DE2210387C3 - Anzeigeschirm mit einer Flüssigkristallschicht und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

G, H. Heilmeier, L. A. Zanoni berichten in Appl, Phys. Letters 13, 91 (1968), daß ein Farbeffekt beobachtet wird, wenn in einer nematischen Flüssigkeit dichroitische Farbstoffe gelöst sind. Durch Ausrichtung der Moleküle der nematischen 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 Polarisaiionsrichtung 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 zu den Glasplatten orientiert, wobei sich die Orientierungsrichtung der Moleküle von Glasplatte zu Glasplatte um 90° ändert. Die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, das senkrecht auf die Glasplatte auftrifft, wird dadurch ebenfalls um 90° gedreht. Wenn die Flüssigkristallmoleküle eine positive DK-Anisotropie besitzen, werden in elektrischen Feldern genügender Feldstärke die Flüssigkristallmoleküle praktisch parallel zum elektrischen Feld stehen. Die Polarisationsebene von Licht, das senkrecht auf die Platten auftrifft, wird nicht mehr gedreht. Als Flüssigkristallschicht eignet sich z. B. PEBAB
(n-[4'-äthoxybenzyliden]-4-amino-benzonitrid).

Auf Grund dieser Eigenschaften der flüssigen Kristalle kann eine Schicht solcher Flüssigkristalle als Bildschirm verwendet werden. Ein solcher Bildschirm kann insbesondere zwei auf beiden Seiten der Flüssigkristallschicht angeordnete Trägerplatten umfassen, auf deren Innenseiten je ein System paralleler Leiterbahni.:i angeordnet ist, wobei das auf der einen Trägerplattenoberfläche angeordnete Leiterbahnsystem auf dem auf der anderen Trägerplatte angeordneten Leiterbahnsystem senkrecht steht. Wird an eine waagrechte und eine senkrechte Leiterbahn eine elektrische Spannung angelegt, so entsteint am Kreuzungspunkt ein elektrisches Feld, das sich durch die Flüssigkristallschicht hindurch erstreckt, die an dieser Stelle dadurch ihr elektrooptisches Verhalten ändert.

Eine wesentliche Eigenart dieser bekannten Anordnung besteht jedoch darin, daß nicht nur an dem ausgewählten Kreuzungspunkt, sondern wegen des bekannten Übersprechens, auch an anderen Kreuzungspunkten ein elektrooptischer Effekt auftritt, da h^:er maximal die Hälfte der Ansteuerungsspannung abfällt. Nun zeichnen sich alle aufgeführten Effekte durch ein gewisses Schwellverhalten aus: d. h. unterhalb einer Schwellfeldstärke Ετη tritt kein elektrooptischer Effekt auf, während oberhalb der Schwellfeldstärke ein mehr oder minder starker elektrooptischer Effekt einsetzt, der bei einer Feldstärke Es seine Sättigung erreicht. Für den Aufbau einer Matrix ohne Entkopplungselemente ist es nun wesentlich, daß Ετη > Esß ist, da dann ein Übersprechen in der Matrix vermieden werden kann. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, daß die Ansprechzeiten für den elektrooptischen Effekt bei Es schnell genug sind, so daß möglichst viele Bildpunkte bzw. Bild^cilen in der Zeiteinheit angesteuert werden können. Für Matrixsystemc mit sehr vielen Bildpunkten und großer Bildwiederholfrequenz können mit den heute bekannten flüssigen Kristallen und elektrooptischen Effekten mit flüssigen Kristallen beide Bedingungen nicht gleichzeitig erfüllt werden, so daß zusätzliche externe Entkopplungseinrichtungen vorgesehen werden müssen.

Zur Entkopplung einer Flüssigkristall-Matrix ist vorgeschlagen worden, daß zwischen der Flüssigkristallschicht und den Leiterbahnen des einen Leiferbahnsystems 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. Lschner 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 Anneigeschirms angeordnet sind. Der Aufbau eines

Anzeigeschirms mit einer V ,-zahl von Zeilen und Spalten ist auf diese Weise jedoch sehr umständlich und unwirtschaftlich; die Dioden und ihre Anschlüsse benötigen außerdem sehr viel Raum.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-

*5 gründe, einen großflächigen Flüssigkristallanzeigeschirm anzugeben, 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 erfindungsgemäß die Diodenanordnung in Form einer integrierten Diodenmatrix ausgebildet und zwischen dem ernten Leiterbahnsystem und der flüssigkrisiallinen Schicht angeordnet ist.

