DE2613891A1

DE2613891A1 - Anzeigevorrichtung zur darstellung von zeichen aller art

Info

Publication number: DE2613891A1
Application number: DE19762613891
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Phys Dr Baur; Waldemar Greubel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1976-03-31
Publication date: 1977-10-13
Also published as: DE2613891C3; FR2346794A1; GB1573846A; JPS52120698A; DE2613891B2; CH622637A5

Description

Einleitung

Seit einiger Zeit sind eine ganze Anzahl von passiven Anzeigevorrichtungen bekannt, wie z.B. elektrophoretische, elektroohrome, Flüssigkristall-, ferroelektrisohe Anzeigen, die selbst kein Licht erzeugen, sondern bei denen das vorhandene Umgebungslicht räumlich moduliert wird. Die vorliegende Anmeldung will zu den vorhandenen eine Matrixanzeigevorriohtung hinzufügen, die nach einem neuen Prinzip arbeitet und die in verschiedener Hinsicht beträchtliche Vorteile bieten kann. Die Erfindung wird in den Patentansprüchen 1 bis 9 dargestellt.

Die Zeichnungen haben folgenden Inhalt:

Fig. 1: Grobaufbau des Matrixbildschirms unter Verwendung einer Fluoreszenzplatte als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2: Detailaufbau eines Bildpunktes der Matrix

Pig. 3: Steuerung des Fluoreszenzliohtaustritts an einem Bildpunkt

Fig. 4: Schema der elektrischen Adressierung des Bildsohirms

Fig. 5: Weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung: Steuerung des Fluoreszenzliohtaustrittes durch Ausdehnung einer ferroelektrisohen Keramikplatte in Abhängigkeit von der remanenten elektrischen Polarisation.

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Ausführliche Beschreibung der Erfindung: 2 D I 3 O 9 1

Wir betrachten eine wenige Millimeter dicke ebene Plexiglasplatte mit glatter Oberfläche, in welcher ein Fluoreszenzstoff in solcher Konzentration gelöst ist, daß beispielsweise aus dem auftreffenden Tageslicht der blaue Anteil voll absorbiert und in grünes Fluoreszenz licht umgesetzt wird. Des weiteren solle diese Platte senkrecht zur Plattenebene verlaufende Stirnflächen besitzen, die ideal lichtreflektierend sein sollen, so daß an den Rändern der Platte kein Fluoreszenzlicht austreten kann. Für den Wiederaustritt des Fluoreszenzlichts aus der Platte ist die Reflexion am dünneren Medium maßgebend. Man kann in guter Näherung so rechnen, als ob alles Licht, das unter einem Winkel =^3er Totalreflexion -.c auf die Oberfläche trifft, die Platte verläßt und das Licht des übrigen Winkelbereichs infolge Totalreflexion in der Platte eingefangen bleibt. Der Winkel der Totalreflexion ergibt sich aus der Beziehung η sin ^_tot = 1 (für den Brechungsindex η von 1,49 für Plexiglas ergibt sich <*-_t . * 42°). Der Anteil des nicht totalreflektierten Fluoreszenzlichtes - hier als Verlustfaktor V bezeichnet - beträgt

""2 ' ⁷ V = 1 - cos '-"^₀* ⁼ Hi ν η -1

η
(in Beispiel n = 1,49, V = 25%)

Alles innerhalb des Winkels der Totalreflexion emittierte Licht (im Beispiel also 75%) wird durch fortgesetzte verlustfreie Totalreflexion in der Plattenebene geführt.

Das in der Fluoreszenzplatte infolge Totalreflexion eingefangene Fluoreszenzlicht kann nun durch Umlenkung an lichtstreuenden Flächen, in folgenden zur Abkürzung als Austrittsfenster bezeichnet, die mit

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der Fluoreszenzplatte elektrisch steuerbar in optischen Kontakt gebracht werden können, zum Austritt gebracht werden und auf diese Weise zur optischen Darstellung von Zeichen aller Art verwendet werden. Unter Vernachlässigung unvermeidlicher Wiederaustrittsverluste und unter der Annahme, daß sonst keine Verluste in der Platte vorhanden sind, ist der"Helligkeitsverstärkungsfaktor" d.h. der Faktor, der die Anhebung der Leuchtdichte der Austrittsfenster der Fluoreszenzplatte gegenüber der Leuchtdichte eines Farb-s anstrichs mit dem gleichen Fluoreszenzstoff angibt, im wesentlichen gegeben durch das Verhältnis von lichtabsorbierender Fläche der Anordnung zur Gesamtfläche der Austrittsfenster des Fluoreszenzlichtes.

