Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей и способ его управления

Изобретение относится к дисплейным технологиям. В пассивно-матричном жидкокристаллическом дисплее, состоящем из двух соединенных в пакет подложек, на первом изолирующем слое первой подложки расположен в виде полос второй изолирующий слой, а на вершинах второго изолирующего слоя расположены последовательно второй проводящий слой и ориентирующий слой, при этом на вторую подложку нанесен только ориентирующий слой. Кроме того, первый прозрачный проводящий слой ортогонален выполненному в виде полос второму изолирующему слою и второму проводящему слою на вершинах указанных полос. В способе управления на полосчатые электроды, сформированные первым проводящим слоем электрода первой подложки, подают информационный сигнал. Технический результат 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. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 3 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 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 молекулы в указанном пространстве ориентируются перпендикулярно поверхности подложки. Между первой 1 и второй 7 подложками формируется структура, характеризующаяся близким к 90° углом наклона молекул вблизи первой подложки 1 и близким к 0° углом наклона молекул вблизи второй подложки 7. Такая конфигурация известна под названием «гибридной». Если исходная конфигурация с углом закрутки молекул 180° в скрещенных поляроидах выглядит как светлая, то гибридная в них наблюдается, как темная. Тем самым, обеспечивается высококонтрастное переключение между двумя оптическими состояниями.

Важным моментом при реализации данной конструкции является метод формирования ориентирующего слоя. Стандартные методы ориентации плохо подходят для толстопленочных объектов сложной конфигурации: из-за их большой толщины при ориентации методом натирания или косого напыления возникают зоны затенения или разориентации. По этой причине целесообразно при формировании ориентации в предлагаемом дисплее использовать методы бесконтактной фотоориентации (для некоторых материалов облучение поляризованным светом УФ-диапазона, 340…370 нм, вызывает ориентацию молекул, при последующем контакте с этим материалом, в направлении поляризации падающего света).

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.

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

На фиг.7b показан 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.7с показан оптический отклик образца в режиме «один такт - включено, 1 такт - выключено». Напряжение U_S=+20 В подается одновременно ко всем полосам строчного электрода (первого проводящего слоя), напряжение U_D=-20 В к нечетным полосам второго проводящего слоя. К четным полосам второго проводящего слоя поочередно подаются сигналы U_D амплитудой «-20 В» и «+20 В». Длительность каждого импульса 5 мс, период повторения импульсов - 45 мс.). Время реакции составляет 1.1…1.3 мс, время релаксации - 18.0…18.7 мс.

На фиг.8 дан пример практического исполнения дисплея - оптический отклик дисплея при мультиплексном управлении (32 строки; 1 кадр «включено» + 1 кадр «выключено»). Время реакции составляет чуть более 9 мс, а время релаксации - примерно 21.5 мс. Контраст равен примерно (160…170):1.

Изобретение поясняется следующим примером реальной конструкции.

Пример 1

Первый проводящий слой на одной из стеклянных подложек представляет собой полосы строчного электрода матрицы, выполненные из стандартной окисноиндиевой пленки, легированной окисью олова (ITO). Толщина пленки 0.12 мкм. Ширина полосы 0.10 мм, интервал между полосами: 0.025 мм. На пленку ITO нанесено изолирующее покрытие SiO₂ толщиной 0.08 мкм. Перпендикулярно полосам строчного электрода сформированы полосы фоторезиста ФП-383 шириной 0.025 мкм и толщиной 1.7…1.9 мкм. На верхней части полос фоторезиста находится второй проводящий слой из алюминия, толщина 0.5…0.7 мкм. Таким образом, общая высота полос толстопленочного изолирующего слоя с электродом на вершине составляет 2.2…2.6 мкм. Ширина алюминиевых полос равна ширине полос фоторезиста (это обеспечивается технологией изготовления - сформированные алюминиевые полосы являются маской при плазмохимическом травлении фоторезиста) и составляет 0.025 мкм. Поверх этих полос наносится ориентирующий слой фотоориентанта SD-1 толщиной 20…50 нм. На второй подложке имеется только ориентирующий слой фотоориентанта SD-1 той же толщины.

Пластины собраны в пакет, пространство между пластинами заполнено жидкокристаллическим материалом MLC-6295+0,5% ZLI-811 фирмы Merck (Германия) с равновесным шагом спирали Р₀=14 мкм. Толщина жидкокристаллического слоя - 6.5 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.