Die beiden Leiterbahnsysteme sind auf je einem Isolatorträger angeordnet.

Der Isolatorträger, der die Diodenmatrix trägt, besteht vorzugsweise aus Spinell, Saphir, Glas oder hochohmigem Halbleitermaterial. Der andere Isolator-

träger und das Leiterbahnsystem darauf müssen lichtdurchlässig sein. Diese Lc'terb^hner. werden deshalb vorzugsweise aus einer transparenten elektrisch leitenden Schicht aus Zinnoxid oder Indiumoxid bestehen. Es ist von Vorteil, eine Diodenschicht vom p-n oder

Schottkytyp 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 vom η-Typ sein soll, oder ist

mit Bor, Aluminium dotiert, wenn es vom p-Typsein soll. Weiterhin sitid zwischen den Dioden und der flüssigkristallinen Schicht Metallspiegel, z. B. Aluminiumspiegel oaer Chromspiegel, angeordnet. Vorteilhafterweise sind diese als Elektroden wincenden Spiegel voneinander und die Halbleiterstreifen von der flüssigkristallin°n Schicht durch Isolierschichten getrennt. Die Isolierschichten bestehen verzugsweise aus Siliziumoxid bzw. Siliziumnitrid. Sie ergeben außerdem eine ebene Unterlage für die Spiegel.

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

Fig. 1 einen einfachen Anzeigeschirm mit flüssigen Kristallen,

⁶S Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines solchen Anzeigeschirms,

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

5 6

Fig. 4 den Aufbau eines Anzeigeschirms mit einer gen an die Sperreigenschaften der verwendeten Dioden

integrierten Diodenschicht und sind dabei sehr groß, da

Fig. 5 ein Schnittbild zu Fig. 4.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Anzeige- 1. die flüssigkristalline Schicht sehr hochohmig ist schirms, der mit flüssigen Kristallen arbeitet. 1 und 2 5 und sich das Flüssigkristallelement im wesentbedeuten zwei Trägerplatten, z. B. aus Glas, auf deren liehen nur durch die Flüssigkristallschicht entInnenseiten sich je ein System von parallelen Leiter- laden darf,

streifen 3 und 4 befindet. Zwischen diesen Träger- 2. beim möglichen Übersprechen viele in Sperrichplatten mit ihren Leiterstreifen ist die flüssigkristalline tung liegende Dioden parallel geschaltet sind. Um Schicht 5 angeordnet. io kapazitives Übersprechen zu vermeiden, ist die

In dem Ersatzschaltbild einer ,Matrix der Fig. 2 Kapazität der Dioden hinreichend klein,
sind die Leiterbahnen der beiden Systeme X₁ bis X_n

