DE3586552T2

DE3586552T2 - Bistabile fluessigkristallspeichervorrichtung.

Info

Publication number: DE3586552T2
Application number: DE8585107127T
Authority: DE
Inventors: Kei-Hsiung Yang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1985-06-11
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2005-06-12
Also published as: US4617646A; DE3586552D1; EP0166288A2; JPH0623818B2; EP0166288A3; CA1241727A; JPS6115127A; EP0166288B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkristall-Baussteine und insbesondere auf eine Speicherzelle, die ein Flüssigkristallmedium einschließt.

2. Hintergrund der Erfindung

Großes Interesse hat sich während der vergangenen zehn Jahre oder so auf Flüssigkristallanzeigen gerichtet, die in Taschenrechnern, digitalen Uhren, Fernsehgeräten mit kleinem Bildschirm und dergleichen Geräten verwendet werden.
Eine Vielfalt von Flüssigkristallmaterialien sind untersucht worden, und diese Materialien zeigen Phasen wie die nematische, die smektische, die cholesterische als auch anderen Phasen. Innerhalb der Phasenklassifikationen kann eine Reihe verschiedener molekularer Ausrichtungen auftreten, abhängig von der Temperatur, dem elektrischen Feld und anderen Parametern. Eine dieser Ausrichtungen wird homogen genannt, was sich auf eine Ausrichtung bezieht, die parallel zu den Platten ist, die bei der Bildung der Zelle verwendet werden; wogegen eine homöotrope Ausrichtung auftritt, wenn die Moleküle senkrecht zu beiden Platten sind. Noch eine andere Bezeichnung ist die fokalkonische Textur, die gekennzeichnet ist durch eine ungeordnete oder diffuse Orientierung. Jeder der vorhergehenden, d. h. die homogene, homöotrope oder fokal-konische wird im folgenden als ein Zustand des Flüssigkristallmaterials und damit der Zelle bezeichnet, von der sie einen Teil bildet.
Wie man durch Bezugnahme beispielsweise auf das US Patent 4 291 948 versteht, können Flüssigkristallanzeigen, die eine Vielfalt von Farbzuständen liefern und die in einem Speichermodus arbeiten können, aus Material gebildet werden, das eine positive oder negative dielektrische Anisotropie aufweist. Ein smektisches Flüssigkristallmedium wird in dem Patent erörtert, wobei solch ein Medium zwischen Elektrodenplatten angeordnet ist, die behandelt wurden, um eine parallele, d. h. homogene Ausrichtung mit einem sehr großen Ausrichtungswinkel zu erzeugen. Eine Veränderung dieses Ausrichtungswinkels kann, wie das in dem Patent beschrieben ist, stufenweise erfolgen durch Vergrößerung der Stärke eines angelegten Wechselpotentials, wodurch Newtonsche Farben erzeugt werden, wenn man durch gekreuzte Polarisatoren blickt.
Entsprechend einem in dem US Patent 4 291 948 beschriebenen Ausführungsbeispiel kann ein Speichermodus erreicht werden durch Variation des vorher erwähnten Ausrichtungswinkels. D.h., wenn die Ausrichtung von einem Anfangswert vergrößert wird, zeigt sich, daß diese Vergrößerung nach dem Entfernen des erregenden Feldes, das sie verursachte, beibehalten wird. Jedoch wird die Zelle, wie das in dem Patent erläutert ist, durch einen Erwärmungs- und Abkühlungszyklus zu dem ursprünglichen geringeren Wert des Ausrichtungswinkels zurückgeschaltet, wodurch das Material durch seine nematische Phase geht und zurück zur smektischen Phase. Vergleiche in diesem Zusammenhang die Fig. 4 dieses Patentes. Zusammenfassend läßt sich über die Betriebsweise einer typischen Zelle, wie sie in dem US Patent 4 921 948 offenbart ist, sagen, daß die Zelle in der Lage ist, nur in einer Richtung umgeschaltet zu werden durch die Anwendung eines elektrischen Wechselpotentials, während der Wärmezyklus für das Schalten in die entgegengesetzte Richtung benutzt wird. Darüber hinaus basiert, wie oben bemerkt, jegliche Speicherung, die erreicht wird, auf der Veränderung des Ausrichtungswinkels als Antwort auf das Anlegen eines erregenden Feldes. Die einzige Ausnahme dazu ist der in Spalte 4 des Patentes 4 291 948 enthaltene Vorschlag des Inhalts, daß bestimmte Materialien der smektischen Phase die Eigenschaft besitzen, den Effekt einer Übergangsfrequenz zeigen, bei der das Material eine positive dielektrische Anisotropie bei niedrigen Frequenzen unterhalb der Übergangsfrequenz zeigt und eine negative dielektrische Anisotropie bei hohen Frequenzen oberhalb der Übergangsfrequenz. Der Patentinhaber stellt weiter fest, daß mit solchen Materialien ein elektrisches Schalten in beiden Richtungen möglich ist. Abgesehen davon stützt sich jedoch jede klare Lehre der Bistabilität auf eine Wärmebehandlung, um den stabilen Zustand der Flüssigkristallzelle zu ändern. Außerdem schließt eine solche Flüssigkristallzelle nach 4 291 948 nur das Anlegen eines gleichförmigen Feldes an das Flüssigkristallmedium ein, das zwischen die beiden Elektroden oder Platten der Zelle eingebettet ist.
