DE2210387B2

DE2210387B2 - Anzeigeschirm mit einer Flüssigkristallschicht und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2210387B2
Application number: DE19722210387
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Krueger; Heinrich Dr.Rer. Nat. 8019 Ebersberg Schloetterer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1973-12-06
Also published as: NL7302894A; DE2210387A1; BE796223A; CH554575A; JPS48104561A; LU67139A1; IT979532B; FR2175432A5; DE2210387C3

Description

G. H. Heilmeier, L. A. Zanoni berichten in Appl. Phys. Letters 13, 91 (1968), daß ein Farbeffekt beobachtet wird, wenn in einer nematische!! Flüssigkeit dichroitische Farbstoffe gelöst sind. Durch Ausrichtung der Moleküle der nemaiischen Flüssigkeit in einem elektrischen Feld, wird der dichroitische Farbstoff mit ausgerichtet. Da die Absorption in einem dichroitischen Farbstoff eine Funktion der Orientierung der Moleküllängsachse zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes ist, kann durch ein elektrisches Feld die Frabe der nematischen Schicht geändert werden.

Aus einem neueren Artikel von M. Schadt und W. Helfrich (Appl. Phys. Letters 18 [1971] 127) ist die spannungsabhängige optische Aktivität einer verdrillten nematischen Flüssigkristallschicht bekannt. Zwischen zwei Glasplatten befindet sich eine Flüssigkristallschicht. Die Flüssigkristallmoleküle sind parallel /u den Glasplatten orientiert, wobei sich die Orientierungsrichtung der Moleküle von Glasplatte zu Glasplatte um 90 ändert. Die Polarisationsebene von linear polarisierten) Licht, das senkrecht auf die Glasplatte auftrifft, wird dadurch ebenfalls um 90 gedreht. Wenn die Flüssigkristallmolekül eine positive DK-Anisotropie besitzen, werden in elektrischen feldern genügender Feldstärke du Flüssigkristallmoleküle praktisch parallel /um elektrischen Feld stehen. Die Polarisationsebene von Licht, das !.enkrecht auf die Platten auftrifft, wird nicht mehr gedreht. AK Flüssigkristallschicht eignet sich z. B. PEBAH
(n-[4'-ütho\yben/yliden]-4-amino-benzonitrid).

Auf Grund dieser Eigenschaften der flüssigen Kristalle kann eine Schicht solcher Flüssigkristalle als Bildschirm verwendet werden. Ein soldier Bildschirm kann insbesondere zwei auf beiden Seiten der Flüssigkristallschicht angeordnete Tragerplatten umfassen, auf deren Innenseiten je ein S>stem paralleler Leiterbahnen angeordnet ist. wobei das auf der einen Trägerplattenoberfläche angeordnete Leiterbahnsystem auf dem auf der anderen Trügerplatte angeordneten Leiterbahnsv stein senkrecht steht. Wird an eine waagrechte und eine senkrechte Leiterbahn eine elektrische Spannung angelegt, so entsteht am Kreuzungspunkt ein elektrisches feld, das sich durch die Flüssigkristallschicht hindurch erstreckt, die an dieser Stelle dadurch ihr clektrooptisches \ erhalten ändert.

Lute wesentliche Eigenart dieser bekannten Anordnung besteht jedoch darin, daß nicht nur an dem ausgew.ihlten Kreuzungspunkt. sondern wegen des bekannten ( bersprechens. auc'i an anderen Kreu/unuspunkten ein elektrooptisch^ Effekt auftritt, da hier maximal die Hälfte der Aiisteuerungsspannung abfällt. Nun zeichnen sich alle aufgeführten [ ffekte durch ein gewisses Schwelherhalten aus: d h. innerhalb einer Schwellfeldstärke h ;,, tritt kein elektrooptischer Effekt auf. wahrend oberhalb der Schwellfeldstärke em mehr oder minder starker elektroopiischer 1 flekt einsetzt, der bei einer Feldstärke E- seine Sättigung erreicht. Für den Aufbau einer Matrix ohne Entkopplung^- elemente ist es nun wesentlich, daß En, > E.< 2 ist, da dann ein Übersprechen in der Matrix vermieden werden kann. Ein weiterer wichtiger Punkt ist. daß die Ansprechzeiten für den elektrooptischen Effekt bei £.·. schnell genug sind, so daß möglichst viele BiIdpunktc bzw. Bildzeilen in der Zeiteinheit angesteuert werden können. Für Matrixsvsterne mit sehr vielen Bildpunkien und großer Bildvwederholfrequenz können mit den heute bekannten flüssigen Kristallen und elektrooptischen Effekten mit flüssigen Kristallen beide Bedingungen nicht gleichzeitig erfüllt werden, so d;<ß zusätzliche externe Entkopplungseinrichtungen vorgesehen werden müssen.