und y\ bis ^m aufgetragen. Zwischen den beiden senk- Die Fig. 4 zeigt den Aufbau eines erfindungsgerecht aufeinanderstellenden Leiterbahnen bestehen so- mäßen Anzeigeschirmes, welcher der Übersichtlichkeit wohl Kapazitäten c_n bis c_mn als auch infolge der vor- 15 halber mit jeweils nurdrei Leiterbahnen in jedem Leiterhandenen Leitfähigkeit der Flüssigkristallschicht eine bahnsystem gezeichnet wurde. Zu der Fig. 5 ist ein galvanische Kopplung in Form der Kopplungswider- zugehöriges Schnittbild in Höhe des Pfeiles dargestände r_n bis r_mn. Wird nun durch Anlegen einer stellt. Die erste Trägerplatte 1 besteht aus dem Iso-Potentialdifferenz U zwischen die Leiterbahnen x_i und latormaterial Spinell. Auf ihr sind die drei Leiter- y_t der Kreuzungspunkt dieser beiden Leiterbahnen ao bahnen 2, 3 und 4 angeordnet, von denen jede mehrere angesteuert, so erhalten alle übrigen Kreuzungspunkte Seitenarme 5 aufweist. Diese Leiterbahnen 2, 3, 4 der Leiterbahn x₂ mit den Leiterbahnen y_k und der sowie ihre Seitenarme 5 bestehen aus Silizium. Die Leiterbahn y₂ mit den Leiterbahnen X₁ ebenfalls, wenn geradlinig von rechts nach links durchlaufenden Teile auch geringere, Potentialdifferenzen < i//2. Der elek- der Leiterbahnen sind durch Eindiffusion von Phostrooptische Effekt wird deshalb nicht nur an dem Kreu- 35 phor η-leitend gemacht, die Seitenarme der Leiterzungspunkt x₂y_2k sondern auch in geringerem Maße bahnen durch Eindiffusion von Bor p-leitend. Zwian den Kreuzungspunkten x₂y_k und x_ty₂ (ι Φ k) auf- sehen diesen beiden hochdotierten Gebieten wird ein treten. Am angesteuerten Kreuzungspunkt wird bei- geringer dotiertes Gebiet ausgebildet, so daß eine spielsweise ein Strom durch r₂₂ in der eingezeichneten n⁺pp⁺-Diodenanordnung entsteht, welche eine hohe Richtung fließen. Aber ebenso wird zwischen den 30 S^c-rwirkung aufweist. Zwischen den Leiterbahnen 2, Leiterbahnen y₂ und x₂ ein Strom über die Widerstände 3 und 4 sind Aluminiumspiegel 6 angeordnet. Zur r_M, r₁₃ und r_n fließen. Diese drei Widerstände werden Isolation der Leiterbahnen 2, 3 und 4 bzw. Spiegel 6 jedoch nicht in der gleichen Richtung vom Strom gegenüber einer Flüssigkristallschicht ist auf den bisher durchflossen. Allgemein gilt, daß die parasitären geschilderten Teil der Anordnung eine Isolations-Ströme immer über mehrere Widerstände fließen, wo- 35 schicht 7 aus Siliziumnitrid aufgebracht worden, bei die Stromrichtung in mindestens einem Widerstand welche die ganze Fläche mit Ausnahme der Kontaktentgegengesetzt ist zu der durch die anderen. öffnungen 11 über den Seitenarmen 5 überdeckt. An-

Um diesen Störeffekt der Ansteuerung von nicht schließend an diese Isolatorschicht 7 bzw. die Alumigewünschten Kreuzungspunkten zu vermeiden, werden niumspiegel 6 ist eine Flüssigkristallschicht 8 angeordvor alle Kreuzungspunkte Dioden geschaltet, die be- 40 net. An die Flüssigkristallschicht 8 anschließend folgt kanntlich den Strom nur in einer Richtung durch- wiederum eine Trägerplatte 9, auf deren Unterseite lassen. Außerdem werden mit Dioden die in Fig. 2 ein weiteres System von Leiterbahnen 10 aus Zinn- und 3 gezeichneten Kapazitäten c_1? bis c_mn mit kurzen dioxid so angeordnet ist, daß die Leiterbahnen 10 Impulsen aufgeladen, wobei sich die Kapazitäten dann genau über die Spiegel 6 hinweggeführt sind,
langsam (mit der Zeitkonstanten RC) über die Flüssig- 45 Der so entstandene Anzeigeschirm enthä't integriert kristallschicht entladen. Dadurch wird es möglich, den angeordnete Dioden, die alle den Strom in der gleichen Bildschirm mit Impulsen einer Impulsdauer anzu- Richtung durchlassen. Bei Ansteuerung vorgegebener steuern, die weit unterhalb der Ansprechzeit der flüssi- Elektroden der beiden Leiterbahnsysteme entsteht nur gen Kristalle liegt. Man erhält so einen Bildschirm mit an den ausgewählten Kreuzungspunkten der Leiterschneller Einschreibgeschwindigkeit Die Anforderun- 50 bahnen der gewünschte elektrooptische Effekt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

ι 2 bahnen und Dioden vorgesehenen Streifen befind- Patentansprüche: liehen Teile der Siliziumschicht durch Ätzen entfernt werden.