Andere Referenzen, die auch das Konzept der Speicherung in einer Flüssigkristallanzeige in der einen oder anderen Form offenbaren, sind die folgenden: US 3 703 331 und 4 105 288. Das erstere Patent offenbart ein Flüssigkristallelement, das aus einem Flüssigkristallmaterial einer chiralen nematischen (oder cholesterischen) Phase gebildet ist. Das letztere Patent bezieht sich auf Flüssigkristallmaterialien, die unter bestimmten Randbedingungen einen Quasi-Bistabilitätseffekt zeigen. D.h., wenn das angelegte elektrische Feld einen bestimmten Schwellwert erreicht, geht das Material aus der energetisch stabilen (fokalkonischen) Struktur in eine homöotrop-nematische Orientierung über: und diese Orientierung wird beibehalten, bis das elektrische Feld unter einen zweiten Schwellwert verringert wird, mit einer kurzen Bildung eines planar-konischen Zwischenzustandes.
Eine andere Referenz von Interesse ist ein Artikel von R.A. Soref mit dem Titel "Field Effects in the Nematic Liquid Crystals Obtained with Interdigital Electrodes", Journal of Applied Physics, Vol. 45, No 12, Dezember 1974. Dieser Artikel offenbart bestimmte interessierende Feldeffekte in nematischen Flüssigkristallen. Jedoch ist die offenbarte Vorrichtung mit nur zwei Elektroden versehen und liefert keine permanente oder einen stabilen Zustand aufweisende Speicherung. Mit anderen Worten müßte eine Auffrischschaltung vorgesehen werden, um die Ladung auf irgendeiner inhärenten oder separaten Kapazität zu erneuern, die in dem grundsätzlichen Aufbau der Einrichtung eingeschlossen sein könnte.
Was auch immer die Vorteile und Merkmale der vorgenannten Referenzen sein mögen, keine von ihnen offenbart die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Demgemäß ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine Speichervorrichtung anzugeben, die auf der Verwendung eines Flüssigkristallmaterials beruht, vorzugsweise in der nematischen Phase, aber von dem selektiven Anlegen von Spannungsimpulsen an diskrete Elektroden abhängig ist, um stabile Zustände zu bewirken.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorher genannten Ziele werden erreicht und implementiert durch ein grundsätzliches Merkmal der vorliegenden Erfindung wie sie im Anspruch 1 definiert ist, gemäß dem zwei stabile Zustände für die Zelle vorgesehen sind durch Einbeziehung von drei Elektroden in den Zellenaufbau, wobei diese drei Elektroden mit bestimmten Potentialen verbunden werden. Durch geeignetes selektives Anlegen von Potentialen, z. B. durch zeitveränderliche Impulse, die getrennt an Bit- und Wortleitungen angelegt werden, die mit zwei der Elektroden verbunden sind, die benachbart zum Flüssigkristallmedium gebildet wurden, entwickelt die Zelle als Antwort auf die getrennten Impulse zwei ausgeprägte Konfigurationen des elektrischen Feldes. Der erste stabile Zustand der Zelle, der als Antwort auf das Anlegen eines Impulses an die zweite Elektrode erzeugt wird, ist definiert als der geordnete oder homöotrope Zustand des Flüssigkristalls; der zweite stabile Zustand, der als Antwort auf den Spannungsimpuls erzeugt wird, der an die dritte Elektrode angelegt wird, ist definiert als der ungeordnete oder fokal-konische Zustand des Flüssigkristallmaterials. Der erste Zustand in der Speichervorrichtung manifestiert sich beim Herstellen als ein dunkler Zustand, der zweite Zustand als ein klarer oder transparenter Zustand. Genauer gesagt ist die Feldkonfiguration, die den ersten Zustand der Zelle bedingt, ein nicht gleichförmiges oder "ausgefranstes" elektrisches Feld, während das Anlegen eines Spannungsimpulses an die dritte Elektrode wegen der Konfiguration der dritten Elektrode ein gleichförmiges Feld zur Folge hat. Die genaue Beziehung zwischen den Elektroden wird im einzelnen später offenbart. Es ist ausreichend, hier darzutun, daß die zweite Elektrode in einer maschenartigen Konfiguration angeordnet ist. Diese Konfiguration ist den sogenannten interdigitalen Elektrodenstrukturen ähnlich, wie sie beispielsweise im oben genannten Artikel von J.A. Soref offenbart sind.
Andere und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den,beigefügten Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Teile mit den gleichen Zahlen versehen wurden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Gruppen von vier Figuren, 1 (a), 1 (b), 1 (c) und 1 (d), die die verschiedenen molekularen Ausrichtungen oder Zustände darstellen, die gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden,
Fig. 2 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Impulsamplitude und der Impulsbreite in verschiedenen Untersuchungen, die mit einem Flüssigkristallmedium durchgeführt wurden,
Fig. 3 stellt den Zellenaufbau einer Vorrichtung mit drei Anschlüssen dar, die als typische Einheit oder Zelle in einer Anordnung von Zellen dient,
Fig. 4 stellt die Linien gleichen Potentials dar, wenn die Potentiale einer Maschenelektrode und einer Spaltenelektrode 160 Volt bzw. 210 Volt betragen,
Fig. 5 stellt den Fall dar, in dem die Spaltenelektrode sich auf 210 Volt befindet und die Maschenelektrode geerdet ist,
Fig. 6 zeigt den Fall, in dem die Maschenelektrode sich auf 160 Volt befindet und die Spaltenelektrode geerdet ist,
Fig. 7 zeigt eine vereinfachte Matrix von Zellen, die Vorrichtungen von der in Fig. 3 dargestellten Art verwendet.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles

Es wird jetzt auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen und zuerst auf Fig. 3. Dort ist der Aufbau einer Einheitszelle dargestellt, die eine von vielen Zellen einer Speichermatrix bilden kann. Dieser Zellenaufbau ist eine Vorrichtung 10 mit drei Anschlüssen, bei der drei verschiedene Elektroden vorgesehen sind. Die erste dieser Elektroden ist die obere Elektrode 12, die eine Masseebene bezüglich des gesamten Zellenaufbaus bildet. Solch eine Masseebene ist natürlich mit dem Massepotential verbunden. Eine zweite Elektrode besitzt die Form einer sogenannten maschenartigen Zeilenelektrode 14. Mit dem Ausdruck "maschenartig" ist lediglich gemeint, daß die Zeilenelektrode 14, wie zu sehen ist, aus zwei dünnen, in einem Abstand angeordneten Streifen 14 A eines Materials gebildet ist, wie z. B. Indium-Zinnoxid, und die beiden Streifen miteinander verbunden und an ein gemeinsames Potential angeschlossen sind.
Es sei bemerkt, daß bei dem Zellenaufbau nach der vorliegenden Erfindung eine dielektrische Schicht 16 zwischen die zweite Elektrode, das ist die maschenartige Zeilenelektrode 14, und eine dritte Elektrode, die als Spaltenelektrode 18 bezeichnet ist, angeordnet ist, die ebenfalls aus Indium-Zinnoxid oder dergleichen gebildet ist. Diese dielektrische Schicht 16 ist so ausgewählt, daß sie eine Dicke von etwa 1,6 Mikrometern (obgleich eine Dicke von einigen Mikrometern möglich ist) und eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 4,5 aufweist. Ein dielektrisches Material, wie z. B. SiO&sub2;, ist nützlich.
Es versteht sich, daß die Zeilenelektrode 14 und die dielektrische Schicht 16 sowie die Spaltenelektrode 18 in aufeinanderfolgenden Schichten auf einer Glasplatte 20 gemäß wohlbekannten Herstellungsverfahren gebildet werden. In gleicher Weise wird die obere Elektrode 12 auf einer entsprechenden Glasplatte 22 gebildet.
Weiter ist gemäß bekannten Verfahren der Raum zwischen der oberen Elektrode 12 und dem Boden des Zellenaufbaus vollständig mit einem Flüssigkristallmedium 34 gefüllt. Ein Flüssigkristallmaterial, das gemäß Untersuchungen ausgewählt wurde, die durchgeführt wurden, und von dem Proben hergestellt wurden, ist ein Material, das als S&sub2; bekannt ist und im wesentlichen aus 50% von 4-Cyano-4'-n-octylbiphenyl, 39% 4-Cyano-4'-n-decylbiphenyl und 11% 4-Cyano-4'-n-undecylbiphenyl. Dieses Material ist ein Material mit smektischer A-Phase im Bereich von -10º bis 48ºC. Es kann entweder reines S&sub2; oder S&sub2; mit 1% Verunreinigung an Heptyloxybenzoesäure verwendet werden. Die grundsätzliche Fähigkeit der in Fig. 3 dargestellen Vorrichtung 10, in verschiedenen stabilen Zuständen zu arbeiten, beruht auf der Tatsache, daß durch Anlegen geeigneter Potentiale an die drei darin gezeigten Elektroden der Zustand der Vorrichtung zwischen dem geordneten oder homöotropen Zustand des Flüssigkristallmaterials der smektischen Phase und dem gestreuten oder fokal-konischen Zustand solch eines Materials umgeschaltet werden kann. Daher ist es wichtig anzumerken, daß keine Erwärmung des Flüssigkristallmaterials erforderlich ist, um seine Phase zu ändern. Statt dessen ist nur das Anlegen geeigneter Potentiale an die drei Elektroden erforderlich und ausreichend. Der Grund für diese Fähigkeit sind die verschiedenen elektrischen Felder, die an das Flüssigkristallmaterial angelegt werden; insbesondere wird ein Streufeld oder ein ungleichförmiges Feld durch geeignete Auswahl von Spannungsimpulsen, die den getrennten Elektroden zugeführt werden, selektiv ausgewählt. Auch ein gleichförmiges Feld wird zu geeigneten Zeitpunkten angelegt.