Дисплей данной конструкции работает следующим образом (см. фиг.4). Поскольку исходно ориентированные параллельно поверхности молекулы жидкокристаллического вещества закручены на 180°, молекулы в центре слоя повернуты относительно прилегающих к подложкам молекул на угол 90°. (при этом, из-за малой толщины жидкокристаллического слоя над толстопленочным покрытием молекулы над ним имеют нулевую закрутку - это известный в данной отрасли факт зависимости угла закрутки от толщины ЖК-слоя; к существу данного предложения он отношения не имеет). Если напряжение U₁ приложено между токопроводящим слоем 2 и одним (например, 5b) из пары расположенных на вершинах первого толстопленочного изолирующего слоя 4, вторых проводящих слоев 5b и 5с, искажение структуры будет незначительным (фиг.4а). Если напряжение U₂ приложено между первым проводящим слоем 2 и обоими расположенными на вершинах второго толстопленочного изолирующего слоя 4, вторыми проводящими слоями 5b и 5с, то близкие к вершинам второго толстопленочного изолирующего слоя 4 молекулы жидкокристаллического вещества 9 (за исключением непосредственно контактирующих с поверхностью) переориентируются вдоль силовых линий поля. Угол наклона молекул рядом с вершинами второго изолирующего слоя 4 будет максимален. По мере удаления от вершин второго изолирующего слоя 4 угол наклона ЖК-молекул будет уменьшаться. При этом углы наклона с разных сторон вершины второго изолирующего слоя 4 будут изменяться симметрично, но противоположно по знаку. Иными словами, в пространстве между вершинами второго изолирующего слоя 4 закручивающая способность одной части ЖК-молекул будет уравновешиваться закручивающей способностью противоположного знака в другой части. В результате, ЖК-структура раскрутится до 0° (фиг.4b). Таким образом, в скрещенных поляризаторах происходит переключение из светлого состояния со 180° закруткой в темное, с 0°.

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

,

где d - толщина слоя жидкокристаллического вещества 11 между первой и второй подложками 1 и 7.

Для сравнения был изготовлен дисплей стандартной конструкции (на одной из подложек формировались полосы строчного электрода из ITO шириной 0.10 мм, промежутки между полосами - 0.025 мм. На второй подложке 7 формировались (перпендикулярно строчным полосам) полосы столбцового электрода из ITO шириной 0.09 мм, промежутки между полосами - 0.025 мм. Ориентант - фотоориентант SD-1 толщиной 20…50 нм. Толщина ЖК-слоя и его материал - аналогичны используемым выше.

Таблица 1
Контраст знака относительно фона, о.е.
Уровень мультиплексирования	Стандартный образец	Экспериментальный образец
статический	6.3:1	20.8:1
1:8	5.1:1	17.1:1
1:16	3.0:1	12.4:1

Таблица 2
Перечень основных технологических операций по стандартной и предлагаемой конструкции
№ п/п	Наименование операции	Стандартная технология с электродами на обоих пластинах	Предлагаемая технология с электродами на одной пластине
1	Химическая обработка	2 пластины	2 пластины
2	Напыление ITO	2 пластины	1 пластина
3	Формирование заданной топологии ITO (например, полос)	2 пластины	1 пластина
4	Нанесение изолирующего слоя	2 пластины	1 пластина (при необходимости)
5	Нанесение толстопленочного слоя (фоторезиста)	-	1 пластина
6	Напыление второго проводящего слоя (например, алюминия)	-	1 пластина
7	Формирование заданной топологии по второму проводящему слою (например, полос) с одновременным травлением толстопленочного слоя фоторезиста	-	1 пластина
8	Химическая очистка перед нанесением ориентанта	2 пластины	-
9	Нанесение ориентанта	2 пластины	2 пластины
	ИТОГО, операций	12	9…10

Пороговое напряжение в образце, изготовленном по стандартной технологии, составило 2.8 В, напряжение насыщения - 3.6 В. Соответственно, крутизна вольт-контрастной характеристики составляет 1.29, а ожидаемый уровень мультиплексирования равняется 1:16. Как видно из таблицы 1, контраст изображения экспериментального образца превышает контраст стандартного в 3…4 раза. Кроме того, световая апертура составляет (100 мкм × 100 мкм) /(125 мкм × 125 мкм) × 100% = 39%. Таким образом, она в 1.5…2.4 раза выше, чем у описанных ранее конструкций-аналогов.

Снижение трудоемкости изготовления и цены пассивно-матричного экрана с электродами на одной пластине по сравнению со стандартной конструкцией с электродами на обеих подложках определяется в первую очередь тем, что в стандартной конструкции число важнейших операций - 12, а в предлагаемой конструкции - на 17…25% меньше (см. таблицу 2).

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

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 матрицы дают ориентационные дефекты, связанные с затенением. Например, при натирании структуры подложки, аналогичной показанной на фиг.1, перпендикулярно направлению вершин второго толстопленочного изолирующего слоя пьедесталов, ширина неориентированной области достигала 4 мм. Единственно возможным направлением ориентации при натирании или наклонном напылении является направление вдоль вершин второго 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 матрицы на подложке 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.9а). 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 направлению 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 2

Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей, изготовленный из двух стеклянных подложек, одна из которых представляет собой последовательно нанесенные слои: окисно-индиевой 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 полос толстопленочных изолирующих слоев с Al-пленкой сверху составляла 20…25 мкм, а расстояние между соседними полосами толстопленочных изолирующих слоев равнялось 90…95 мкм. Внутренняя поверхность обоих подложек 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.5а. 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.6 показаны фотографии сформированных структур в микроскопе Olympus ВИЗ с видеокамерой JVC-TK-128L Фотографии сделаны при скрещенном (фиг.6а), параллельном (фиг.6b) расположении поляроидов и в параллельных поляроидах при расположении ячейки под углом 45° (фиг.6с). Видно, что разориентирующее действие боковых стенок сказывается на расстоянии до 30 мкм от них (до 1/3 интервала вершинами толстопленочного изолирующего слоя) с каждой стороны. Контраст такого дисплея даже в идеальном случае не превысит (1.5…2.0):1.

