DE3839592A1 - Fluessigkristallzelle mit redundanten duennfilmtransistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle mit redundanten Dünnfilmtransistoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise von Flüssigkristallzellen, die als Anzeige oder als optische Drucker zur Wiedergabe von Bildern verwendet werden, ist allgemein bekannt und der einschlägigen Literatur zu entnehmen.

Eine besondere Gruppe stellen die sogenannten aktiven Flüssigkristallzellen dar, die zur Ansteuerung der einzelnen Bildelemente Dünnfilmtransistoren im Bereich der Bildelemente aufweisen. Dabei ist jedem Bildelement ein Dünnfilmtransistor zugeordnet. Erweist sich nun ein solcher Dünnfilmtransistor als fehlerhaft, so ist das Bildelement, dem dieser Dünnfilmtransistor zugehörig ist, nicht mehr ansteuerbar.

Bei einer Gruppe von Fehlern an Transistoren sind die Dünnfilmtransistoren im angesteuerten Zustand zu hochohmig, als Folge läßt sich das entsprechende Bildelement gar nicht oder nur mit verminderter Helligkeit ansteuern. Ursache hierfür sind z.B. eine Unterbrechung des Dünnfilmtransistors, eine Erhöhung der Schwellspannung oder eine verminderte Beweglichkeit der Ladungsträger.

Bei einer anderen Gruppe von Fehlern an Dünnfilmtransistoren sind die Dünnfilmtransistoren im gesperrten Zustand zu niederohmig, als Folge kann die gewünschte Ansteuerspannung in der Flüssigkristallzelle nicht gespeichert werden, die Zelle nimmt den Mittelwert der Ansteuerspannung aller Bildelemente z.B. einer Spalte an und wird somit je nach Bild zu hell oder zu dunkel erscheinen. Ursache hierfür ist z.B. ein Kurzschluß oder eine andere Störung die zu einer erniedrigten Schwellspannung oder einem Nebenschluß führt.

Dem Problem, daß bei der Produktion von Flüssigkristallzellen nichtfunktionierende Dünnfilmtransistoren die Ausbeute im wesentlichen reduzieren, begegnet man in bekannter Weise durch den Einbau von zwei Dünnfilmtransistoren pro Bildelement. Aus Japan Display 1986 Seiten 208 ff ist bekannt, zwei Dünnfilmtransistoren parallel zu schalten, was vorteilhaft ist, wenn überwiegend zu hochohmige Dünnfilmtransistoren auftreten. Aus SID 83 Digest Seiten 156 ff dagegen ist bekannt, zwei Dünnfilmtransistoren in Reihe zu schalten, was vorteilhaft ist, wenn überwiegend schlecht sperrende Dünnfilmtransistoren auftreten.

Der Nachteil dieser bekannten redundanten Anordnungen von Dünnfilmtransistoren liegt darin, daß nur die Fehler aus den betreffenden Gruppen von auftretenden Fehlern ohne zusätzliche Maßnahmen kompensiert werden können. Das Auftreten von Fehlern aus der jeweils anderen Gruppe erfordert zur Behebung zusätzliche Reparaturmaßnahmen. Hierbei ergeben sich bei der Reparatur der bekannten redundanten Anordnungen grundsätzliche Probleme. Sperrt einer von zwei parallel geschalteten Dünnfilmtransistoren nicht ausreichend, kann der fehlerhafte Dünnfilmtransistor nicht abgetrennt werden. Diese Reparaturmaßnahme scheitert in der Regel daran, daß es meßtechnisch nicht möglich ist, den defekten Dünnfilmtransistor zu identifizieren. Wenn dagegen einer von zwei in Reihe geschalteten Dünnfilmtransistoren zu hochohmig ist, kann der Fehler nicht behoben werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallzelle mit einer erhöhten Redundanz der angeordneten Dünnfilmtransistoren zu schaffen.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und dem Rest der Beschreibung zu entnehmen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß redundant angeordnete Dünnfilmtransistoren auf unterschiedlichen Substraten und somit räumlich weit voneinander getrennt oder gar in unterschiedlichen Chargen hergestellt werden, wodurch die Fehlerhaftigkeit redudanter Dünnfilmtransistoren statistisch unabhängig ist.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele zum Teil anhand der Fig. 1 und 2 ausführlich beschrieben. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Schnitt und

Fig. 2 einen Ausschnitt der Draufsicht des ersten Ausführungsbeispieles.