Um den oben dargelegten Grund für die Bistabilität der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung darzulegen, wird jetzt auf Ergebnisse Bezug genommen, die der Erfinder in Studien erzielte, die für Anzeigeanwendungen an der durch ein ungleichförmiges Feld erregten fokal-konischen (FK) Textur eines Flüssigkristallmediums durchgeführt wurden. Wie bereits in Verbindung mit der Fig. 3 bemerkt wurde, wurde das Flüssigkristallmedium zwischen zwei mit Indium-Zinnoxid beschichteten Elektroden angeordnet, die auf Glassubstraten oder -platten hergestellt wurden. Die sogenannte Zeilenelektrode wurde als die beiden koplanaren dazwischenliegenden Streifen oder Finger ausgeführt. Das Flüssigkristallmaterial der smektischen Phase war, wie das vorher angegeben wurde, S&sub2; (von The British Drug Houses Ltd.) und wurde für die Untersuchung mit und ohne 1% Heptyloxybenzoesäure benutzt. Eine SiOx Schicht von ungefähr 500 Angström wurde schräg auf die dazwischenliegende Fingerelektrode aufgedampft, um das Flüssigkristallmedium auszurichten. Polaroidbilder des Flüssigkristallmediums wurden mit einer Vergrößerung von 400 unter Benutzung eines Reichert- Mikroskops mit gekreuzten Polarisatoren aufgenommen. Das Medium wurde im isotropen Zustand in die Zelle eingefüllt. Nachdem es auf Raumtemperatur abgekühlt war, befand sich das smektische Kristallmedium in der in Fig. 1 (a) gezeigten Fächertextur.
In einer eigens konstruierten Vorrichtung mit zwei Anschlüssen und reinem S&sub2; wurde ein 100 Millisekunden-Spannungsimpuls mit einer Amplitude bis zu 500 Volt (13 Mikrometer-Zelle) benutzt, um das Flüssigkristallmedium zu erregen. Die Probe wurde thermisch vorbehandelt bei 41 + 1º C. Wenn die Amplitude des Spannungsimpulses 65 Volt überschritt, wurde das Flüssigkristallmedium von der Fächertextur in den homöotropen Zustand ausgerichtet. Die obere Hälfte der Fig. 1 (b) zeigt den Hintergrund der Fächertextur, die dem feldfreien Bereich entspricht, während die untere Hälfte der Fig. 1 (b) den durch ein Feld ausgerichteten homöotropen Zustand zeigt. Für das unbewaffnete Auge sind beide dieser Bereiche transparent. Der Übergangsbereich zwischen der Fächertextur und dem homöotropen Zustand zeigt starke Lichtstreuung, was eine Anzeige für die fokal-konische Textur ist. Die fokal-konische Textur wurde nahe dem Rand der Zeilenelektrode erregt, wo der Gradient des elektrischen Feldes vorhanden ist (vergleiche Fig. 6).
Der Mechanismus für das Auftreten dieser FK-Textur kann wie folgt erklärt werden: anders als das Flüssigkristallmaterial in der nematischen Phase kann das Flüssigkristallmaterial in der smektischen Phase, das sich im Bereich des Streufeldes befindet (vergleiche wieder Fig. 6), sich nicht selbst biegen, um sich der Veränderung des elektrischen Feldes als einer Funktion des Raumes anzupassen. Demgemäß begünstigt die Minimierung der freien Energie, die mit dieser Summe der elastischen Energie und der Feldenergie verbunden ist, das Auftreten der FK-Textur.
Wenn die Amplitude des angelegten Spannungsimpulses über 300 Volt erhöht wurde, begann sich die malteserkreuzartige Struktur nach dem Anlegen des Spannungsimpulses langsam zu entwickeln und wurde unter dem Mikroskop sichtbar. Die Dichte der FK-Textur am Rand der Elektrode wuchs an und wurde leicht dicker, je größer die Amplitude des Impulses war. Wenn der gleiche Spannungsimpuls an eine Probe angelegt wurde, die bei 46ºC vorbehandelt war, entwickelte sich die Malteserkreuzstruktur der Fk-Textur in größerem Umfang und wurde besser sichtbar, wie das die Fig. 1 (d) zeigt, welche dem unbewaffneten Auge leicht lichtstreuend erscheint. Die FK- Struktur, die nahe dem Rand der Elektrode erzeugt wurde, streute Licht viel stärker als das durch das gleichförmige Feld erzeugte Malteserkreuz. Ein weiterer Beweis für die FK-Textur, die eher durch den Feldgradienten als durch das gleichförmige Feld erzeugt wurde, ist in Fig. 1 (c) gezeigt. Dieses Bild wurde in dem Zustand aufgenommen, daß die obere Elektrode der Vorrichtung mit drei Anschlüssen, wie z. B. einer, wie sie aus Fig. 3 zu ersehen ist, geerdet wurde und ein Spannungsimpuls mit einer Amplitude von 70 Volt und einer Impulsbreite von 85 Millisekunden an die koplanar dazwischen angeordneten Finger 14 A der Zeilenelektrode 14, die aus Fig. 3 zu ersehen ist, angelegt wurde. Die experimentellen Ergebnisse der Schwellwertamplitude als Funktion der Impulsbreite für das Ausrichten des Flüssigkristallmediums (S&sub2; + 1% Heptyloxybenzoesäure) in einer Vorrichtung mit zwei Anschlüssen von der Fächertextur zu dem homöotropen Zustand ist in Fig. 2 als die untere gestrichelte Kurve 30 dargestellt. Die vollständige Ausrichtung ist als obere gestrichelte Kurve 32 gezeigt.
