DE2419170B2 - Fluessigkristall-bildschirm mit matrixansteuerung - Google Patents

Fluessigkristall-bildschirm mit matrixansteuerung

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DE2419170B2 DE19742419170 DE2419170A DE2419170B2 DE 2419170 B2 DE2419170 B2 DE 2419170B2 DE 19742419170 DE19742419170 DE 19742419170 DE 2419170 A DE2419170 A DE 2419170A DE 2419170 B2 DE2419170 B2 DE 2419170B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkristall-Bildschirm mit Matrixansteuerung, der eine Tragplatte mit einer auf einer Seite aufgebrachten Feldeffekt-Transistormatrix, die eine Vielzahl von Gateleitungen und eine Vielzahl die Gateleitungen kreuzender Sourceleitungen aufweist, eine Deckplatte, die mit einer durchsichtigen leitenden Schicht bedeckt ist, und eine zwischen der Matrix und der leitenden Schicht angeordnete Flüssigkristallschicht umfaßt.
In dem Aufsatz »Liquid Crystal Displays« von Bernard ]. Letchner, erschienen in »Pertinent Concepts in Computer Graphics«, University of Illinois Press, 1969, ist eine Anzahl von Methoden zur Ansteuerung für Flüsaigkristall-Bildschirme mit Matrixanordnungen behandelt, darunter eine »einfache« Anordnung, die eine vorgespannte Diode pro Darstellungselcment umfaßt, eine Doppel-Dioden-Kondensator-Anordnung und eine Feldeffekttransistor-Kondensator-Anordnung. In dem Artikel ist betont, daß ein wirtschaftlich brauchbarer Flüssigkristall-Matrixbildschirm offensichtlich voraussetzt, daß die Schaltungsanordnungen in integrierter Form hergestellt werden, obwohl ein vollständiger Bildschirm Metallisierungen in vielen Ebenen und eine hohe Ausbeute auf einer großen Substratfläche erfordern. Diese Bedingungen sind bei den bekannten Flüssigkristall-Bildschirmen nur mit großen Schwierigkeiten zu erfüllen.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Matrixanordnung zur Ansteuerung von Flüssigkristall-Bildschirmen anzugeben, welche die Herstellung der integrierten Schaltung für die Matrixansteuerung wesentlich erleichtert, so daß auch auf großen ■-, Flächen die Schaltungsanordnungen mit hoher Ausbeute erstellt werden können.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß jeder Feldeffekt-Transistor der Matrix einen leitenden Drainfleck aufweist, der mit der dem
ίο jeweiligen Transistor zugeordneten Gateleitung kapazitiv gekoppelt ist.
Durch die Erfindung wird demnach ein Flüssigkristall-Bildschirm geschaffen, der unter Verwendung der Feldeffekttransistortechnik hergestellt werden kann
!■·> und eine zeilenweise Ansteuerung mit normalen Fernsehfrequenzen ermöglicht. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Bildschirms liegt darin, daß der leitende Drainfleck des Feldeffekttransistors gleichzeitig als eine Platte des Kondensators des
>o Feldeffekttransistor-Kondensator-Matrixelements dient, während ein Teil der Gateelektrode als andere Kondensatorplatte 'dient. Dabei kann der Drainfleck selbst die reflektierende Elektrode sein, die zum Ansteuern des Flüssigkristallmatenals dient, so daß nur
ν-, zwei Arten von Ansteuerleitungen in der Matrix benötigt werden, nämlich eine Art, die alle Gateclektro-
den einer Zeile verbindet, und eine zweite Art, die alle Sourceelektroden einer Spalte verbindet.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der
ίο Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu
Γ) mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer Feldeffekttransistor-Kondensator-Ansteuerung nach dem Stande der Technik, Fig.2 ein Schaltbild einer Matrixansteuerung nach
■ίο der Erfindung,
F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Flüssigkristall-Bildschirms nach der Erfindung und
Fig.4 eine schematische isometrische Darstellung eines Teiles des Bildschirms nach F i g. 3.