Zur Entkopplung einer Flüssigkristall-Matrix ist vorgeschlagen worden, daß zwischen der Flüssigkristallschicht und den Leiterbahnen des einen Leiterbahnsystems eine Schicht aus ferroelektrischem Keramikmaterial angeordnet wird, die eine variable, durch

ίο die Größe des angelegten Feldes steuerbare Kapazität darstellt.

Der unerwünschte elektrooptische Effekt an nicht angesteuerten Punkten kann auch durch den Einbau von Dioden verhindert werden. B. J. Lechner u. a.

(Liquid Crystal Matrix Displays, IEEE International Solid-State Circuits Conference. 1969 52f) hat eine 2 · 18-Matrix angegeben, bei der jedem Matrixpunkt je eine Diode zugeordnet ist, die alle außerhalb des Anzeigeschirms angeordnet sind. Der Aufbau eines

Anzeigeschirms mit einer Vielzahl von Zeilen und Spalten ist auf diese Weise jedoch -.ehr umständlich und unwmsciiaftlicli, die Dioden und ihre Anschlüsse benötigen außerdem sehr viel Raum.

De- vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-

grunJe. einen großflächigen Flüssigkristallanzeigeschirm anzugehen, bei dem nur an den angesteuerten Punkten elektrooptische Effekte auftreten, der mit hoher Geschwindigkeit angesteuert und der mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemaß die Diodenanordnung in Form einer integrierten Diodenmatrix ausgebildet und zwischen dem ersten Leiierbahnsv stern und der flüssigkristallinen Schicht angeordnet ist

Die beiden Leiterbahnsv steine sind auf je einem Isoiatorträger angeordnet.

Der Isol.r >rträger. der die Diodenmatrix trägt, besteht vorzugsweise aus Spinell. Saphir, Glas oder hocliohmigem Halbleitermaterial. Der andere Isolator-

trager und das Leiterbahnsv stern darauf müssen lichtdurchlässig sein. Diese Leiterbahnen werden deshalb vorzugsweise aus einer transparenten elektrisch leitenden Schicht aus Zinnoxid oder Indiumoxid bestehen. Ls ist von Vorteil, eine Diodenschicht vom p-n oder Schottky!)ρ aufzubauen, wobei die p- oder die n-Teilschichten streifenförmig ausgebildet sind. Diese Halbleiterstreifen bilden das erste Leiterbahnsystem. Es besteht vorzugsweise aus Si und ist mit Phosphor oder Antimon dotiert, wenn es \oni n-Tvp sein soll, oder ist mit Bor. Alumini um dotiert, wenn es vom p-Tv ρ sei η soll. Weiterhin sind zwischen den Dioden und der flüssigkristallinen Schicht Metallspiegel, z. B. Aluminiumspiegel oder Chromspiegel, angeordnet. Vorteilhafterweise sind diese als Elektroden wirkenden Spiegel voneinander und die Halbleiterstreifen von der flüssigkristallinen Schicht durch Isolierschichten getrennt. Die Isolierschichten bestehen vorzugsweise aus SiIi-/lumoxid bzw. Siliziumnitrid. Sie ergeben außerdem eine ebene Unterlage für die Spiegel.

^6ΰ Der Sinn dieses Aufbaus und die Wirkungsweise dieses Anzeigeschirms wird an Hand der folgenden Figuren noch näher beschrieben. Es zeigt

F"ig. I einen einfachen Anzeigeschirm mit flüssigen Kristallen,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines solchen Anzeigeschirms,

Fig. 3 das Ersatzschaltbild eines Anzeigeschirms mit einer integrierten Diodenschicht,

Fig. 4 den Aufbau eines Anzeigeschirms mit einer integrierten Diodenschicht und

Fig. 5 ein Schnittbild zu Fig. 4.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Anzeigeschirms, der mit flüssigen Kristallen arbeitet. 1 und 2 bedeuten zwei Trägerplätten, z. B. aus Glas, auf deren Innenseiten sich je ein System von parallelen Leiterstreifen 3 und 4 befindet. Zwischen diesen Trägerplatten mit ihren Leiterstreifen ist die flüssigkristalline Schicht 5 angeordnet.

