O, C: usw. geschaltet ist. Ein positives Signal vom Zeilentreiber /?i führt den Feldeffekttransistoren der Spalte 1 eine Vorspannung zu, so daß sie leitend werden, und es werden den entsprechenden Kondensatoren Cn, Cu usw. die von den verschiedenen Spaltengeneratoren G. Ci,.. „ Cn erzeugten Spannungen zugeführt. Auf diese Weise werden die geeigneten Spannungen den Flüssigkristallelementen LCu, LCi2 usw. aufgeprägt. Es sei angenommen, daß der von dem Zeilentreiber Ri gelieferte Impuls kurz vor der Zeit endet, an dem die von den Spaltengeneratoren erzeugten Pulse enden. Dann werden die Transistoren der Zeile 1 alle gesperrt, und es bleiben die von den Spaltengeneratoren bestimmten Spannungen an den aus Kondensator und Flüssigkristallelement bestehenden Kombinationen bis zum Ende der laufenden Bildperiode bestehen, nach der der Vorgang wiederholt wird. Wenn bei dem nächsten Bild die Amplitude eines speziellen Spaltenimpulses größer ist als bei dem vorhergehenden Bild, wird der Parallelkombination von Flüssigkristallelement und Kondensator zusätzliche Ladung zugeführt, so daß sie bei einer ' öheren Spannung belassen wird. Wenn dagegen die Amplitude kleiner ist, wird Ladung abgezogen, und es bleibt die Kombination bei einer niedrigeren Spannung. Da der Feldeffekttransistor, nachdem er vom Zeilentreiber in den leitenden Zustand versetzt wurde, in beiden Richtungen stromleitend ist. wird kein Rücksteliimpuls benötig.. Obwohl bei der vorstehenden Beschreibung das Vorliegen von Feldeffekttransistoren vom N-Uberschußtyp angenommen worden ist, können gleichartige Schaltungsanordnungen auch mit Feldeffekttransistoren vom P-ÜberschuBtyp oder N- oder P-Verarmungstyp verwendet werden.
Aus F i g. 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 erfindungsgemäßen Anordnung der Kondensator 26 unmittelbar zwischen Drain und Gate des Transistors 20 geschaltet ist. wodurch eine Notwendigkeit für eine Verbindung zwischen dem Kondensator und Masse vermieden ist. Auf diese Weise wird die Herstellung einer integrierten Anordnung in der Praxis bedeutend erleichtert, was aus den folgenden Ausführungen noch deutlicher werden wird.
Es sei angenommen, daß das von einem Zeilentreiber, beispielsweise Ri1 gemeierte Einschaltsignal einen positiven Impuls aufweist, wie er durch die Kurve 29 dargestellt wird, während das Signal der verschiedenen Spaltengeneratoren Ci, Cs usw. ein negatives Analogsignal ist. Dann wird die Spannung, die dem Kondensator C\ ι zu Beginn zugeführt wird, die vom Spaltengenerator Ci 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 Feldeffekt Transistor Tii abgeschaltet wird, so ist die Spannung, die am Kondensator Cn stehenbleibt, im wesentlichen gleich der vom Spaltengenerator Ci geliefeiten Spannung, und es liegt der Kondensator Cu funktionell parallel zu dem Flüssigkristallelement LCu, wobei angenommen ist, daß während der Restzeit jeder Bildperiode der Zeilentreiber Ri einen nur geringen Widerstand gegen Masse aufweist
Es ist demnach ersichtlich, daß der Kondensator 26, obwohl er dem Aufbau nach parallel zur Gate-Drain-Strecke des Transistors liegt, funktionell während der größten Zeit einer Bildperiode para'H zum Flüssigkristaüelement liegt und dadurch effektiv die Ansprechzeit des Flüssigkristalls und danach dessen dielektrische Relaxationskonstante erhöht. Der Kondensator 26
>5 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 Emulsionsspeirherung