4-, Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß bei einer typischen Feldeffekttransistor-Kondensator-Ansteuerung nach dem Stande der Technik jedes einzelne Matrixelement einen Feldeffekttransistor 10 umfaf.lt, dessen Gate mit einem Zeilentreiber 12 und dessen Emitter mit einem
-,ο Spaltentreiber 14 verbunden ist. Unmittelbar mit dem Gate des Transistors 10 ist eine Platte eines Kondensators 16 verbunden, dessen andere Platte mit Masse 18 verbunden ist. Wie weiterhin in Fig. I symbolisch dargestellt ist, wird von diesem speziellen
ν, Matrixelement eine Teilmenge Flüssigkristall 19 aktiviert. Wie bekannt, ist eine Elementarzelle einer nematischen Flüssigkristallmatrix einer Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator äquivalent. Typische Werte sind für diesen Widerstand 10s Ohm f,o und für den Kondensator 1 pF.
Es sei nun die Arbeitsweise einer solchen Matrix betrachtet. Zwischen dem Anlegen eines elektrischen Signals an den Flüssigkristall und der Änderung von dessen optischen Eigenschaften besteht eine Verzögeh5 rung. Im statischen Zustand ist der Kontrast eine stetige, monotone Funktion der Spannung. Infolgedessen kann in Abhängigkeit von geeigneten Änderungen des Eingangssignals eine Grauskala durchlaufen werden.
Damit ein Matrix-Bildschirm mit einer relativ hohen Bildfrequenz betrieben werden kann, beispielsweise der Fernsehfrequenz, muß allgemeii. jedes Matrixelement sowohl Speichereigenschaften als auch einen Schwellenwert aufweisen. Bei der Anordnung nach Fig. 1 erzeugt der Feldeffekt-Transistor 10 einen Schwellenwert, während der Kondensator 16 eine Speicherung bewirkt, welche die Zeit, während der eine Signalspannung am Flüssigkristall anliegt, über dessen Relaxationszeit ausdehnt, wodurch der Flüssigkristall die Möglichkeil erhält, anzusprechen. Um eine zeilenweise Abtastung zu ermöglichen, wird jeweils der entsprechende Zeilentreiber, beispielsweise der Zeilentreiber R\, aktiviert.
Alle Daten für eine gegebene Zeile Matrixelemente kann serienweise in ein nicht dargestelltes Schieberegister mit serieller Eingabe und paralleler Ausgabe eingetaktet werden, das zwischen die Eingangsdatenquelle und die verschiedenen Spaltengeneratoren O, Cs usw. geschaltet ist. Ein positives Signal vom Zeilentreiber Ri führt den Feldeffekttransistoren der Spalte 1 eine Vorspannung zu, so daß sie leitend werden, und es werden den entsprechenden Kondensatoren Cn, G2 usw. die von den verschiedenen Spaltengeneratoren G, Ci,..-, Cn erzeugten Spannungen zugeführt. Auf diese Weise werden die geeigneten Spannungen den Flüssigkristallelementen LGi, LG 2 usw. aufgeprcgt. Es sei angenommen, daß der von dem Zeilentreiber R\ gelieferte Impuls kurz vor der Zeit endet, an dem die von den Spaltengeneratoren erzeugten Pulse enden, Dann werden die Transistoren der Zeile 1 alle gesperrt, und es bleiben die von den Spaltengeneratoren bestimmten Spannungen an den aus Kondensator und Flüssigkristallelement bestehenden Kombinationen bis /.um Ende der laufenden Bildperiode bestehen, nachdem der Vorgang wiederholt wird. Wenn bei dem nächsten Bild die Amplitude eines speziellen Spaltenimpulses, größer ist als bei dem vorhergehenden Bild, wird der Parallelkombination von Flüssigkristallelement und Kondensator zusätzliche Ladung zugeführt, so daß sie bei einer höheren Spannung belassen wird. Wenn dagegen die Amplitude kleiner ist, wird Ladung abgezogen, und es bleibt die Kombination bei einer niedrigeren Spannung. Da der Feldeffekttransistor, nachdem er vom Zeilentreiber in den leitenden Zustand versetzt wurde, in beiden Richtungen stromleitend ist, wird kein Rückstellimpuls benötigt. Obwohl bei der vorstehenden Beschreibung das Vorliegen von Feldeffekttransistoren vom N-Öberschußtyp angenommen worden ist, können gleichartige Schaltungsanordnungen auch mit Feldeffekttransistoren vom P-Überschußtyp oder N- oder P-Verarmungstyp verwendet werden.