In dem Ersatzschaltbild einer Matrix der Fig. 2 sind die Leiterbahnen der beiden Systeme .v, bis x„ und Xi bis y_m aufgetragen. Zwischen den beiden senkrecht aufeinanderstellenden Leiterbahnen bestehen sowohl Kapazitäten «■„ bis <■„,,, als auch infolge der vorhandenen Leitfähigkeit der Flüssigkristallschicht eine galvanische Kopplung in Form der Kopplungswiderstände /·,, bis /■«,«· Wird nun durch Anlegen einer Potentialdifferenz H /wischen die Leiterbahnen v, und y., der Kreuzungspunkt dieser beiden Leiterbahnen angesteuert, so erhalten alle übrigen Kreuzungspunkte der Leiterbahn .Y₂ mit den Leiterbahnen r* und der Leiterbahn _r» mit den Leiterbahnen x_t ebenfalls, wenn auch geringere. Potentialdifferenzen U/2. Der elektrooptische Effekt wird deshalb nicht nur an dem Kreuzungspunkt X₂Xi- sondern auch in geringerem Maße an den Kreuzungspunkten x,.i> und .v/v₂ (/ * A) auftreten. Am angesteuerten Kreuzungspunkt wird beispielsweise ein Strom durch *·.*, in der eingezeichneten Richtung fließen. Aber ebenso wird zwischen den Leiterbahnen r_s und .v, ein Strom über die Widerstände T₂₃. /·₁₃ und /γ, fließen. Diese drei Widerstände werden jedoch nicht in der gleichen Richtung vom Strom durchflossen. Allgemein gilt, daß die parasitären Ströme immer über mehrere Widerstände fließen, wobei die Stromrichtung in mindestens einem Widerstand entgegengesetzt ist zu der durch die anderen.

Um diesen Störeffekt der Ansteuerung von nicht gewünschten Kreuzimgspunkten zu vermeiden, werden vor alle Kreuzungspunkte Dioden geschaltet, die bekanntlich den Strom nur in einer Richtung durchlassen. Außerdem werden mit Dioden die in Fig. 2 und 3 gezeichneten Kapazitäten c_n bis c_m„ mit kurzen Impulsen aufgeladen, wobei sich die Kapazitäten dann langsam (mit der Zeitkonstanten RC) über die Flüssigkristallschicht entladen. Dadurch wird es möglich, den Bildschirm mit Impulsen einer Impulsdauer anzusteuern, die weit unterhalb der Ansprechzeit der flüssigen Kristalle liegt. Man erhält so einen Bildschirm mit schneller EinschreibgeschwinJigkeit. Die Anforderungen an die Sperreigenscliaften der verwendeten Dioden sind dabei sehr groß, da

1. die flüssigkristalline Schicht sehr hochohmig ist und sich das Flüssigkristallelement im wesentlichen nur durch die !flüssigkristallschicht entladen darf,

2. beim mögliehen Übersprechen viele in Sperrichr tung liegende Dioden parallel geschaltet sind. Um

ίο kapazitives Übersprechen 7\i vermeiden, ist die Kapazität der Dioden hinreichend klein.

