Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей и способ его управления

Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей и способ его управления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 так называемый 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), pp.127-128, 1971) и супертвист-эффект (или STN - ЖК-структура, закрученная на угол 160°…270°) (например, T.J. Scheffer, J. Nehring, "A New Highly Multiplexable Liquid Crystal Display", Applied Physics Letters, v. 45 (10), pp.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°, некоаксиальное 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 и формах напряжения во время записи строки, а не среднеквадратичное (за несколько кадров) его значение. Контраст и времена переключения также улучшаются, поскольку определяются амплитудным напряжением, а не крутизной ВКХ (вольт-контрастной характеристики).

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.Heffner, J. Appl. Phys., 52 (1981), 3032: D.W.Berreman, J. Opt. Soc. Amer, 63 (1973), 1374]; ϕ и ϕ+2π при некоторых фиксированных значениях ϕ [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 2π-BTN [D.W.Berreman, W.R.Heffner, 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 π-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]; ϕ и ϕ+π при некоторых фиксированных значениях ϕ [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.

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.

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 JP №2002169160, он же европейский ЕР № 1091236), 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 (в данной области технике так обычно называют структуру с расположением жидкокристаллических молекул параллельно друг другу и с небольшим углом наклона относительно поверхности электродов) в исходную bend-конфигурацию (в данной области технике так обычно называют структуру с расположением жидкокристаллических молекул параллельно друг другу и с небольшим углом наклона относительно перпендикуляра к поверхности электродов) 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 оптически активной хиральной добавки, при которой шаг спирали Р удовлетворяет соотношению 2d₂<P<2d₁, где d₁ - межэлектродное расстояние в рабочей части пикселя, a 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.

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, pp.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, в котором предлагают использовать близость энергетических уровней для исключения образования конфигураций с ненулевым углом закрутки (в том числе, π-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. Время 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, так как 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, pp.4291-4293; X.J.Yu, H.S. Kwok, Bistable bend-splay liquid crystal display, Applied Physics Letters, vol.85. No. 17, 25 October 2004, pp.3711-3713; X.J.Yu, H.S. Kwok, Bistable bend-splay LCD, SID'04 Digest, pp.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 θ 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.

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.

Конструкция жидкокристаллического дисплея с вертикально-горизонтальным переключением направления электрического поля согласно международной заявке WO № 2005/040899 заключается в следующем. На пластину последовательно нанесены полосчатые проводящие слои и ориентирующий слой. 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 слоя 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 поляроидная пленка-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 2 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. Важнейшими из них являются: низкая световая эффективность (при используемой в примере 4 мкм ширине гребенчатого электрода и расстоянии 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.

Известны конструкция пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея и способ его управления, описанные в работе J.C.Kim et al. Bistable property in a splay cell with chiral additive, IMID'03 Digest, pp.555-558; J.C. Kim et al, A Novel Liquid Crystal Display Device for Memory Mode and Dynamic Mode, IMID'05 Digest, pp.567-570. J.C.Kim et al. Авторы предлагают конструкцию дисплея с переключением вертикальным электрическим полем исходной splay-конфигурации в вертикальную конфигурацию, которая после прекращения подачи напряжения релаксирует в закрученную на 180° (π) - 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 20 В в течение 0.5 сек преобразуется сначала в bend-конфигурацию, которая затем релаксирует в 180° π-конфигурацию. После приложения напряжения 20 В длительностью 0.7 сек 180° π-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 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.

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, IMTD'03 Digest, pp.555-558; J.C. Kirn et al, A Novel LCD Device for Memory Mode and Dynamic Mode, IMID'05 Digest, pp.567-570] и 6 мкм в [Международная заявка (WO) №2005/040899] апертуры (отношение изменяющей контраст части пикселя (в данном случае - 4×4 мкм) к общей площади пикселя (8×8 или 10×10 мкм) относительное пропускание составит 25 и 16% соответственно. Еще одним недостатком является то, что расположение электродов на двух подложках усложняет технологический процесс и повышает стоимость прибора.