Aus Fig. 2, welche das Ansteuerungsschema eines Flüssigkristall-Bildschirms nach der Erfindung nach Art eines schematischen Schaltbildes wiedergibt, ist ersiehtlieh, daß es sich auch hier um eine Feldeffekttransistor-Kondensator-Ansteuerung handelt, bei der jeweils eine ganze Zeile gleichzeitig angesteuert wird. Es ist jedoch zu beachten, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Kondensator 26 unmittelbar zwischen Drain und Gate des Transistors 20 geschaltet ist, wodurch eine Notwendigkeit für eine Verbindung zwischen dem Kondensator und Masse vermieden ist. Auf diese Weise wird die Herstellung einer integrierten Anordnung in der Praxis bedeutend erleichtert, was aus den folgenden Ausführungen noch deutlicher werden wird.
Es sei angenommen, daß das von einem Zeilentreiber, beisDielsweise R\, gelieferte Einschaltsign?1 einen positiven Impuls aufweist, wie er durch die Kurve 29 dargestellt wird, während das Signal der verschiedenen Spaltengeneratoren Ci, C2 usw. ein negatives Analogsignal ist. Dann wird die Spannung, die dem Kondensa-
'· tor Cn zu Beginn zugeführt wird, die vom Spaltengenerator G gelieferte analoge Spannung 30 um einen Betrag überschreiten, der durch den Einschaltimpuls bestimmt ist. Wenn jedoch die Spannung des Einschaltimpulses auf 0 zurückgeht, wodurch der Feldeffekt-
i" Transistor Γη abgeschaltet wird, so ist die Spannung, die am Kondensator Cn stehenbleibt, im wesentlichen gleich der vom Spaltengenerator Ci gelieferten Spannung, und es liegt der Kondensator Cw funktionell parallel zu dem Flüssigkrisiallelement LGi, wobei
r> angenommen ist, daß während der Rest/.eil jeder Bildperiode der Zeilentreiber R\ einen nur geringen Widerstand gegen Masse aufweist.
Es ist demnach ersichtlich, daß der Kondensator 26, obwohl er dem Aufbau nach parallel zur Gate-Drain-Strecke des Transistors liegt, funktionell während der größten Zeit einer Bildperiode parallel zum Flüssigkristallelement 'liegt und dadurch effektiv die Ansprechzeit des Flüssigkristalls und danach dessen dielektrische Relaxationskonstante erhöht. Der Kondensator 26
y> sollte so bemessen sein, daß seine Kapazität wenigstens um eine Größenordnung größer ist als diejenige des Flüssigkristallelements 27, damit die Ladung erhalten bleibt, bis der Flüssigkristall reagieren kann.
Wenn der Flüssigkristall mit Emulsionsspeicherung
so arbeitet, kann die dargestellte Information durch ein negatives Wechselstromsignal auf den verschiedenen Zeilenleitungen oder von der Masseseite des Flüssigkristalls gelöscht werden. Wenn der Flüssigkristall dagegen mit dynamischer Streuung arbeitet, kann auf
:."> die Zeilenleitungen von den verschiedenen Zeilengeneratoren Ri, /?2 usw. Zeile für Zeile ein negativer Steuerimpuls zur Kontrasterhöhung gegeben werden. j Es sei jedoch erwähnt, daß diese Maßnahme nicht notwendig ist, da beim Schreiben jedes Bildes
•κι automatisch die Parallelkombination von Flüssigkristallelement und Kondensator auf die neue Spaltenspannung gebracht wird, weil der Feldeffekttransistor in beiden Richtungen Strom übertragen kann. Für Flüssigkristalle mit dynamischer Streuung be-
4Ί stimmt das Verhältnis des Sperrwiderstandes des Feldeffekttransistors zum Vorwärtswiderstand in hohem Maße die Ladegeschwindigkeit, während der Sperrwiderstand die Speichel ung der Ladung im Kondensator bestimmt. Bei Flüssigkristallen mit Emul-
■■><> sionsspeicherung kann ein größerer Parallelkondensator erwünscht sein, weil das Flüssigkristallmaterial eine größere Leckrate hat. Ein Betreiben des Bildschirms mit Fernsehfrequenz erfordert, daß die RC-Zeitkonstante zum Aufladen des Speicherkondensators im Bereich