Beim ersten Ausführungsbeispiel ist die Flüssigkristallzelle als eine Matrix-Flüssigkristallanzeige 1 ausgebildet, bei der den Bildelementen über Spalten- und Zeilenleitungen angesteuerte Dünnfilmtransistoren zugeordnet sind. In Fig. 1 ist das erste Ausführungsbeispiel im Schnitt abgebildet. Ein erstes Substrat 6 ist auf einer Seite, in der Figur auf der unteren Seite, mit einem Polarisationsfilter 7 und auf der anderen Seite mit Bildelektroden 8 und den dazugehörigen Dünnfilmtransistoren 5 mit Spaltenleitungen 3, 3′ und Zeilenleitungen 4, 4′ (in Fig. 1 nicht abgebildet) versehen. Durch einen Abstandsrahmen 9 ist das erste Substrat 6 mit einem zweiten Substrat 10 verbunden. Das zweite Substrat 10 weist auf der zum ersten Substrat 6 zeigenden und auf der gegenüberliegenden Seite je eine großflächige zusammenhängende Gegenelektrode 11, 12 auf. Auf der dem Substrat 6 gegenüberliegenden Seite des zweiten Substrates 10 ist das zweite Substrat 10 über einen zweiten Abstandsrahmen 13 mit einem dritten Substrat 14 verbunden. Das dritte Substrat 14 ist auf der einen, zum zweiten Substrat 10 zeigenden Seite mit Bildelektroden 15 und den dazugehörigen Dünnschichttransistoren 16 mit Spaltenleitungen und Zeilenleitungen (in Fig. 1 nicht abgebildet) versehen. Auf der anderen Seite trägt das dritte Substrat 14 einen Polarisationsfilter 19. Die von den Substraten 6 und 10 und dem Abstandshalter 9 sowie von den Substraten 10 und 14 und dem Abstandshalter 13 gebildeteten Räume nehmen die Flüssigkristallschichten 20 und 21, sowie die in den Flüssigkristallschichten 20, 21 enthaltenen Abstandselemente 22 auf.

Zur Reduzierung von Parallaxeeffekten ist die Dicke des zweiten Substrats 10 kleiner als das Rastermaß der Bildpunkte. Das Rastermaß beträgt typischerweise 50 bis 500 Mikrometer.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispieles in der Draufsicht abgebildet. Es sind die Bildelektroden 8 mit den dazugehörigen Dünnfilmtransistoren 5, Spaltenleitungen 3, 3′ und Zeilenleitungen 4, 4′ zu sehen. Die Sourcekontakte 23 der Dünnfilmtransistoren 5 sind mit den Spaltenleitungen 3, die Drainkontakte 24 mit den Bildelektroden 8 und die Gatekontakte 25 mit den Zeilenleitungen 4 verbunden. Die Bildelektroden 8 liegen jeweils zwischen zwei Spaltenleitungen 3, 3′ und der Zeilenleitung 4, mit der sie über den Dünnfilmtransistor 5 verbunden sind und überlappen durch eine Isolationsschicht (nicht abgebildet) getrennt mit der jeweils anderen Zeilenleitung 4′.

Die Bildelektroden 8 und die dazugehörigen Dünnfilmtransistoren 5 mit Spalten- und Zeilenleitungen 3, 4 können mit der zusammenhängenden Elektrode 11 in ihrer Anordnung genauso wie die Bildelektroden 15 und die dazugehörigen Dünnfilmtransistoren 16 mit Spalten­ und Zeilenleitungen 17, 18 mit der zusammenhängenden Gegenelektrode 19 vertauscht werden, so daß alle Bildelektroden 8, 15 auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 10 angeordnet sind.

Weiter kann die Flüssigkristallzelle (nicht abgebildet) aus zwei Substraten mit Polarisationsfiltern und einer sich dazwischen befindlichen Flüssigkristallschicht bestehen. In diesem Fall sind auf beiden Substraten Bildelektroden und dazugehörige Dünnfilmtransistoren mit Spalten- und Zeilenleitungen angeordnet. Die jeweils nicht angesteuerten Bildelektroden bilden dabei für die angesteuerten Bildelektroden die Gegenelektrode.

Die Bildelektroden 8, 15 und die Gegenelektroden 11, 12 bestehen aus transparentem leitfähigem Material, wie z.B. aus einer Mischung von Indium-Zinn-Oxid. Die Dünnfilmtransistoren sind auf der Basis von Si oder CdSe aufgebaut. Als Flüssigkristallzelle wird eine sogenannte "Twisted-Nematic-Zelle" verwendet.