Die Fig. 4 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Anzeigeschirmes, welcher der Übersichtlichkeit halber mit jeweils nur drei Leiterbahnen in jedem Leiterbahnsystem gezeichnet wurde. Zu der Fig. 5 ist ein zugehöriges Schnittbild in Höhe des Pfeiles dargestellt. Die erste Trägerplatte 1 besteht aus dem Iso- !atormateridl Spinell. Auf ihr sind die drei Leiterbahnen 2. 3 und 4 angeordnet, von denen jede mehrere Seitenarme 5 aufweist. Diese Leiterbahnen 2, 3, 4 sowie ihre Seitenarme 5 bestehen aus Silizium. Die geradlinig von rechts nach links durchlaufenden Teile der Leiterbahnen sind durch Eindiffusion von Phosphor n-leittnd gemacht, die Seitenarme der Leiterbahnen durch Eindiffusion von Bor p-leitend. Zwischen diesen beiden hochdotierten Gebieten wird ein geringer dotiertes Gebiet ausgebildet, so daß eine η-pp -Diodenanordnung entsteht, welche eine hohe Sperrwirkung aufweist. Zwischen den Leiterbahnen 2. 3 und 4 sind Aluminiumspiegel 6 angeordnet. Zur Isolation der Leiterbahnen 2. 3 und 4 bzw. Spiegel 6 gegenüber einer Flüssigkristallschicht ist auf den bisher geschilderten Teil der Anordnung eine Isolationsschicht 7 aus Siliciumnitrid aufgebracht worden, welche die ganze Fläche mit Ausnahme der Kontaktöffnungen Il über den Seitenarmen 5 überdeckt. Anschließend an diese Isolatorschicht 7 bzw. die Aiuminiunispiegel 6 ist eine Flüssigkristallschicht 8 angeordnet. An die Flüssigkristallschicht 8 anschließend folgt wiederum eine Trägerplatte 9, auf deren Unterseite ein weiteres System von Leiterbahnen IO aus Zinndioxid so angeordnet ist. daß die Leiterbahnen 10 genau über die Spiegel 6 hinweggeführt sind.

Der so entstandene Anzeigeschirm enthält integriert angeordnete Dioden, die alle den Strom in der gleichen Richtung durchlassen. Bei Ansteuerung vorgegebener Elektroden der beiden Leiterbahnsysteme entsteht nur an den ausgewählten Kreuzungspunkten der Leiterbahnen der gewünschte elektrooptisch^ Effekt.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

bahnen und Dioden vorgesehenen Streifen befind

Patentansprüche: liehen Teile der Siliziumschient durch Atzen ent

fernt werden.

1. Anzeigeschirm bestehend aus einer flüssig- 14. Verfahren zur Herstellung eines Anzeige kristallinen Schicht mit einem ersten Leiterbahn- 5 schirms nach einem oder mehreren der vorher system auf einer Seite der Schicht und einem zwei- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dai ten zu dem ersten senkrecht stehenden Leiterbahn- neben bzw. auf diesen Leiterstreifen an den Kreu system auf der anderen Seite der Schicht und einer zungspunkten durch epitaxiales Wachstum eine Diodenanordnung, dadurch gekenn- Siüziumschicht mit einer entgegengesetzten Dotiezeichnet, daß die Diodenanordnung in Form io rung aufgebracht wird.

einer integrierten Diodenmatrix ausgebildet und

zwischen dem ersten Leiterbahnsystem und der

flüssigkristallinen Schicht angeordnet ist.

2. Anzeigeschirm nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die beiden Leiterba1«nsysteme 15 Die Erfindung betrifft einen Anzeigeschirm, be-

auf je einem Isolatorträger angeordnet sind. stehend aus einer flüssigkriviallinen Schicht mit einen¹

3. Anzeigeschirm nach Anspruch 2, dadurch ersten Leiterbahnsystem auf einer Seite der Schicht gekennzeichnet, daß mindestens ein kolatorträger und einem zweiten zu dem ersten senkrecht stehenden aus Spinell. Sahpir oder Glas oder aus sehr hoch- Leiterbahnsystem auf der anderen Seite der Schicht ohmigem oder sem!isolierendem Halbleitermaterial 20 und einer dazwischenliegenden Diodenanordunng.
besteht. Flüssigkristalle sind organisch-chemische Substan-

4 Xn/fitvsihinn nach Anspruch I dadurch 7cn. die im interessierenden Zustund flüssig sind, abei

gekennzeichnet, daß die Dioden vom p-n-Typ sind, im Gegensatz zu den Flüssigkeiten des täglichen

wobei die p- oder n-Teilsehicht streifenförmig aus- Lebens gewisse Eigenschaften \on Kristallen aufweisen,

gebildet ist, und daß diese Halbleitcrstreifen das 25 Sie sind einer, in manchen Fällen auch mehrerer

erste Leiterbahns}stern bilden. Zwischenphasen zwischen dem festen kristallinen Zu-

5. Aiizcigcschirm nach Anspruch 4. dadurch stand einerseits und dem isotropflüssigen Zustand

gekennzeichnet, daß die Leiterstreifen aus hoch- andererseits fähig (smektische. nematische, choleste-

dntiertem Silizium bestehen. nsche Mesophase). Im folgenden sollen nur nematische