Als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig.1 der Grobaufbau des Matrixbildschirms unter Verwendung einer Fluoreszenzplatte in auseinandergezogener Darstellung gezeigt.

Eine Kunststoffplatte (Plexiglas) (3) trägt Rückelektroden (1) und

(Pluor e s zfiiiajjlat t e) Stege (2). Eine zweite PlexiglasplatteY(S)"enthält den gelösten Fluoreszenzstoff und besitzt verspiegelte Stirnkanten (6), gekennzeichnet durch Schraffierung. Diese zweite Plexiglasplatte, die hier als Fluoreszenzplatte bezeichnet wird, trägt Vorderelektroden (3) und Stege (7) in identischer Anordnung wie die Plexiglasplatte (3). Zwischen diesen beiden Stegsystemen befinden sich streifenförmige Kunststoffmembranen (4), die mit leitfähigen Belägen sowie einer PigiÄent- und einer Isolierschicht versehen sind. Der Detailaufbau des Bildschirms ist in Fig. 2 anhand einer Ausschnittsvergrößerung eines Bildpunktes gezeigt. Darin bedeutet (5) die Fluoreszenzplatte₅(9) die lichtstreuende Pigmentschicht, die zur Auskoppelung des Fluoreszenzlichtes dient.(11) und (12)

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sind leitfähig Schichten zu beiden Seiten der Kunst stoff membran (4·), elektrisch miteinander verbunden, im folgenden als Membranelektrode bezeichnet. (13) ist eine Isolierschicht, (.3), ist die an-.ere Kunststoffplatte, (1) ist eine streifenförmige Rückelektrode, (8) ist eine streifenförmige Vorderelektrode, (10) ist ein Kontaktfilm zur optischen Kontaktierung, z.B. ein geeigneter Flüssigkeitsfilm in sehr flachen (kreisförmigen) Vertiefungen, und (7) sind die erwähnten Stege.

Wird zwischen die Membranelektrode (11), (12) und die Vorderelektrode (8) eine elektrische Spannung gelegt, so wird die Kunststoff nie nib ran (4) aufgrund der elektrischen Feldkräfte zur Vorderelektrode hin gezogen und kommt schließlich in Berührung mit dem optischen Kontaktfilm (10), welcher den optischen Kontakt zwischen der Fluoreszenzplatte (5) und der licht streuend en Schicht (9) herstellt. Indem zwischen die Rückelektrode (1) und die Membranelektrode (11), (12) eine elektrische Spannung gelegt wird, wird die Membran in Richtung der Rückelektrode gezogen und mit der Kunststoffplatte (J) in optischen Kontakt gebracht. Der Kontaktfilm (10) bewirkt aufgrund von Oberflächenspannung das Haften der Membran in diesen beiden Auslenkungszuständen. In Fig. 3 ist im Detail die Steuerung des Fluoreszenzlicht austritt s an einem Bildpunkt dargestellt. In (a) ist die Membranstellung an einem Bildpunkt in Position "ein" gezeigt: Fluoreszenzlicht tritt am Bildpunkt aus. In (b) ist die Membran im Ablösungsstadium während des "Löschens" dargestellt. Das Abreißen des flüssigen Kontaktfilms ist angedeudet. In (c) ist die Kembranstellung an einem Bildpunkt in Position "aus" gezeichnet: Es tritt kein Fluoreszenz licht am Bilclpunkt aus.

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Jg-

In Fig. 4 ist ein Schema der elektrischen Ansteuerung des Bildschirms gezeigt. In dem gezeigten Beispiel werden 2 gekennzeichnete Bildpunkte "ein" geschaltet durch das gezeigte Spannungsimpulsschema. Man kann sich an diesem Schema klarmachen, daß elektrische Feld-, kräfte auf die Membran nur an den beiden gekennzeichneten Punkten auftreten, d.h. das sonst in üblichen Matrixanordnungen auftretende Öbersprechproblem ist in dem hier behandelten Matrixaufbau völlig eliminiert. Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, daß hier Vorder- und Rückelektroden bezüglich ihrer elektrischen Ansteuerung starr miteinander gekoppelt sind: aequivalente Elektroden erhalten die gleichen Spannungsimpulse nur mit umgekehrten Vorzeichen, Die Matrix wird also nach wie vor über 2 unabhängige gekreuzte Elektrodenreihen angesteuert.