In ähnlicher Weise ist die Schwellwertamplitude als Funktion der Impulsbreite für die Erzeugung der FK-Textur durch das Streufeld (oder den Feldgradienten) in Fig. 2 als die ausgezogenen Kurven 34 dargestellt. Die von den ausgezogenen Kurven eingeschlossene Fläche stellt die Unsicherheit der Messung dar. Aus Fig. 2 ist klar, daß Spannungsimpulse von 1 Millisekunde Dauer benutzt werden können, um die FK-Textur durch den Feldgradienten zu erregen. Die Schreibgeschwindigkeit für eine Anzeigetafel - implementiert durch Benutzten einer Matrix von Vorrichtungen wie z. B. der Vorrichtung 10 nach Fig. 3 - kann schnell sein; jedoch ist die Verlustleistung ganz gering, da die streuende FK-Textur hauptsächlich durch den Gradienten des elektrischen Feldes erzeugt wird.
Zu der weiteren Beschreibung der Vorrichtung 10 nach Fig. 3 zurückkehrend und zu Tafeln oder Matrizen, die viele solcher Vorrichtungen einschließen, läßt sich erkennen, daß die Ergebnisse der vorher beschriebenen Experimente zu dem genauen Zellenaufbau führen, der daraus zu ersehen ist. Diese Vorrichtung 10 benutzt die FK-Textur, die durch den Feldgradienten erzeugt wurde, für eine Anzeigeanwendung. Wie das vorher bemerkt wurde, befindet sich das Flüssigkristallmedium 24 zwischen einer durchgehenden leitenden Elektrode (obere Elektrode 12 als Masseebene benutzt) und der maschenartigen Zeilenelektrode 14, die hergestellt wurde in der Form von dazwischenliegenden Streifen 14 A, die mit einem gemeinsamen Potential verbunden sind. Die im Abstand angeordneten parallelen Streifen der gemeinsamen Elektroden 18 sind z. B. in einer typischen Matrix verikal von der maschenartigen Zeilenelektrode 14 durch eine dielektrische Schicht 16 getrennt, die z. B. aus SiO&sub2; bestehen kann.
In einer als Beispiel dienenden Konstruktion kann die Dicke des Flüssigkristallmediums 24 etwa 10 Mikrometer tragen, die der dielektrischen Schicht 16 etwa 1,6 Mikrometer und der Abstand zwischen den Fingern 14 A der Zeilenelektrode 14 etwa 12 Mikrometer. Andere Dicken des Mediums 24 sind möglich bis hinunter zu 2 Mikrometern). Die Breite der Finger 14 A kann 2 Mikrometer betragen (andere Breiten sind möglich wie z. B. 3 Mikrometer) Beim Betrieb einer typischen Matrix, die aus den Vorrichtungen 10 gebildet wird, die in geeigneter Weise mit Wort- und Bitleitungen üblicher Konstruktion verbunden sind, wird ein Spannungsimpuls den maschenartigen Zeilenelektroden 14 in der Weise zugeführt, daß eine Leitung zu einem Zeitpunkt beaufschlagt wird. Es versteht sich, daß eine Elektrode 14 in jeder Zelle einer gegebenen Zeile eingeschlossen ist und daß zusätzliche Zeilenelektroden 14 für alle die anderen Zellen in der Matrix gebildet werden. Beim Vorliegen von 160 Volt, die an die Zeilenelektroden angelegt werden, aber in der Abwesenheit von Spannungsimpulsen (nichtdefinierter Zustand), die an die Spaltenelektroden angelegt werden, die ähnlich in geeigneter Weise als Streifen an vorgegebenen Stellen in den Spalten der Matrix vorgesehen sind, ergibt sich längs der beaufschlagten Zeile eine streuende FK-Textur in jeder der einzelnen Zellen dieser Zeile aufgrund des Streufeldes, das in der Nachbarschaft der maschenartigen Zeilenelektroden auftritt (Fig. 6). Diese streuende FK-Textur stellt den dunklen Zustand entlang der gesamten Zeile dar. Dieser erste Zustand bleibt bestehen, selbst wenn der Spannungsimpuls nicht länger an die Zeilenelektroden angelegt wird. Jedoch werden diese Zeilenelektroden dauernd auf Massepotential gehalten (Fig. 5).