На фиг.5b показана оптическая схема используемого в данном изобретении процесса фотоориентации. На I этапе пластина 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 пластина с объемными электродами поворачивается на 180° и освещается под утлом 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 пластина освещается вертикально падающим линейно поляризованным светом, поляризованным в плоскости рисунка. При этом обеспечивается ориентация на поверхности элемента матрицы. Таким образом, формируется структура, равномерно ориентированная параллельно поверхности вдоль направления полос толстопленочного изолирующего слоя.

Пример 3

Подложка конструкции дисплея согласно Примеру 2 облучается в три этапа, как описано выше. Вторая подложка изготавливается при вертикальном облучении поляризованным светом. Ориентация и тип ЖК соответствуют указанным в примере 2. На фиг.6d-6f показаны фотографии сформированных структур в микроскопе Olympus BH3 с видеокамерой JVC-ТК-1281. Фотографии сделаны при скрещенном (фиг.6d), параллельном (фиг.6е) расположении поляроидов и в параллельных поляроидах при расположении элемента матрицы под углом 45° (фиг.6f). 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 4

На данном примере демонстрируется возможность управления дисплеем с помощью объемных электродов, выполненных на одной пластине. Дисплей состоит из двух стеклянных пластин 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 в промежутках между полосами прозрачного токопроводящего слоя 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 толстопленочных изолирующих слоев с токопроводящим слоем составляет 2.2…2.6 мкм. Окисно-индиевый и алюминиевый слои управляются раздельно. Алюминиевый проводящий слой на вершинах толстопленочного изолирующего слоя 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 жидкокристаллического вещества вдоль полос. На внутренней поверхности второй подложки нанесен слой фотоориентанта SD-1 толщиной 20…50 нм, обработанный таким образом, чтобы ориентировать молекулы жидкокристаллического вещества вдоль полос. Угол преднаклона составлял 2…5°. Зазор между пластинами обеспечивался калибраторами в виде стекловолокна и равен 4,5 мкм. В качестве жидкокристаллического вещества использовался материал MLC-6096+1,0% ZLI-811 фирмы Merck (Германия) с равновесным шагом спирали 10 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.

Управление дисплеем осуществлялось подачей напряжения между окисно-индиевым и алюминиевым токопроводящими слоями. При этом один из токопроводящих слоев, выполненный в виде алюминиевой гребенки постоянно находился под напряжением U=20 B, на второй токопроводящий слой, выполненный в виде алюминиевой гребенки подавалось или нулевое напряжение - выключенное состояние (фиг.7а) или такое же напряжение U=20B (фиг.7b). На Фиг.7 с представлен оптический отклик дисплея при переключении между включенным и выключенным состояниями, характеризующий динамические свойства конструкции. Длительность импульса - 5 мс, период повторения импульсов - 45 мс. Контраст между включенным и выключенным состояниями равен 168:1; время реакции - 1,1 мс; время релаксации - 18,7 мс.

Таблица 3
V, °	В направлении гребенок (Н), °
-60	-45	-30	-20	-10	0	10	20	30	45	60
45						18:1
30						28:1
20						125:1
10						78:1
0	8:1	20:1	63:1	72:1	80:1	130:1	125:1	115:1	85:1	28:1	11:1
-10						73:1
-20						17:1
-30						7:1
-45						5:1

Угловые характеристики дисплея согласно данному изобретению в горизонтальном (Н) и вертикальном (V) направлениях представлены в таблице 3. 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 CR≥5:1 превышает ±60° по горизонтали и ±45° по вертикали. По этим показателям дисплей по данному изобретению превышает стандартные активно-матричные дисплеи на твист-эффекте.

На фиг.8 показан оптический отклик дисплея при мультиплексном управлении (32 строки; 1 кадр «включено» + 1 кадр «выключено»). Время реакции составляет чуть более 9 мс, а время релаксации - примерно 21.5 мс. Контраст превышает 150:1.

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 толстопленочного изолирующего слоя могут использоваться различные фоторезисты, полиимиды и другие изолирующие материалы.

В качестве ориентирующего слоя на пластине, 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.

Методы формирования серой шкалы в данной конструкции и способах управления ею аналогичны используемым в стандартных пассивно-матричных 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 ЖК-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.

1. Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей, состоящий 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, отличающийся тем, что 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.

2. Пассивно-матричный жидкокристаллический дисплей по п.1, отличающийся тем, что первый прозрачный проводящий слой ортогонален выполненному в виде полос второму изолирующему слою и второму проводящему слою, расположенному на полосах второго изолирующего слоя.

3. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим дисплеем, включающий последовательную подачу напряжания на полосчатые электроды, составляющие первый проводящий слой первой подложки, и информационного сигнала, отличающийся тем, что 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 напряжение «-U_D» к нечетным полосам второго проводящего слоя и напряжение «+U_D» к четным полосам второго проводящего слоя первой подложки.