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Es folgen hier stichpunktartig noch, einige qualitative Angaben zu Aufbau und Funktion des Bildschirms.

- Als Leiterbahnen sind Aluminium- oder Silberelektroden wegen hoher Leitfähigkeit, hohem Reflexionsvermögens für das Fluoreszenzlicht und Kompatibilität mit Künststoff von Vorteil; alternativ transparente Elektroden aus SnO₇ oder In₂O-

- Wenn die Kunststoffplatten und die Kunststoff-Membranen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten haben, ist der Einfluß der Temperatur auf die Membranspannung und damit auf die elektrischen Kenndaten beseitigt.

- Die Herstellung genügend ebener Plexiglasplatten (z.B. Ebenheit von optisch poliertem Glas o,2/UmXcm) ist sehr billig, im Gegensatz Z.U Glasplatten gleicher Ebenheit.

- Der skizzierte Aufbau besitzt den Vorteil, daß keine Membranschwingungen mit den daraus folgenden Komplikationen auftreten.

- Verkop-pelung durch Drtickimpulse wird vermieden durch Evakuieren des Anzeigen-Innenraums bis auf etwa 1o Torr, was wegen des dichten Stegsystems problemlos ist. Durch den äußeren Luftdruck werden die Membranen an den Stegen durch Anpressen fixiert, wodurch man sich das Fixieren durch ein Klebemittel erspart.

- Die Gesamtfläche der Anzeige liegt für alphanumerische oder graphische Darstellungen üblicher Art im ungünstigsten Fall weit über eine Größenordnung höher als die von den Bildpunkten der Zeichen (Lichtaustrittsfenster) eingenommene Fläche. Dies

gewährleistet ausreichend große Bildhelligkeit. |

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Der Umstand, daß bei sehr gering werdender Zahl von aktivierten Bildpunkten die Fluoreszenzlicht-Laufzeit und damit der Absorptionsverlust an den verspiegelten Stirnflächen rapide anwächst, wirkt sich stark in Richtung einer Nivellierung der Bildpunkthelligkeit in Abhängigkeit von der Zahl der aktivierten Bildpunkte aus, wie gewünscht. Es ist empirisch sichergestellt worden, daß die mäßig von der Gesamtinformationsmenge abhängige Bildpunkthelligkeit für einen Beobachter völlig problemlos ist.

Das optische Kontaktiermittel soll dauerhaft örtlich fixiert sein an den Bildpunkten. Das wird erreicht durch die kleinen Vertiefungen (1o) in Fig. 2 und dadurch, daß das Kontaktiermittel die Plexiglasoberfläche benetzt (kleiner Randwinkel), die Pigmentschicht bzw. die Isolierschicht auf den Membranen jedoch nicht benetzt (Randwinkel>9o°). Nichtbenetzung der Membran bedeutet jedoch nicht, daß die Membran nicht an den Kunststoffplatten haften kann.

Durch Vorgabe der Vertiefungsform wird die Bildpunktform und -größe reproduzierbar festgelegt. Weiterhin wird dadurch auch der Verlauf der Wiederablösung der Membran reproduzierbar gemacht.

Im Kontaktier- bzw. Ablösevorgang ist keine wesentliche Ausbreitung des Kontaktiermittels in der Bildebene notwendig.

Während der Adressierung kann die Membran durch einen Spannungsimpuls einen Kraftstofi erhalten, der ausreicht, um ein Element zum Ansprechen zu bringen, wenn auch mit zeitlicher Verzögerung. Das heißt, dadurch, daß mechanischer Impuls in der Membran gespeichert werden kann, ist eine zusätzliche weitere Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit möglich.

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- sr -

Die lichtstTeuende Schicht auf den Membranen muß die Bedingung erfüllen, daß sie das Fluoreszenzlicht um große Winkel C-^ ca.4o°) stTeut, was zum Beispiel bei Pifmentschichten der Fall ist. Elektrisch gesteuerte lichtstreuende Flüssigicristallschichten oder ferroelektrisch© Keramilcs chicht en mit elektrisch gesteuerter Lichtstreuung erfüllen diese Bedingung nicht und lcommen deshalb als Steuermedien nicht in Frage.