Jo 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 Ri, Ri usw. Zeiie 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 neue Spr'tenspannung gebracht wird, weil der Feldeffekttransistor in beiden Richtungen Strom übertragen kann. Für Flüssigkristalle mit dynamischer Streuung be· stimmt 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 Parailelkondensator erwünscht sein, weil das Flüssigkristallmaterial eine größere Leckrate hat. Ein Betreiben des Bildschirms mit Fernsehfrequenz erfordert, daß die /?C-Zeitkonstar.'.e zum Aufladen des Speicherkondensators im Bereich von Ivlikrosekunden liegt, während die Entlade-Zeitkonstante bei gesperrtem Transistor größer sein muß als die Millisekunden, die zum Erregen des Flüssigkristalls benötigt werden. Diese Forderungen ergeben, daß das Verhältnis von Sperrwiderstand zu Durchlaßwiderstand des Transistors wenigstens drei Größenordnungen beträgt. Bei einem Bildschirm mit 20 Elementen pro cm kann dem Pufferkondensator eine Kapazität im Bereich von 10-'° bis 10-'2F pro Element gegeben werden, d.h. der 1· bis !OOfache Wert der Kapazität des Flüssigkri-Stallelements. Demgemäß ist bei einem Nennwert von jO-m F des Pufferk«ndensptors 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 mit Fernsehfrequenzen, nämlich einer Bildfrequenz von 30 Hz, 55 us Schreibzeil pro Zeile und 525 Zeilen, und unter Berücksichtigung der Eigenschaften von MBBA als Flüssigkristall sind die für die Transistoren eines Flüssigkristall-Bildschirms erforderlichen Betriebseigenschaften in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
Betriebseigenschaften der Transistoren
Gefordert Erreicht
Mindestverhältnis von 103-KH 2 · 103
Sperr- zu Durchlaß
widerstand
Mindest-Sperrwiderstand 108- 2 · 109 Ohn
Rsd 10« Ohm
Betriebsspannung Vsd 30 V 30 V
Mindest-Durchlaßstrom Isd 10 uA 40 μΑ
Auflösung von 12 Linien pro cm oder 144 Zellen pro cm2 aufwies, hatten die Drainflecken eine Größe von etwa 0,7 χ 0,7 mm2, womit eine reflektierende Oberfläche von mehr als 70% geschaffen wurde. Die reflektierende Gesamtfläche kann 75% überschreiten, wenn die Reflexion an den Sourceleitungen 50 mit einbezogen wird.
Ein solcher betriebsfähiger Bildschirm weist also Flüssigkristall 54 auf, der sich zwischen der Tragplatte 42 und der Deckplatte 40 befindet. Nicht dargestellte, geeignete Abstandshalter .ms Kunststoff (Mylar) dienen dazu, die geeignete Dicke der Flüssigkristallschicht einzuhalten. Die leitende Beschichtung 4) kann entweder eine durchgehende Schichl oder ein Linienmuster sein, das mit den Gatelcilungen 44 übereinstimmt, um die Möglichkeit der Zufuhr der Videosignale über die Beschichtung 41 zu geben.
Einzelheiten des Aufbaues einer Dünnschicht-Transistoranordnung nach der Erfindung werden nun an Hand der Fig.3 und 4 erläutert, von denen Fig.3 den Querschnitt durch einen Abschnitt eines vollständigen Bildschirms und Fig.4 die Transistoranordnung auf einem Substrat, ohne schützende Deckschicht, in aufgebrochener Perspektive zeigt. Es ist ersichtlich, daß der gesamte Flüssigkristall-Bildschirm eine Deckplatte 40 mit einer durchsichtigen, leitenden Beschichtung 41, eine Trägerplatte 42, auf dem eine Vielzahl von Gateleitungen 44 aufgebracht ist. die von einer Isolierschicht 46 bedeckt sind, und eine Halbleiterschicht 48 umfaßt. Auf der oberen Fläche der Halbleiterschicht 48 sind Sourceleitungen 50 gebildet, die rechtwinklig zu den Gateleitungen 44 verlaufen. Jeder Schnittpunkt zwischen diesen Leitungen definiert eine Elementarzelle. Für jede Elementarzelle ist auf der oberen Fläche der Halbleiterschicht 48 jeweils auch ein ni-ainfWli-pn 5? unmittelbar neben einer Sourceleituns 50 und unmittelbar über einer Gateleitung 44 aufgebracht. Der Drainflecken hat eine relativ große Fläche und dient nicht nur als Drainelektrode 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, den benachbarten Flüssigkristall 54 zu aktivieren. Eine schützende Deckschicht 56, die aus Calciuöfluorid 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 frei liegenden Abschnitten der Halbleiterschicht 48 zu verhindern.