Die Redundanz kann noch derart erhöht werden, daß jedem Bildelement zwei redundante Dünnfilmtransistoren zugeordnet werden (nicht abgebildet). So können auf den einzelnen Substraten pro Bildelement zwei parallel geschaltete oder zwei in Reihe geschaltete Dünnfilmtransistoren angeordnet sein. Um auch nicht korrigierbare Fehler zweier parallel oder in Reihe geschalteter Dünnfilmtransistoren zu beheben, kann auch auf einem Substrat ein Paar parallel geschalteter redundanter und auf dem anderen Substrat ein Paar in Reihe geschalteter redundanter Dünnfilmtransistoren angeordnet sein.

Die Matrix-Flüssigkristallanzeige 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist eine Vielzahl von Bildpunkten 26 auf, wobei jeder Bildpunkt 26 aus zwei Bildelementen 27, 28 gebildet wird. Die Bildelemente 27 und 28 sind optisch in Serie geschaltet und somit in Fig. 1 direkt übereinander angeordnet. Ein Bildelement 27 besteht im wesentlichen aus einer der Bildelektroden 8 mit dazugehörigem Dünnfilmtransistor 5, dem gegenüberliegenden Teil der Gegenelektrode 11 und dem dazwischenliegenden Bereich der Flüssigkristallschicht 20. Ein Bildelement 28 besteht im wesentlichen aus einer der Bildelektroden 15 mit dazugehörigem Dünnfilmtransistor 16, dem gegenüberliegenden Teil der Gegenelektrode 12 und dem dazwischenliegenden Bereich der Flüssigkristallschicht 21. Die gesamte Anzahl der Bildelemente 27 bilden somit eine erste Matrix 29 und die gesamte Anzahl der Bildelemente 28 bilden eine zweite Matrix 30. Die Redundanz der über Dünnfilmtransistoren angesteuerten Matrix-Flüssigkristallanzeige 1 liegt nun darin, daß die Bildelemente 27 und 28 getrennt und synchron ansteuerbar sind. Im Regelfall werden nur die Bildelemente einer Matrix angesteuert. Fällt nun ein Bildelement dieser einen Matrix wegen eines defekten Dünnfilmtransistors aus, wird dieser Dünnfilmtransistor gegebenenfalls durch Laserschnitt abgetrennt und das Bildelement mit dem redundanten Dünnfilmtransistor angesteuert.

Die Matrix-Flüssigkristallanzeige 1 ist so aufgebaut, daß sich die Polarisationsebene des in die beiden Flüssigkristallschichten 20, 21 einfallenden polarisierten Lichts im nicht angesteuerten Zustand der Bildelemente 27, 28 je um 90° dreht, d.h. sie dreht sich im ganzen um 180°. Sind die beiden Polarisatoren 7, 19 zueinander gekreuzt angeordnet, erscheint der Bildpunkt 26 dunkel. Im Normalbetrieb wird nur die erste Matrix 29 mit den vollen Bildsignalen angesteuert, während die zweite Matrix 30 nicht angesteuert wird. Bei einem angesteuerten Bildelement 27 unterbleibt die Drehung der Polarisationsebene, da die Flüssigkristallschicht 20 im angesteuerten Bereich optisch isotrop ist. Der Bildpunkt 26 erscheint hell. Durch parallele Anordnung der Polarisatoren 7 und 19 läßt sich der Schwarz-Weiß-Kontrast umkehren. Die Matrizen 29 und 30 funktionieren isoliert für sich betrachtet jeweils wie eine konventionell aufgebaute Matrix.

Liegt nun an einem Bildelement 27 der Matrix 29 ein Fehler vor, kann er durch entsprechendes Ansteuern des redundanten Bildelementes 28 der Matrix 30 kompensiert werden.

Wenn ein Bildelement 27 aufgrund eines hochohmigen oder unterbrochenen Dünnfilmtransistors defekt ist, kann dieser Fehler dadurch kompensiert werden, daß das redundante Bildelement 28 angesteuert wird. Falls das defekte Bildelement 27 noch teilweise ansteuerbar ist, wird der Dünnfilmtransistor dieses Bildelements durch einen Laserschnitt abgetrennt. Wenn ein Bildelement 27 aufgrund eines schlecht sperrenden Dünnfilmtransistors 5 defekt ist, wird dieser Dünnfilmtransistor 5 auf jeden Fall abgetrennt. Die Ansteuerung erfolgt über das redundante Bildelement 28.