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Es folgen einige quantitative Angaben zur Funktionsweise des Bildschirms anhand typischer Beispiele:

1.: Anziehungskraft K zweier Elektrodenplatten durch elektrisches Feld:
K = 1 ilJV)²V

Elektrodenabstand D = 4,1o~ cm Spannung U = 3o Volt

-7 Elektrodenfläche F = 1mm xo,1mm=1o m K = 2,5 * 1o"⁶kp

Für ein Membran-Element gilt Feldkraft ~ 5 ' 1o³.

Schwerkraft Dies möge als Kriterium dafür gelten, daß mechanische

Erschütterungen keine Auswirkungen auf die Anzeige haben. Maximale Durchbiegung 6 der elastischen Membran. <f = 1 K'b²

^J Ed³
Stegabstand b = 1 mm

Elastizitätsmodul E =3*1 o' Membrandicke d = 1o/um t' —· 2 ,um

Unter der Annahme, daß die Massenträgheit die Schaltzeit bestimmt, gilt t =] A fei ^ '

Massendichte ^-=1 ^3

Adhäsionsarbeit

Wird eine Flüssigkeit mit einem Festkörper in Kontakt gebracht, dann wird einerseits Energie gewonnen, denn es verschwindet eine Festkörper- und eine Flüssigkeitsoberfläche, andererseits

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muß Energie aufgebracht werden um eine neue Grenzfläche zu erzeugen. Die Differenz der je Flächeneinheit gewonnenen zur aufgewandten freien Energie ist die Adhäsisionsarbelt W _f.

S .= Oberflächenspannung des festen körpers

0_ = Oberflächenspannung der Flüssigkeit

i"_s £ = Oberflächenspannung zwischen den» festen und dem flüssigen Körper

W - kann für eine Grenzfläche Festkörper/Flüssigkeit sowohl s, r

positiv als auch negativ sein.

Die Trennarbeit zur Ablösung der Membran an einem Bildpunkt ist nun

Trennarbeit = W * Bildpunktfläche

5,1.

= 2*1o~ dyncm

mit Bildpunktfläche-2*1o"³cm²
dyn

und W - = o,1 cm

s, r

Nimmt man zur Vereinfachung an, daß näherungsweise gilt Trennkraft = Trennarbeit

Trennweg
(Trennwega 1 «um), so erhält man als notwendige Trennkraft 2'1o"⁶kp.

Die durch das elektrische Feld erzeugte Trennkraft wird so bemessen, daß unter Berücksichtigung aller Fertigungstoleranzen und der schwachen Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannungen die Schwelle zum Trennen der Membranen nicht unterschritten wird. Das elektrische Feld kann im übrigen beliebig groß gemacht werden, da keine Obersprechwirkungen vorhanden sind.

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Sin weiteres Ausführunp;sbeispiel der erfindunrsgeinäßen Anordnung verwendet statt elektromechanisch sesteuerter Membranen die Oberflächendeformation von ferroelektris eher Keramik in Abhängigkeit von der remanenten elektrischen Polarisation zur lokalen Steuerung des Fluoreszenzlichtaustritts. Hit der Polarisation der f erroelelrbrisehen Keramik direct verknüpft i-t nämlich ihre Ausdehnung in Polarisationsrichtung, d.h. senkrecht zur Oberfläche. Variiert der Polarisationszustand über die Keramikfläche, so bildet sich als Abbild dessen an der Keramikoberfläche ein flaches ßeliefjX Siehe: C.E.Land, W.D.Smith, Digest of Tecnn. Papers ρ,26, Soc. Inform. Display 1973 ). An den Erhöhungen des Reliefs ■wird der optische Kontakt mit der Fluoreszenzplatte hergestellt. Der Bildinhalt kann durch lokale Änderung der remanenten Polarisation über Leiterbahnanordnungen zn beiden Seiten der ferroelektrischen Keramik verändert werden. Auch hier ist eine dauerhafte Speicherung des Bildinhalts gegeben. In diesem Beispiel besteht der Bildschirm, wie in Fig. 5 ira Querschnitt dargestellt, aus der fluoreszierenden Kunststoffplatte (5) und einer ferro elektrischen Keramikplatte (beispielsweise aus Bleizirkonat/Bleititanat mit 7 Atom-# Lanthanzusatz) von etwa 250 ,um Dicke (14), verbunden durch Abstandshalter (19). Die Leiterbahnen (If?), (^⁶) in gekreuzter Anordnung tragende Keramikplatte ist auf der der fluoreszierenden Kunststoffplatte zugewandten Seite mit einer lichtstreuenden Schicht (3) und einem Kontaktfilm (13) zum optischen Kontaktieren überzogen.