Bei der Ausführungsform nach Fig.3 sind in der Deckschicht 56 über den Drainflecken 52 Löcher vorgesehen, um einen Stromfluß von den einzelnen Drainflecken zu der leitenden Beschichtung 41 zu ermöglichen. 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 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 von nur 2.5 V.
Die Isolierschicht 46 kann beispielsweise entweder aus Siliciummonoxyd oder Aluminiumoxyd, aber auch aus je Jem 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 Gateleitungen 44 können aus Chrom oder Aluminium bestehen und können durch Ätz- oder Maskierungsverfahren auf die aus Glas bestehende Tragplatte 42 aufgebracht sein. Die Sourceleitungen 50 und die Drainflecken 52 beütehen aus einem reflektierenden Metall, beispielsweise Silber, und können auf photolithographische Weise gebildet sein. Da die Sourceleitungen und die Drainflecken im gleichen Arbeitsgang gebildet werden, wird ihre
Relativstellung mit Sicherheit eingehalten, und es ist eine AusrichtunH nur hinsichtlich der Stellung der Drainflecken über den Gateleitungen 44 erforderlich, was im Hinblick auf die relativ große Breite der Gateleitungen ohne Schwierigkeiten möglich ist,
Die vorstehenden Ausführungen setzen einen reflektierenden Bildschirm voraus, bei dem das Licht von den Drainflecken 52 zum Beobachter reflektiert wird. Wenn jedoch ein durchsichtiger Bildschirm erwünscht ist, kann zu diesem Zweck ein relativ durchsichtiges leitendes
so Material für die Elektroden, nämlich die Gatelc. rangen 44, die Sourceleitungen 50 und die Drainflecken 52 benutzt werden, wie beispielsweise Indiumoxid, Cadmiumoxid oder Zinnoxid. Auch die Durchsichtigkeit der Halbleiterschicht 48 kann durch die Wahl eines geeigneten Materials oder durch eine Beschränkung des Halbleitermaterials auf diskrete Flecken im Kanalbereich zwischen Drain und Sourceelektroden verbessert werden.
Aus dem Vorstehenden Ist ersichtlich, daß ein Flüssigkristall-Bildschirm nach der Erfindung unter Anwendung der Dünnschicht-Transistortechnik leicht hergestellt werden kann und die Größe des Bildschirms sowie die Anzahl der darin enthaltenen Elemente nur durch die zur Herstellung verfügbaren Einrichtungen beschränkt ist
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixamiteuerung, der eine Tragplatte mit einer auf einer Seite aufgebrachten Feldeffekt-Transistormatrix, du: eine Vielzahl von Gateleitungen und eine Vielzahl die Gateleitungen kreuzender Sourceleitungen aufweist, eine Deckplatte, die mit einer durchsichtigen leitenden Schicht bedeckt ist, und eine zwischen der Matrix und der leitenden Schicht angeordnete Flüssigkristallschicht umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Feldeffekt-Transistor (20) der Matrix einen leitenden Drainfleck (52) aufweist, der mit der dem jeweiligen Transistor zugeordneten Gateleitung (44) kapazitiv gekoppelt ist (F ig. 2,3,4).
2. Flüssigkristall-Bildschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateleitungen (44) eine wenigstens annähernd konstante Breite haben, die der Breite der Drainflecken (52) im wesentlichen gleich ist (F i g. 4).
3. Flüssigkristall-Bildschirm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainflecken (52) aus einem reflektierenden Material bestehen.
4. Flüssigkristall-Bildschirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die mit den Gateleitungen (44) versehene Oberfläche der Tragplatte (42) eine Isolierschicht (46) und darauf eine Halbleiterschicht (48) aufgebracht ist, die Sourceleitungen (50) und die Drainflecken (52) auf der Halbleiterschicht (48) aufgebracht sind und die Drainflecken (52) in der Nähe der Kreuzungspunkte zwischen den Gateleitungen (44) und den Sourcsleitungen (50) angeordnet sind (F ig. 3.4).
DE2419170A 1973-05-07 1974-04-20 Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixansteuerung Expired DE2419170C3 (de)

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