■v> von Mikrosekunden liegt, während die Entlade-Zeitkonstante bei gesperrtem Transistor größer sein muß als die Millisekunden, die zum Erregen des Flüssigkristalls benötigt werden. Diese Forderungen ergeben, daß das Verhältnis von Sperrwiderstand zu Durchlaßwiderstand
M> des Transistors wenigstens drei Größenordnungen beträgt. Bei einem Bildschirm mit 20 Elementen pro cm kann dem Pufferkondensator eine Kapazität im Bereich von 10~l0 bis 1012 F pro Element gegeben we;den, d. h. der 1- bis lOOfache Wert der Kapazität des Fiüssigkri-
h5 Stallelements. Demgemäß ist bei einem Nennwert von 10-'" F des Pufferkondensators und einer Ansprechzeit des Flüssigkristalls von 10 ms ein Sperrwiderstand des Transistors von mehr als 108Ohm erforderlich. Diese
Betrachtungen bestimmen die Anforderungen an die Transislorcigenschaften. Für einen Betrieb mit Fcrnsehfrequcn/.cn, nämlich einer Bildfrequenz von 30 Hz, 55 μs Sdireib/.cit pro Zeile und 525 Zeilen, und unter Berücksichtigung der Eigenschaften von MBBA als Flüssigkristall sind die für die Transistoren eines Flüssigkristall-Bildschirms erforderlichen Betriebseigenschaften in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
Betriebseigenschaften der Transistoren
Gefordert Erreicht
Mindestverhältnis von 103-104 2 · 103
Sperr- zu Durchlaß
widerstand
Mindest-Sperrwiderstand 108 — 2 · 109 Ohm
Rsn 109 Ohm
Betriebsspannung Vsd 30 V 30 V
Mindest-Durchlaßstrom Isd 10 μΑ 40 μΑ
Einzelheiten des Aufbaues einer Dünnschicht-Transistoranordnung nach der Erfindung werden nun an Hand der Fig.3 und 4 erläutert, von denen Fig.3 den Querschnitt durch einen Abschnitt eines vollständigen Bildschirms und Fig.4 die Transistoranordnung auf einem Substrat, ohne schützende Deckschicht, in aufgebrochener Perspektive zeigt. Es ist ersichtlich, daß der gesamte Flüssigkristall-Bildschirm eine Deckplatte 40 mit einer durchsichtigen, leitenden Beschichtung 41, eine Trägerplatte 42, auf dem eine Vielzahl von Gateleitungen 44 aufgebracht ist, die von einer Isolierschicht 46 bedeckt sind, und eine Halbleiterschicht 48 umfaßt. Auf der oberen Fläche der Halblciterschicht 48 sind .Sourceleitungen 50 gebildet, die rechtwinklig zu den Gateleitungen 44 verlaufen, jeder Schnittpunkt zwischen diesen Leitungen definiert eine Elcmentarzelle. Für jede Elemcntarzelle ist auf der oberen Fläche der Halbleiterschicht 48 jeweils auch ein Drainflccken 52 unmittelbar neben einer Sourceleitung 50 und unmittelbar über einer Gateleitung 44 aufgebracht. Der Drainflecken hat eine relativ große Fläche und dient nicht nur als Drainelektrode für den Feldeffekttransistor, sondern bildet auch eine Platte eines Speicherkondensators und kann eine reflektierende Elektrode bilden, die in Verbindung mit der Deckplatte 40 dazu dient, den benachbarten Flüssigkristall 54 zu aktivieren. Eine schützende Deckschicht 56, die aus Calciumfluorid und Siliciumoxid oder Quarz bestehen kann, kann dann auf die gesamte Anordnung aufgebracht werden. Der Zweck dieser Schicht besteht darin, die Stabilität der einzelnen Feldeffekttransistoren zu verbessern und weiterhin unerwünschte elektrochemische Reaktionen zwischen dem Flüssigkristall und den frei liegenden Abschnitten der Halblciterschicht 48 zu verhindern.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 sind in der Deckschicht 56 über den Drainflecken 52 Löcher vorgesehen, um einen Stromfluß von den einzelnen Drainfleckcn zu der leitenden Beschichtung 41 zu ermöglichen. Ls sei jedoch bemerkt, daß dann, wenn für den Flüssigkristall 54 ein reiner FeldclTektbeirieb beabsichtigt ist. die Löcher 58 entbehrlich sind.