Es werde jetzt andererseits angenommen, daß ein bestimmtes Bildelement längs dieser Zeile in einem durchsichtigen anstatt in einem dunklen Zustand sein soll; beispielsweise, daß eine bestimmte Zelle an einer bestimmten durch Zeile und Spalte gegebenen Stelle in solch einem durchsichtigen Zustand sein soll. In solch einem Fall wird ein Spannungsimpuls von 210 Volt, der mit dem Abtastimpuls, der an die betreffende Zeile angelegt wird, synchronisiert ist und die gleiche Impulsbreite aufweist, an die entsprechende Spaltenelektrode (Fig. 4) angelegt. Die Amplitude des Spalten-Spannungsimpulses wird etwa betragen
V&sub0;(e&sub2;d + e&sub1;h)/de&sub2;
wobei V&sub0; die Amplitude des Abtastimpulses ist, e&sub1; und e&sub2; die Dielektrizitätskonstanten des Flüssigkristallmediums 24 und der dielektrischen Schicht 16 sind und h die Dicke der dielektrischen Schicht 16 ist. In dieser Weise ist das Gesamtfeld in dem Flüssigkristallmedium ganz gleichmäßig, um dadurch daß FK-Medium, das in der betreffenden Zelle vorhanden ist, in den durchsichtigen (homöotropen) Zustand auszurichten (siehe Fig. 4). Dieser zweite Zustand ist ebenso ein stabiler Zustand (bei Benutzen von Kristallen mit smektischer A-Phase).
Nach dem Ende des Abtastimpulses verwandelt sich dieser durchsichtige Zustand in einen leicht streuenden Zustand, wenn der Spalten-Spannungsimpuls wiederholt an diese Spaltenelektrode angelegt wird. Das elektrische Feld, das durch den Spalten- Spannungsimpuls im durchsichtigen Zustand erzeugt wurde, wird durch die maschenartigen Zeilenelektroden abgeschirmt. Der Grad der Abschirmung kann aus den genauen Abmessungen von b, h, g, und w bestimmt werden, die aus Fig. 3 zu ersehen sind. Die Fachleute verstehen, daß das Kontrastverhältnis der Anzeigevorrichtung oder einer Matrix, die solche einzelnen Vorrichtungen verwendet, durch Einstellen der vorgenannten Parameter optimiert werden kann. Die maschenartigen Zeilenelektroden 14 können durch irgendwelche durchlöcherten Elektroden ersetzt werden.
Damit ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung aus dieser Beschreibung gewonnen werden kann, wurden Linien gleichen Potential berechnet. Diese beruhen auf der aus Fig. 3 ersichtlichen Elektrodenkonfiguration mit den bereits angegebenen Dimensionen. Für diese Berechnung ist die Dicke jeder der elektrisch leitenden Elektroden (d. h. der Masseebene oder ersten Elektrode 12, der maschenartigen Zeilen- oder zweiten Elektrode 14 und der Spalten- oder dritten Elektrode 18) 220 nm (2200 Angström). Fig. 4 zeigt die Linien gleichen Potentials, wenn die Potentiale der maschenartigen Zeilenelektrode 14 und der Spaltenelektrode 18 den Wert von 160 Volt bzw. 210 Volt aufweisen.
Fig. 5 zeigt den Fall, bei dem sich die Spaltenelektrode 18 auf 210 Volt befindet und die maschenartige Zeilenelektrode 14 geerdet ist. Unter Benutzung dieser Fig. 5 ergibt eine grobe Schätzung der elektrischen Feldlinie, daß die fokal-konische Textur in der Nähe des Randes der maschenartigen Zeilenelektrode erzeugt wird, wie das durch die gestrichelte Kurve der Doppelschleifen A in der Figur dargestellt ist.
Fig. 6 zeigt den Fall, in dem die maschenartige Zeilenelektrode sich auf 160 Volt befindet und die Spaltenelektrode ohne definiertes Potential ist. Der Bereich, wo die fokal-konische Textur sich aufgrund der Feldgradienten wahrscheinlich bildet, ist als Bereich B zwischen der gestrichelten Linie, die in Fig. 6 dargestellt ist, und der dielektrischen Schicht 16 angegeben.
