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Diese Erfindung bezieht sich auf die Adressierung von
ferroelektrischen Flüssigkristallzellen vom Matrixanordnungstyp.
Ein Merkmal von ferroelektrischen Flüssigkristallzellen besteht
darin, daß das permanente Dipolmoment des Flüssigkristalls mit
einem angelegten elektrischen Feld in Wechselwirkung tritt und
sich damit das Ansprechverhalten in Abhängigkeit davon
unterscheidet, ob das angelegte Feld in der einen oder in der
entgegengesetzten Richtung gerichtet ist.
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Bei einer Anzahl von bekannten Matrixadressierschemen für
derartige Zellen, unter Einschluß beispielsweise desjenigen, das
in der GB-A-2 173 629 beschrieben ist, wurde eine zeilenweise
Adressierung unter Verwendung von unipolaren Auftastimpulsen
verwendet, die aufeinanderfolgend an die Elemente eines ersten
Satzes von Elektroden angelegt wurden, um mit bipolaren
Datenimpulsen zusammenzuwirken, die parallel an die Elemente
eines zweiten Satzes von Elektroden angelegt wurden. Bei dem
ersten in dieser Patentschrift beschriebenen Schema weisen die
Auftastimpulse eine Amplitude VS und eine Dauer ts auf,
während die Datenimpulse ladungssymmetrische Impulse sind, die
einen ersten Spannungshub mit einer Amplitude VD und einer
Dauer ts in einer Richtung ausführen, auf den unmittelbar ein
entgegengesetzt gerichteter Spannungshub ebenfalls mit einer
Amplitude VD und einer Dauer ts folgt. Die Auftastimpulse
sind mit den ersten Spannungshüben der Datenimpulse
synchronisiert, und die Betriebsweise des Adressierschemas wird
auf der Grundlage beschrieben, daß die Größen von VS und VD
so gewählt sind, daß die Beaufschlagung eines Pixels mit einem
Impuls mit der Größe von VS + VD für eine Dauer ts
ausreicht, um ein Schalten des Pixels zu bewirken, während
Impulse mit einer ähnlicher Dauer, jedoch mit Amplituden von
VS -VD oder VD nicht ausreichen, um ein Schalten zu
bewirken.
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Obwohl der Schaltstimulus lediglich für eine Dauer ts angelegt
wird, sind die Datenimpulse doppelt so lang wie dieser, so daß
die Zeilenadressierzeit 2ts ist. Weiterhin kann, weil der
Auftastimpuls unipolar ist, ein einzelner Auftastimpuls Pixel
lediglich in einer Richtung schalten.
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Die Beschränkung, daß man in der Lage ist, Pixel lediglich in
einer Richtung während irgendeiner Zeilenadressierzeit zu
schalten, bedeutet, daß die vollständige Freiheit, alle Pixel
einer Anzeige zu ändern, entweder ein Löschen vor dem Schreiben,
beispielsweise ein seitenweises Löschen vor dem zeilenweisen
Schreiben, oder das Schreiben eines ersten Feldes unter
Verwendung von Auftastimpulsen mit einer Polarität, gefolgt von
dem Schreiben eines zweiten Feldes unter Verwendung von
Auftastimpulsen mit der entgegengesetzten Polarität bedingt.
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Einige Beispiele von Adressierschemen, die bipolare
Auftastimpulse verwenden und die infolgedessen in der Lage sind, Pixel in
jeder Richtung zu schalten, sind in der GB-A-2 146 473 oder der
EP-A-0 197 743 beschrieben. So verwendet das Adressierschema
dieser Patentschrift, das unter spezieller Bezugnahme auf deren
Fig. 3 beschrieben wird, einen ladungssymmetrischen bipolaren
Auftastimpuls, der einen ersten Hub mit einer Amplitude VS
und einer Dauer ts in einer Richtung ausführt, auf den
unmittelbar ein entgegengesetzter Spannungshub ebenfalls mit der
Amplitude VS und der Dauer ts folgt. Dieser Auftastimpuls
wirkt mit ladungssymmetrischen bipolaren Datenimpulsen mit einem
ähnlichen Format zusammen, bei denen jedoch die Spannungshübe
die Amplitude VD und die Dauer 2ts haben. Die beiden
Spannungshübe des Auftastimpulses sind in diesem Fall mit den
zweiten Spannungshüben der Datenimpulse synchronisiert. Bei
diesem Schema wird ein Schaltstimulus mit einer Größe VS + VD
lediglich für eine Dauer ts angelegt, doch sind die
Datenimpulse viermal so lang wie diese Dauer, so daß die
Zeilenadressierzeit gleich 4ts ist.
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Die vorliegende Erfindung ist auf ein Adressierschema gerichtet,
das bipolare Auftastimpulse verwendet und damit in der Lage ist,
Pixel in jeder Richtung zu schalten, und das eine
Zeilenadressierzeit von weniger als 4ts ermöglicht. Dies wird durch
die Verwendung von Auftastimpulsen erreicht, die eine längere
Dauer als die Datenimpulse haben.