Наиболее близким аналогом-прототипом по техническому решению к изобретению является конструкция пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея и способ его управления, описанные в заявке № 2006131259, G02F 1/13, опубл. 10.03.2008, формула изобретения (2 страницы) - патент RU № 2335004, состоящая 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, в пассивно-матричном жидкокристаллическом дисплее толстопленочный изолирующий слой со вторым проводящим слоем расположены в пространстве между элементами первого проводящего слоя с возможностью использования в качестве черной маски.

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, 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.

Недостатками данных устройства и способа являются невозможность отображения информации в реальном масштабе времени, пониженная световая апертура и повышенная стоимость прибора.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлены заявляемые технические решения (устройство и способ), заключается в возможности отображения информации в реальном масштабе времени при существенном увеличении световой апертуры и снижении стоимости, а также в повышении контраста включенного изображения относительно выключенного.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в пассивно-матричном жидкокристаллическом дисплее, состоящем из двух соединенных в пакет подложек с нанесенными на внутреннюю поверхность первой подложки первым прозрачным проводящим слоем, первым изолирующим слоем и ориентирующим слоем, при этом на вторую подложку нанесен только ориентирующий слой, размещенного внутри пакета жидкокристаллического вещества и элементов матрицы, на первом изолирующем слое первой подложки расположен в виде полос второй изолирующий слой, а на полосах второго изолирующего слоя расположены последовательно второй проводящий слой и ориентирующий слой, при этом каждый элемент матрицы формируется на ортогональном пересечении первого прозрачного проводящего слоя и промежутка между двумя соседними полосами второго проводящего слоя.

Кроме того, в пассивно-матричном жидкокристаллическом дисплее первый прозрачный проводящий слой ортогонален выполненному в виде полос второму изолирующему слою и второму проводящему слою, расположенному на полосах второго изолирующего слоя.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе управления пассивно-матричным жидкокристаллическим дисплеем, включающем последовательную подачу напряжения на полосчатые электроды, составляющие первый проводящий слой первой подложки, и информационного сигнала, подают напряжение U_S одновременно ко всем полосам первого проводящего слоя первой подложки, информационный сигнал ±U_D подают на полосчатые электроды, сформированные первым проводящим слоем первой подложки, и для включения элемента матрицы, сформированного на ортогональном пересечении первого прозрачного проводящего слоя и промежутка между двумя соседними полосами второго проводящего слоя, подают напряжение «-U_D» ко всем полосам второго проводящего слоя первой подложки, а для выключения указанного элемента матрицы подают напряжением «-U_D» к нечетным полосам второго проводящего слоя и напряжение «+U_D» к четным полосам второго проводящего слоя первой подложки.

Таким образом, пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей состоит:

- из двух соединенных в пакет подложек,

- на внутреннюю поверхность первой подложки нанесены первый прозрачный слой, первый изолирующий слой и ориентирующий слой,

- на вторую подложку нанесен только ориентирующий слой,

- жидкокристаллическое вещество, размещенное внутри пакета,

- элементы матрицы,

- на первом изолирующем слое первой подложки расположен в виде полос второй изолирующий слой;

- на полосах второго изолирующего слоя расположены последовательно второй проводящий слой и ориентирующий слой;

- каждый элемент матрицы сформирован на ортогональном пересечении первого прозрачного проводящего слоя и промежутка между двумя соседними полосами второго проводящего слоя;

- первый прозрачный проводящий слой ортогонален выполненному в виде полос второму изолирующему слою и второму проводящему слою, расположенному на полосах второго изолирующего слоя.

Согласно способу управления пассивно-матричным жидкокристаллическим дисплеем включает:

- последовательную подачу напряжения на полосчатые электроды, составляющие первый проводящий слой первой подложки, и информационного сигнала,

- подают напряжение U_S одновременно ко всем полосам первого проводящего слоя первой подложки,

- информационный сигнал ±U_D подают на полосчатые электроды, сформированные первым проводящим слоем первой подложки,

- подают напряжение «-U_D» ко всем полосам второго проводящего слоя первой подложки для включения элемента матрицы, сформированного на ортогональном пересечении первого прозрачного проводящего слоя,

- для выключения элемента матрицы подают напряжение «-U_D» к нечетным полосам второго проводящего слоя первой подложки,

- для выключения элемента матрицы подают напряжение «+U_D» к четным полосам второго проводящего слоя первой подложки.