Da die Fig. 4 und 6 den durchsichtigen und den dunklen Zustand der Flüssigkristallschicht 24 darstellen, ist das geschätzte erreichbare Kontrastverhältnis der Vorrichtung etwa 3 zu 1.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung kann zur Verbesserung des Kontrastverhältnisses ausgeführt werden durch Ändern der oberen Masseebene nach Fig. 3 in eine unterteilte Zeilenelektrode, die mehrere Streifen in paralleler Ausrichtung mit entsprechenden Streifen der maschenartigen Zeilenelektrode aufweist. Mit dieser Konstruktion ist bei einer Multiplexadressierung einer Leitung zu einem Zeitpunkt die markierte maschenartige Zeilenelektrode 14 auf einer hohen Spannung, während die entsprechend markierte obere Elektrode 12 geerdet ist. In diesem Fall sind die Äquipotentiallinien ähnlich den in Fig. 6 gezeigten. Für nichtmarkierte Zeilen haben sowohl die maschenartige Zeilenelektrode 14 und die obere Zeilenelektrode 12 kein definiertes Potential, so daß die Spalten-Spannungsimpulse, die an die Spaltenelektroden 18 angelegt werden, kaum das Flüssigkristallmedium beeinflussen können, das an der Position der nicht markierten Zeilen sich befindet. Der durchsichtige Zustand ist in Fig. 4 dargestellt.
Es wird auf Fig. 7 Bezug genommen. Eine vereinfachte Matrix von Zellen, die die vorher in Fig. 3 dargestellten Vorrichtungen 10 einschließt, ist dargestellt. Dies ist eine als Beispiel dienende 2·2 Matrix, in der vier Zellen in einer üblichen Koordinatenanordnung verbunden sind. So ist ein Bitleitungstreiber mit den Leitungen 100 und 102 verbunden und daher mit den Spaltenelektroden 18 der einzelnen Zellen in den betreffenden Spalten. Ein Wortleitungstreiber ist selektiv mit den Leitungen 104 und 106 verbunden, die wiederum mit den Zeilenelektroden 14 der Zellen in den betreffenden Zeilen verbunden sind. Beim Betrieb der Anordnung nach Fig. 7 wird der Ausgangsimpuls des Wortleitungstreibers, der einen Wert von 160 Volt aufweist, selektiv an die Wortleitungen 104 und 106 zu den entsprechenden Zeiten T&sub1; und T&sub2; angelegt. Zu anderen Zeiten wird Null Volt an jede der Leitungen 104 und 106 angelegt. Wenn daher zur Zeit T&sub1; gleichzeitig 210 Volt an die Bitleitung 100 angelegt werden, dann wird die Zelle 1 in den zweiten oder durchsichtigen Zustand aus den bereits erklärten Gründen versetzt. Wenn andererseits zu der gleichen Zeit T&sub1; ein nicht definiertes Potential an die Bitleitung 102 und damit an die Spaltenelektrode 18 der Zelle 2 angelegt wird, dann befindet sich die Zelle aus den bereits erläuterten Gründen in dem ersten oder dunklen Zustand. Es versteht sich, daß zu Zeit T&sub2;, wenn ein Impuls von 160 Volt an die Wortleitung 106 angelegt wird, ein vollständig entgegengesetztes Ergebnis in den Zellen 3 und 4 erzeugt wird im Vergleich mit den Zellen 1 und 2, da zu der Zeit T&sub2; die Bitleitung 100 ein nichtdefiniertes Potential aufweist, während die Bitleitung 102 eine Spannung von 210 Volt aufweist, wodurch die Zelle 3 sich in ihrem dunklen Zustand und die Zelle 4 in ihrem durchsichtigen befindet. Es ist zu erkennen, daß nur die Zustände der Zellen in der Zeile, die zu einem gegebenen Zeitpunkt markiert wird, beeinflußt werden, da ohne das Vorhandensein des Markierimpulses von 160 Volt kein elektrisches Feld existiert, das ausreicht, um den Zustand des Flüssigkristallmaterials zu ändern.
Es ist für die Fachleute ersichtlich, daß Veränderungen und Abwandlungen der Zellenstruktur nach Fig. 3 vorgenommen werden können. Beispielsweise können anstatt einer Struktur mit drei Elektroden vier Elektroden vorgesehen sein; insbesondere durch Hinzufügen einer weiteren Elektrodenzeile unmittelbar benachbart zum oberen Teil der Flüssigkristallschicht 24 und durch Anordnen der Masseebene 12 so, daß sie von dieser zusätzlichen Zeilenelektrode durch eine weitere Schicht eines dielektrischen Materials getrennt ist. Es sei bemerkt, daß das Flüssigkristallmedium in den Vorrichtungszellen für Zwecke einer farbigen Anzeige dichroitische Farbstoffe einschließen kann.
Während das gezeigt und beschrieben wurde, was zur Zeit als das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angesehen wird, werden die Fachleute erkennen, daß Modifikationen eines solchen Ausführungsbeispieles vorgenommen werden können. Es ist daher erwünscht, daß die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt wird und es ist beabsichtigt, in den angefügten Ansprüchen alle solchen Modifikationen als in den Schutzumfang der Ansprüche fallend abzudecken.