Das Erkennen der fehlerhaften Bildelemente 27, 28 erfolgt durch optische Auswertung der Lichttransmission, der Matrix-Flüssigkristallanzeige durch Anzeige geeigneter Testbilder. Da sich beide Matrizen 29, 30 getrennt ansteuern lassen, ist eine eindeutige Erkennung der defekten Dünnfilmtransistoren möglich, wodurch ein vollautomatisches Abtrennen der defekten Dünnfilmtransistoren durchführbar ist.

Wenn die Matrix-Flüssigkristallanzeige als Farbanzeige aufgebaut ist, befindet sich eine Mosaikfiltermaske auf einem der Substrate. Die erfindungsgemäße Flüssigkristallzelle kann auch als Lichtventil eines optischen Druckes verwendet werden. Ebenso ist es möglich, die Flüssigkristallzelle als Flüssigkristallanzeige mit vorgegebenen Bildmustern, z.B. als Armaturenanzeige im Auto oder als Uhranzeige auszubilden. Bei der Verwendung als Flüssigkristallanzeige ist beim Reflexionsbetrieb auf dem Polarisationsfilter ein Spiegel angebracht, der beim Transmissionsbetrieb entfällt oder weggeklappt wird.

Die Substrate 6, 10 und 14 können aus Glas, Kunststoff oder einem anderen geeigneten transparenten Material bestehen. Sie können die Abmessung einer Flüssigkristallzelle, aber auch eine größere Fläche aufweisen, auf der mehrere Flüssigkristallzellen gleichzeitig hergestellt werden können. Die Abstandsrahmen 9 und 13 können aus einem Abstandskörper bestehen, der die Flüssigkristallzelle in mehrere Bereiche unterteilt. Die Abstandselemente 22 bestehen aus Kugeln oder Faserteilchen, sie können auch weggelassen werden. Die Substrate können auch ohne Verwendung eines Abstandsrahmens direkt miteinander verklebt sein.

Claims (3)

1. Aktiv ansteuerbare Flüssigkristallzelle, bei der jedem Bildpunkt mehrere redundante Dünnfilmtransistoren zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei redundante Dünnfilmtransistoren (5, 16) auf verschiedenen Substraten (6, 14) oder auf verschiedenen Seiten von Substraten (10) angeordnet und getrennt ansteuerbar sind.

2. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Doppelzelle ausgebildet ist und einen ersten Polarisationsfilter (7), darauf befindlich ein erstes transparentes Substrat (6), eine erste Flüssigkristallschicht (20), ein zweites Substrat (10), eine zweite Flüssigkristallschicht (21), ein drittes Substrat (14) , einen zweiten Polarisationsfilter (19) und auf den den Flüssigkristallschichten (20, 21) zugewandten Seiten der Substrate (6, 14) aufgebrachte Bildelektroden (8, 15) mit Dünnfilmtransistoren (5, 16) aufweist, daß die Bildelektroden (8, 15) der beiden Flüssigkristallschichten (20, 21) jeweils die Form der Bildelemente bestimmen, daß die Bildelektroden (8, 15) mit wenigstens je einem Dünnfilmtransistor (5, 16) galvanisch verbunden sind, daß ihnen auf dem gegenüberliegenden Substrat (10) eine allen gemeinsame Gegenelektrode (11, 12) zugeordnet ist und daß zu redundanten Dünnfilmtransistoren (5, 10) zugehörige, getrennt ansteuerbare Bildelektroden (8, 15) deckungsgleich ausgebildet, angeordnet und optisch in Reihe geschaltet sind.

3. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Polarisationsfilter, darauf befindlich ein erstes Substrat, eine Flüssigkristallschicht, ein zweites Substrat, einen zweiten Polarisationsfilter und auf den der Flüssigkristallschicht zugewandten Seiten der Substrate befindlichen Bildelektroden mit Dünnfilmtransistoren aufweisen, daß die Bildelektroden aus sich gegenüberliegenden, die Form der Bildelemente bestimmenden Einzelelektroden bestehen, daß die Bildelektroden jeweils wenigstens mit einem Dünnfilmtransistor galvanisch verbunden sind und daß zu redundanten Dünnfilmtransistoren zugehörige, getrennt ansteuerbare Bildelektroden deckungsgleich ausgebildet, angeordnet und optisch in Reihe geschaltet sind.