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Bei dieser Beziehung der Impulsdauern ergibt sich eine derartige
Anordnung, daß bei der Adressierung irgendeines vorgegebenen
Pixels der mit dem Anfangsteil des Auftastimpulses
zusammenfallende Datenimpuls den abschließenden Zustand dieses Pixels bei
der Vervollständigung der Adressierung bestimmt. Für
Datenimpulse mit einer Datenwertigkeit ruft der zusammenwirkende Effekt
des Datenimpulses und des Anfangsteils des Auftastimpulses ein
Schalten in den erforderlichen Zustand hervor, während für
Datenimpulse mit der anderen Datenwertigkeit ein Schalten in den
erforderlichen Zustand durch den zusammenwirkenden Effekt des
Endteils des Auftastimpulses und des nächstfolgenden
Datenimpulses unabhängig von dessen Datenwertigkeit erreicht wird.
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Gemäß der Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur
Adressierung eines Flüssigkristallzelle von Matrixanordnungstyp
mit einer ferroelektrischen Flüssigkristallschicht geschaffen,
deren Pixel durch die Überlappungsbereiche zwischen den
Elementen eines ersten Satzes von Elektroden auf einer Seite der
Flüssigkristallschicht und den Elementen eines zweiten Satzes
auf der anderen Seite der Schicht definiert sind, wobei die
Pixel selektiv zeilenweise durch Anlegen von Auftastimpulsen
aufeinanderfolgend an die Elemente des ersten Satzes von
Elektroden adressiert werden, während Datenimpulse parallel an
die Elemente des zweiten Satzes von Elektroden angelegt werden,
wobei ein Datenimpuls mit einer Datenwertigkeit ein
ladungssymmetrischer bipolarer Impuls mit einer Dauer von 2t
ist, der einen ersten Spannungshub auf eine Spannung +VD für
eine Dauer t gefolgt von einem zweiten Spannungshub auf eine
Spannung -VD für eine weitere Dauer t ausführt, während ein
Datenimpuls der entgegengesetzten Datenwertigkeit ein
ladungssymmetrischer bipolarer Impuls ebenfalls mit einer Dauer
2t ist, der einen ersten Spannungshub auf eine Spannung -VD
für eine Dauer t gefolgt von einem zweiten Spannungshub auf eine
Spannung +VD für eine weitere Dauer t ausführt, wobei das
Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Auftastimpuls ein
ladungssymmetrischer bipolarer Impuls mit einer Dauer 3t ist,
der einen ersten Spannungshub auf eine Spannung mit dem Modulus
VS für eine Dauer t, gefolgt von einer Null-Volt-Verweilzeit
für eine Dauer t, gefolgt von einem zweiten Spannungshub
ausführt, der entgegengesetzt zu dem ersten Spannungshub mit dem
Modulus VS ist und ebenfalls eine Spannung mit dem Modulus
VS für eine Dauer t aufweist, und daß die ersten und zweiten
Spannungshübe der Auftastimpulse mit den ersten Spannungshüben
der Datenimpulse synchronisiert sind.
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Es folgt eine Beschreibung einer ferroelektrischen
Flüssigkristallzelle und eines Verfahrens zu ihrer Adressierung in
einer Weise, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
darstellt. In der Beschreibung wird auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer
Flüssigkristallzelle zeigt,
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Fig. 2 Schwingungsformen zeigt, die bei der
Adressierung der Zelle nach Fig. 1 auf einer
Koordinatenbasis verwendet werden,
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Fig. 3 eine graphische Darstellung ist, die eine
Schaltcharakteristik zeigt, die die Impulsdauer
zur Impulsamplitude in Beziehung setzt, die zum
Schalten erforderlich ist,
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Fig. 4 eine graphische Darstellung ist, die die
Auswirkung von Vorkonditionierungsimpulsen auf
die Schaltcharakteristik zeigt,
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Fig. 5 ein Diagramm ist, das die molekulare Ausrichtung
in der Flüssigkristallschicht der Zelle nach
Fig. 1 zeigt,
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Fig. 6 eine graphische Darstellung ist, die zeigt, wie
sich die Schaltcharakteristik eines speziellen
Materials als Funktion von Ps ändert,
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Fig. 7 eine graphische Darstellung ist, die zeigt, wie
die Schaltcharakteristik durch das Vorhandensein
einer Wechselspannungsstabilisierung modifiziert
wird, und
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Fig. 8 eine Anzahl von Schwingungsformen zeigt, die die
Potentialdifferenz darstellen, die längs eines
Pixels erzeugt wird, wenn dieses mit
unterschiedlichen Folgen von Impulsen
adressiert wird.