(>. Anzeigeschirin nach einem oder mehreren der 30 und cholesterisch^ Flüssigkeiten betrachtet werden. Bei

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- diesen Flüsisgkeiten sind eine Reihe von elektroopti-

net. daß die p-n-Diodenschicht ein schwach dotier- sehen Effekten bekannt, die beim Aufbau von Flüssig-

tes Gebiet /wischen ilen hochdotierten ρ - und kristall-Matrixbildschirmen Anwendung finden kön-

li -Bereichen aufweist. nen. Dazu gehören die dynamische Streuung, weicht

7. An/eigeschiim nach einem oder mehreren der 35 von G. II Heilmeier. L. A. Zanoni und I. A. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- Barton in Proc. IEFE 56. I96X ausführlich beschrienct. daß die Düsenanordnung mit Schottky-Dio- beil ist.

den ausgebildet ist. Ein weiterer in Betracht kommender eloktroopti-

8. An/cigesehirm nach einem oder mehreren der scher Effekt ist der Speichereffekt. Eine ursprünglich vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn/eich- 40 transparente Schicht tplanare cholesterisch.; Textur] net. daß zwischen den Dioden und der flüssig- bestehend aus einer Mischung einer neniati>chen und kristallinen Schicht Aluminium- oder Chromspiegel einer cholesterischen Substanz wird beim Anlegen angeordnet sind. einer elektrischen Gleichspannung milchig ti üb. (Ent-

9. Anzeigeschirni nach Anspruch 8. dadurch ge- stehung einer fokal konischen Texturl. Dieser Zustand kennzeichnet, daß die Halbleiterstreifen von der 45 isi metastabil und kann durch Anlegen einer NF-flüssigkristallinen Schicht durch Isolierschichten Spannung genügend hoher Frequenz wieder in den getrennt sind. transparenten Zustand übergeführt werden. AK Flüs-

10. An/eigeschirm nach Anspruch 9. dadurch sigkriMalle eignen sich z. B. Mischungen von MBBA gekennzeichnet, daß die Isolierschichten aus SiIi- mit S"„ C holestervlchlond bzw. N IV mit 8"„ Choleziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen. 50 stcrylchlorid. Einzelheiten sind in Appl. Ph>s. Letters

11. Verfahren zur Herstellung eines Anzeige- 13. "l32 und 133 (1968). Proc. IEEE. 57. 34 (1969) von Schirmes nach einem oder mehreren der vorherge- G. H. Heilmeier. J. E. Goldmacher, beschrieben hendon Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß worden.

das Leiterbahnsystem aus einem für einen Leit- Eine nematische Flüssigkristallschicht kam durch

fähigkeitstvp dotierten Halbleitermaterial aufge- 55 geeignete Vorbehandlung der Glasplatten, zwischen

baut wird und daß an den Kreuzungspunkten zur denen sie sich befindet, so ausgerichtet werden, daß

Bildung der Dioden eine Dotierung für den entge- die Moleküllängsachsen der Flüssigkristalle entweder

gongesetzten Leitf.ihigkeitstyp vorgenommen wird. parallel oder senkrecht zu der Glasoberfläcle stehen.

12. Verfahren /ur Herstellung eines Anzeige- Im elektrischen Feld werden die Moleküllängsachsen schirnies nach Anspruch 11. dadurch gekennzeich- ⁶° gedieht. Zusätzlich kann bei höheren Feldstärken eine net. daß auf dem einen Isolatorträger Siliziumleiter- Domänenbildung bzw. die dynamische Streuung aufstreifen und Diodenbereiche über eine Maske auf- treten. Die Änderung der Transmissionseigensehaften gebracht weiden. der Flüssigkristallschicht mit und ohne angelegtes

13. Verfahren zur Herstellung eines Anzeige- elektrisches Feld zwischen Polarisatoren kann zur schirnis nach einem oder mehreren der vorher- 65 Anzeige ausgenutzt werden. Als Flüssigkristalle eignen gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich z. B. MBBA. N IV und PEBAB. Dieser Orieneuif dem Isolatorträger eine Siüziumschicht .ail'ge- tierungseffekt wurde von R. A. Soref in Laser Focus dampft wird und die zwischen den für die Leiter- 45 bis 49, Sept. 1970 beschrieben.