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Vorteile der Erfindung: 2o13891

Die Vorteile der Erfindung sind:

1.: Passives Display mit außerordentlich geringem Bedarf an elektrischer Energie

2.: Sehr kurze Schaltzeiten

3.: Sehr gute Lesbarkeit, unabhängig vom Beobachtungswinkel

4.: Unbegrenzte Speicherzeiten

5.: Das Obersprechproblem ist in diesem Matrixaufbau eliminiert

6.: Funktionsfähigkeit in sehr weitem Temperaturbereich

7.: Einfacher Aufbau, vorwiegend aus leicht verarbeitbarem Kunststoff.

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Claims

Patentansprüche

/ 1.J Anzeigevorrichtung zur Darstellung von Zeichen aller Art, dadurch gekennzeichnet, daß eine an ihren Stirnflächen verspiegelte, fluoreszierende Kunststoffplatte (5) die als Eichtfalle für das Fluoreszenzlicht wirkt, vorgesehen ist, in Verbindung mit Einrichtungen (4-, 14·) zur elektrisch steuerbaren optischen Kontaktierung der fluoreszierenden Kunststoffplatte (5)» so daß das Fluoreszenzlicht durch Umlenkung bzw. Streuung an einer lichtstreuenden Schicht (9), die mit der fluoreszierenden Kunststoffplatte (5) an frei auswählbaren Rasterpunkten über einen Kontaktfilm (10,18) in optischen Kontakt gebracht wird, aus der fluoreszierenden Kunststoffplatt· (5) austritt, und daß Mittel vorgesehen sind, die über ein Elektrodensystem den Rasterpunkten elektrische Felder so zuordnen, daß die optische Kontaktierung durch die Sinrichtungen (4·, 14-) steuerbar ist.
2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4-) zur elektrisch steuerbaren optischen Kontaktierung der fluoreszierenden Kunststoffplatte (5) besteht aus streif enförmigen Kunststoff membranen (4-), die über ein dem Bildpunktraster entsprechendes doppeltes Stegsystem (2, 7) gespannt sind und die beidseitig elektrisch leitende Schichten (11, 12) und darüber nichtleitende Überzüge (9, 13) tragen, wobei die Stege auf der einen Seite der Membranen auf die fluoreszierende Kunststoffplatte (5) und die Stege auf der anderen Membranseite auf eine zweite Kunststoffplatte (3) aufgebracht sind, und daß jeweils zwischen den Stegen auf beiden Kunststoff-

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ORiGiNAL INSPECTED

platten Leiterbahnen (1 , 8) aufgebracht sind, die mit den Leiterbahnen auf den Membranen (11, 12) ein Kreuzgittermuster bilden. 3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die licht streuende Schicht (9) aus einer Farbpigmentschicht besteht.

4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, da,': der Kontaktfilm (10) sich in flachen Vertiefungen befindet, die dem Bildpunktraster entsprechend, auf beiden Kunststoffplatten (5, 3) vorhanden sind.

5« Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktfilm (10) die Kunststoffplattenoberflache benetzt, die lichtstreuende Schicht (9) bzw. die Isolierschicht (13) auf den Membranen nicht benetzt.

6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4- und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenspannungen der Stoffe, zwischen denen der optische Kontakt hergestellt v/ird, so aufeinander abgestimmt sind, daß Kembranelemente, die durch Anlegen von entsprechenden Spannungsimpulsen an die betreffenden Elektroden durch Feldkräfte in optischen Kontakt mit den Kunststoffplatten gebracht werden, bei Abschalten der Feldkräfte mechanisch haften bleiben. 7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffplatten (5, 3) und die Kunststoff membranen (⁷I-) den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

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8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Membranen enthaltende Zwischenraum zwischen den beiden Kunststoffplatte η (.5, 3) luftdicht abgedichtet ist und daß der Zwischenraum evakuiert ist.

9· Anzeigevorrichtung: nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinrichtung (14·) zur elektrisch steuerbaren optischen Kontaktierung der fluoreszierenden Kunststoffplatte (5) aus einer f err oe lek tris chen KeramikplatteTbesteht, deren Ausdehnung senkrecht zur Oberfläche über die remanente elektrische Polarisation gesteuert wird.

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