1. Anzeigeschirm bestehend aus einer flüssig- 14. Verfahren zur Herstellung eines Anzeigekristallinen Schicht mit einem ersten Leiterbahn- 5 schirms nach einem oder mehreren der vorhersystem auf einer Seite der Schicht und einem zwei- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daG ten zu dem ersten senkrecht stehenden Leiterbahn- neben bzw. auf diesen Leiterstreifen an den Kreusystem auf der anderen Seite der Schicht und einer zungspunkten durch epitaxiales Wachstum eine Diodenanordnung, dadurch gekenn- Siliziumschicht 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 Leiterbahnsysteme 15 Die Erfindung betrifft einen Anzeigeschirm, be-

auf je einem Isolatorträger angeordnet sind. stehend aus einer flüssigkristallinen Schicht mit einera

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

4. Anzeigeschirm nach Ansprach I, dadurch zen, die im interessierenden Zustand flüssig sind, aber gekennzeichnet, daß die Dioden vom p-n-Typ sind, im Gegensatz zu den Flüssigkeiten des täglichen wobei die p- oder n-Teilschicht streifenförmig aus- Lebens gewisse Eigenschaften von Kristallen aufweisen, gebildet ist, und daß diese Halbleiterstreifen das »5 Sie sind einer, in manchen Fällen auch mehrerer erste Leiterbahnsystem bilden. Zwischenphasen zwischen dem festen kristallinen Zu-

5. Anzeigeschirm nach Anspruch 4, dadurch stand einerseits und dem isotropflüssigen Zustand gekennzeichnet, daß die Leiterstreifen aus hoch- andererseits fähig (smektische, nematische, cholestedotiertem Si)^;zium bestehen. rische Mesophase). Im folgenden sollen nur nematische

6. Anzeigeschirm nach einem oder mehreren der 30 und cholesterische Flüssigkeiten betrachtet werden, bei vorhergehender) Ansprüche, d-durch gekennzeich- diesen Flüsisgkeiten sind eine Reihe von elektrpoptinet, daß die p-n-Diodenschicht ein schwach dotier- sehen Effekten bekannt, die beim Aufbau von Flüssigtes Gebiet zwischen den hocudotierten p⁺- und kristall-Matrixbildschirmen Anwendung finden könn+-Bereichen aufweist. nen. Dazu gehören die dynamische Streuung, welche

7. Anzeigeschirm nach einem oder mehreren der 35 von G. H. Heilmeier, L. A. Zanoni und I. A. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- Barton in Proc. IEEE 56, 1968 ausführlich beschrienet, daß die Diodenanordnung mit Schottky-Dio- ben ist.

den ausgebildet ist. Ein weiterer in Betracht kommender elektroopti-

8. Anzeigeschirm nach einem oder mehreren der scher Effekt ist der Speichereffekt. Eine ursprünglich vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- 40 transparente Schicht (planare cholesterische Textur) net, daß zwischen den Dioden und der flüssig- bestehend aus einer Mischung einer nematischen und kristallinen Schicht Aluminium- oder Chromspicgel einer cholesterischen Substanz wird beim Anlegen angeordnet sind. einer elektrischen Gleichspannung milchig trüb. (Ent-

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

10. Anzeigeschirm nach Anspruch 9, dadurch sigkristalle eignen sich z. B. Mischungen von MBBA gekennzeichnet, daß die Isolierschichten aus SiIi- mit 8% Cholesterylchlorid bzw. N IV mit 8% Choleziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen. 50 sterylchlorid. Einzelheiten sind in Appl. Phys. Letters

11. Verfahren zur Herstellung eines Anzeige- 13, 132 und 133 (1968), Proc. IEEE, 57, 34 (1969) von Schirmes nach einem oder mehreren der vorherge- G. H. Heilmeier, J. E. Goldmacher, beschrieben henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß worden.

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

fähigkeitstyp 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

gengesetzten Leitfähigkeitstyp vorgenommen wird. parallel oder senkrecht zu der Glasoberfläche stehen.

12. Verfahren zur Herstellung eines Anzeige- Im elektrischen Feld werden die Moleküllängsachsen schirmes nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich- 60 gedreht. 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 Transmissionseigenschaften gebracht werden. der Flüssigkristallschicht mit und ohne angelegtes

13. Verfahren zur Herstellung eines Anzeige- elektrisches Feld zwischen Polarisatoren kann zur schirms 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 Orienauf dem Isolatorträger eine Siliziumschicht aufge- tierungseffekt wurde von R. A. Soref in Laser Focus dampft wird und die zwischen den für die Leiter- 45 bis 49, Sept. 1970 beschrieben.