Bei einer als Beispiel ausgeführten Matrix, die eine Auflösung von 12 Linien pro cm oder 144 Zellen pro cm2 aufwies, hatten die Drainflecken eine Größe von etwa 0,7 χ 0,7 mm2, womit eine reflektierende Oberfläche von mehr als 70% geschaffen wurde. Die reflektierende Gesamtfläche kann 75% überschreiten, wenn die Reflexion an den Sourceleitungen 50 mit cinbezogcn wird.
Ein solcher betriebsfähiger Bildschirm weist also Flüssigkristall 54 auf, der sich zwischen der Tragplatte
ίο 42 und der Deckplatte 40 befindet. Nicht dargestellte, geeignete Abstandshalter aus Kunststoff (Mylar) dienen dazu, die geeignete Dicke der Flüssigkristallschicht einzuhalten. Die leitende Beschichtung 41 kann entweder eine durchgehende Schicht oder ein Linicn-
i") muster sein, das mit den Gatelcitungcn 44 übereinstimmt, um die Möglichkeit der Zufuhr der Videosignale über die Beschichtung 41 zu geben.
Für einen Betrieb mit dynamischer Streuung kann als Flüssigkristall für den Bildschirm MBBA Verwendung finden, dessen chemische Bezeichnung n-(p-Methoxybenzyliden)-p-n-butylanilin ist und das 2,3% Cholestan und 1% eines Zwitterionen-Dotierungsmittels enthält. Dieses Material hat einen niederen Anfangs-Schwellenwert von nur 2,5 V.
2) Die Isolierschicht 46 kann beispielsweise entweder aus Siliciummonoxyd oder Aluminiumoxyd, aber auch aus jedem anderen Isolator mit einer geeigneten Dielektrizitätskonstante, bestehen und ist ebenso wie die Halbleiterschicht 48, die beispielsweise aus CdSc
so oder CdS bestehen kann, durch übliche Verfahren der Dünnschichttechnik aufgebracht. Die Gateleitungcn 44 können aus Chrom oder Aluminium bestehen und können durch Ätz- oder Maskierungsverfahren auf die aus Glas bestehende Tragplatte 42 aufgebracht sein. Die
r> Sourceleitungen 50 und die Drainflecken 52 bestehen aus einem reflektierenden Metall, beispielsweise Silber, und können auf photolithographische Weise gebildet sein. Da die Sourceleitungen und die Drainflecken im gleichen Arbeitsgang gebildet werden, wird ihre
■in Relativstellung mit Sicherheit eingehalten, und es ist eine Ausrichtung nur hinsichtlich der Stellung der Drainflecken über den Gateleitungen 44 erforderlich, was im Hinblick auf die relativ große Breite der Gateleitungen ohne Schwierigkeiten möglich ist.
i) Die vorstehenden Ausführungen setzen einen reflektierenden Bildschirm voraus, bei dem das Licht von den Drainflecken 52 zum Beobachter reflektiert wird. Wenn jedoch ein durchsichtiger Bildschirm erwünscht ist, kann zu diesem Zweck ein relativ durchsichtiges leitendes
-,Ii Material für die Elektroden, nämlich die Gatelcitungen 44, die Sourceleitungen 50 und die Drainfleckcn 52 benutzt werden, wie beispielsweise Indiumoxid, Cadmiumoxid oder Zinnoxid. Auch die Durchsichtigkeit der Halbleiterschicht 48 kann durch die Wahl eines
v, geeigneten Materials oder durch eine Beschränkung dcf Halbleitermatcrials auf diskrete Flecken im Kanalbe reich zwischen Drain und Sourccelcktrodcn verbcsser' werden.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß eil
wi Flüssigkristall-Bildschirm nach der Erfindung unte Anwendung der Dünnschicht-Transistortechnik leich hergestellt werden kann und die Größe des Bildschirm sowie die Anzahl der darin enthaltenen Elemente im durch die zur Herstellung verfügbaren F.inrichtungc!
t,■-, beschränkt ist.
1 lici/u 2 H'iiit /vicliniumen

Claims (4)

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

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