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

На фиг.1 показана фронтальная проекция структуры пассивно - матричного жидкокристаллического дисплея с электродами на одной подложке.

На фиг.2 изображена конструкция электродов пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея с электродами на одной подложке в проекции сверху.

На фиг.3 конструкция электродов пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея изображена в боковой проекции.

На фиг.4 изображены структурные переключения дисплея с объемными электродами при исходной закрученной на 180° структуре ЖК-молекул. При наложении электрического поля на каждый второй электрод структура практически не изменяется. При наложении электрического поля между вершинами и основаниями объемных электродов создается незакрученная конфигурация.

На фиг.5 изображена принципиальная схема формирования ориентации на боковых гранях толстопленочных поверхностных структур при стандартном технологическом процессе (фиг.5а) и в три стадии облучения (фиг.5b).

На фиг.6а, 6b, 6с 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.6d, 6e, 6f изображены фотографии ЖК-дисплея при усовершенствованном процессе фотоориентации согласно фиг.5b. Видно, что зона разориентации отсутствует.

На фиг.7 дан пример практического исполнения дисплея. Фиг.7а: оптический отклик образца при подаче напряжения U_S=20В одновременно ко всем полосам строчного электрода (первого проводящего слоя), напряжения U_D=-20В к нечетным полосам второго проводящего слоя (знак «-» означает, что сигнал находится в противофазе с напряжением U_S), к четным полосам второго проводящего слоя - напряжения U_D=+20 В (образец выключен). Фиг.7b: оптический отклик образца при подаче напряжения U_S=20 В одновременно ко всем полосам строчного электрода (первого проводящего слоя), напряжения U_D=-20 В ко всем полосам второго проводящего слоя (образец включен).

На фиг.8 дан пример практического исполнения дисплея. Оптический отклик дисплея при мультиплексном управлении 1/44 (1 кадр «включено» + 1 кадр «выключено»),

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - подложка первая;

2 - первый проводящий слой;

3 - первый изолирующий слой;

4 - второй изолирующий слой;

5 - второй проводящий слой на вершине толстопленочного изолирующего слоя;

6 - ориентирующий слой на первой подложке;

7 - подложка вторая;

8 - ориентирующий слой на второй подложке;

9 - жидкокристаллическое вещество;

10 - поляроид на внешней поверхности первой подложки;

11 - поляроид на внешней поверхности второй подложки;

12 - элемент матрицы.

Предлагается жидкокристаллический дисплей с расположением строчного и столбцового электродов на одной из подложек.

Указанная структура схематически изображена на фиг.1. На подложке 1 (например, стеклянной или пластиковой) последовательно нанесены первый проводящий слой 2 (например, ITO - окисно-индиевая пленка с примесью окиси олова) требуемой конфигурации (например, в виде полос строчного электрода), первый изолирующий слой 3 (например, SiO₂ - пленка окиси кремния). Поверх первого изолирующего слоя 3 расположен второй изолирующий слой 4 - толстопленочный изолирующий слой 4 толщиной 1…3 мкм (например, фоторезист или полиимид). На вершинах второго толстопленочного изолирующего слоя 4 располагаются полосы второго проводящего слоя 5 (например, из алюминия Al, никеля Ni или окиси индия In₂O₃). Часть второго проводящего слоя 5а расположена вне второго изолирующего толстопленочного слоя 4, непосредственно на поверхности первой подложки 1, и служит для контактирования с выводами управляющей микросхемы. Для удобства рассмотрения в дальнейшем рассматриваются отдельно четные полосы второго проводящего слоя 5в и нечетные - 5с. 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'01 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, SfD'03 Digest, 620-623], химическая формула которого приведена ниже:

Направление ориентации контактирующих со слоем SD-1 молекул жидкого кристалла определяется направлением поляризации падающего света ультрафиолетовой части спектра (длина волны 365 нм) в процессе полимеризации ориентирующего слоя 6. На второй подложке 7 (стеклянной или пластиковой) нанесен только ориентирующий слой 8 (например, полиимид или, упомянутый выше, фотоориентант SD-1). Молекулы жидкокристаллического вещества 9, расположенные между подложками 1 и 7, ориентируются в направлении, задаваемом ориентирующими слоями 6 и 8. Направление ориентации может быть любым. При этом, если направления ориентации ЖК-молекул жидкокристаллического вещества 9, контактирующих с ориентирующими слоями 6 и 8, не совпадают друг с другом, формируется закрученная структура, в которой обеспечивается плавный поворот от одного направления к другому. В состав жидкокристаллического вещества 9 может входить оптически активная добавка, обеспечивающая дополнительный угол закрутки. В результате молекулы жидкокристаллического вещества могут быть закручены на любой угол от 0° до 360° и более.

На внешних поверхностях первой и второй подложек 1 и 7 расположены поляроиды 10 и 11. Один из них служит для поляризации падающего на жидкокристаллические молекулы света, а второй - является анализатором прошедшего через слой жидкокристаллических молекул (и преобразованного ими) света.

На фиг.2 конструкция электродов пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея с электродами на одной подложке изображена в проекции сверху. Первый проводящий слой 2 формируется на первой подложке 1 и представляет собой строчный электрод заданной конфигурации (например, полос). Перпендикулярно им располагаются полосы первого толстопленочного изолирующего слоя 3, на вершинах которого находятся полосы второго проводящего слоя 5 заданной конфигурации (например, в виде полос) - столбцовый электрод. Каждый элемент матрицы 12 формируется на пересечении полосы первого проводящего слоя 2 (например, строчного электрода) и промежутка между двумя соседними полосами второго проводящего слоя 5b и 5с (например, столбцового электрода).

На фиг.3 конструкция электродов пассивно-матричного жидкокристаллического дисплея изображена в боковой проекции. На первой подложке 1 расположены полосы первого проводящего слоя (строчного электрода) 2, первый тонкопленочный изолирующий слой 3, а перпендикулярно полосам строчного электрода - второй толстопленочный изолирующий слой 4. На вершинах второго изолирующего слоя 4 расположены полосы второго проводящего слоя (столбцового электрода) 5 (четные 5b и нечетные 5с. По крайней мере, с одного края толщина второго изолирующего слоя 4 плавно уменьшается и в зоне 5а второй проводящий слой 5 находится уже непосредственно на поверхности первой подложки 1 или первого изолирующего слоя 3. Это необходимо для прочности второго проводящего слоя 5 в зоне соединения (склейки) первой и второй подложек 1 и 7 в пакет и в зоне контактирования с выводами управляющей микросхемы. Поверх слоя 5 наносится ориентирующий слой 6.

Как уже отмечалось выше, угол закрутки жидкокристаллических молекул между подложками 1 и 7 может быть любым.

На фиг.4 изображены структурные переключения дисплея с объемными электродами при исходной закрученной на 180° структуре ЖК-молекул. При наложении электрического поля между электродом 2 и только четными электродами 5b (или только нечетными электродами 5с), расположенными на вершинах второго изолирующего толстопленочного слоя 4, конфигурация расположения жидкокристаллических молекул практически не изменится: молекулы рядом с электродами 5b (или 5с) будут переориентироваться вдоль силовых линий поля. По мере удаления от электрода угол переориентации будет уменьшаться, а на расстоянии 4…7 мкм изменение вообще не происходит. Поскольку большая часть слоя в пространстве между четными 5в и нечетными 5с полосами второго проводящего слоя 5 не переориентируется, структура молекул между подложками сохраняется в исходном состоянии (фиг.4а).

Если поле приложено между первым проводящим слоем 2 четными полосами 5b и нечетными полосами 5с, то молекулы вблизи четных полос 5b и нечетных полос 5с на вершинах второго изолирующего толстопленочного слоя 4 симметрично переориентируются вдоль силовых линий поля. В результате взаимодействия переориентированных приэлектродных молекул с остальными, находящимися в пространстве между первым проводящим слоем 2 с одной стороны, и вторым проводящим слоем 5, все м