Claims

1. Bistabile Flüssigkristall-Speichereinrichtung, die aufweist:

eine erste Elektrode (12) zur Bildung einer Grundebene;

eine zweite Elektrode (14A) zur Schaffung eines ungleichförmigen elektrischen Feldes zwischen der ersten und der zweiten Elektrode;

eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete smektische Flüssigkristallschicht (24); und

eine dritte Elektrode (18) zur Schaffung eines gleichförmigen elektrischen Feldes zwischen der ersten und der dritten Elektrode, wobei die dritte Elektrode durch eine Schicht aus dielektrischem Material (16) von der zweiten Elektrode getrennt ist;

wobei durch selektiv je an die zweite und dritte Elektrode angelegte elektrische Potentiale bistabile Zustände der Flüssigkristallschicht zwischen geordnet und ungeordnet gewechselt werden.

2. Bistabile Flüssigkristall-Speichereinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die zweite Elektrode aus zwei koplanaren, an eine gemeinsame Potentialquelle geschalteten Abschnitten besteht.

3. Bistabile Flüssigkristall-Speichereinrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welcher die smektische Flüssigkristallschicht gewichtsmäßig enthält:

im wesentlichen 50% 4-Cyano-4'-n-octylbiphenyl;

im wesentlichen 39% 4-Cyano-4'-n-decylbiphenyl; und

im wesentlichen 11% 4-Cyano-4'-n-undecylbiphenyl.

4. Bistabile Flüssigkristall-Speichereinrichtung nach Anspruch 3, bei welchem die smektische Flüssigkristallschicht weiters eine Verunreinigung von etwa 1% Heptyloxybenzoesäure enthält.

5. Anordnung bistabiler Speicherzellen, wobei jede Zelle aus einer bistabilen Flüssigkristallspeichereinrichtung nach Anspruch 1 besteht, und die weiters enthält:

einen Bitleitung-Treiber zum selektiven Anlegen von Potentialen an Bitleitungen, die an entsprechende dritte Elektroden dieser Zellen angeschlossen sind;

einen Wortleitung-Treiber, der an entsprechende zweite Elektroden der Zellen angeschlossen ist; und

Mittel zum selektiven Anlegen von Potentialen an zweite Elektroden in der Anordnung bei gleichzeitigem selektiven Anlegen von Potentialen an entsprechende dritte Elektroden in der Anordnung, wobei bistabile Zustände von Flüssigkristallschichten in den Zellen zwischen geordnet und ungeordnet gewechselt werden.