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In Fig. 1 ist eine hermetisch abgedichtete Umschließung für eine
Flüssigkristallschicht dadurch gebildet, daß zwei Glasplatten
mit einer Umfangsdichtung 13 aneinander befestigt werden. Die
nach innen gerichteten Oberflächen der beiden Platten tragen
transparente Elektrodenschichten 14 und 15 aus Indium-Zinn-Oxid,
und eine oder manchmal beide dieser Elektrodenschichten ist bzw.
sind im Inneren des durch die Umfangsdichtung umgrenzten
Anzeigebereiches mit einer (nicht gezeigten) Polymerschicht, wie
z.B. Nylon bedeckt, die für Zwecke einer molekularen Ausrichtung
vorgesehen ist. Die Nylonschicht wird in einer einzigen Richtung
gerieben, so daß, wenn ein Flüssigkristall mit ihr in Berührung
gebracht wird, sie dazu neigt, eine planare Ausrichtung der
Flüssigkristallmoleküle in der Reibrichtung zu fördern. Wenn die
Zelle Polymerschichten auf beiden nach innen gerichteten
Hauptoberflächen aufweist, so wird sie so zusammengebaut, daß
die Reibrichtungen parallel zueinander ausgerichtet sind. Dies
stellt eine bevorzugte Anordnung dar, doch umfaßt eine
Alternative die Anordnung der Reibrichtungen in antiparalleler
Weise, und eine weitere Alternative bedingt, daß eine kleine
Winkelversetzung besteht, mit dem Ziel, daß nicht angesteuerte
Bereiche in einer nicht-willkürlichen Weise ausgerichtet sind.
Bevor die Elektrodenschichten 14 und 15 mit dem Polymermaterial
bedeckt werden, wird jede Elektrodenschicht mit einem Muster
versehen, um einen Satz von (nicht gezeigten) Streifenelektroden
zu bilden, die sich einzeln über den Anzeigebereich und von
diesem aus über die Umfangsdichtung hinaus erstrecken, um
Kontaktbereiche zu bilden, an denen Anschlußverbindungen
hergestellt werden. Bei der zusammengebauten Zelle erstrecken
sich die Elektrodenstreifen der Schicht 14 quer bezüglich der
Elektrodenstreifen der Schicht 15, so daß ein Pixel an jedem
Elementenbereich definiert wird, an der ein Elektrodenstreifen
der Schicht 15 durch einen Streifen der Schicht 14 überlappt
ist. Die Dicke der Flüssigkristallschicht, die in der
resultierenden Umschließung enthalten ist, wird durch eine
Lichtstreuung von Polymerkugeln mit gleichförmigem Durchmesser
über die Fläche der Zelle bestimmt. Zweckmäßigerweise wird die
Zelle dadurch gefüllt, daß ein Vakuum an eine (nicht gezeigte)
Öffnung durch eine der Glasplatten in einer Ecke des von der
Umfangsdichtung umschlossenen Bereiches angelegt wird, so daß
das Flüssigkristallmedium in die Zelle über eine weitere (nicht
gezeigte) Öffnung eintritt, die in der diagonal
gegenüberliegenden Ecke angeordnet ist. (Nach dem Füllvorgang werden diese
beiden Öffnungen abgedichtet). Der Füllvorgang wird ausgeführt,
während das Füllmaterial auf seine nematische oder isotrope
Phase erwärmt wurde, so daß dessen Viskosität auf einen
geeignet niedrigen Wert verringert wird. Es sei bemerkt, daß die
grundlegende Konstruktion der Zelle ähnlich der ist, wie sie
beispielsweise für eine übliche verdrillte nematische Zelle
verwendet wird, mit Ausnahme selbstverständlich der parallelen
Ausrichtung der Reibrichtungen.
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Typischerweise liegt die Dicke der Umfangsdichtung 13 und damit
auch der Flüssigkristallschicht zwischen 1,5 und 3 um,
doch können auf dünnere oder dickere Schichtdicken erforderlich
sein, um eine Anpassung an bestimmte Anwendungen zu erzielen.
Eine bevorzugte Dicke ist 2 um. Ein geeignetes Material für
die Füllung ist das smektische C Eutektikum, das von BDH in
Poole in Dorset unter der Bezeichnung SCE3 vertrieben wird.
Dieses Material, das eine negative dielektrische Anisotropie
zumindestens über den Frequenzbereich von 1 kHz bis 40 kHz
aufweist, durchläuft die nematischen und smektischen A-Phasen
beim Abkühlen von der isotropen Phase in die smektische C-Phase.
Im Fall einer 2 um dicken Flüssigkristallschicht, die zwischen
den geriebenen Oberflächen eingeschlossen ist, bewirkt der
Eintritt des Materials in die smektische A-Phase, daß die
smektischen Schichten mit einer 'Bücherregal'-Ausrichtung
gebildet werden (Schichten, die sich in Ebenen erstrecken, zu
denen die Reibrichtung senkrecht steht), und diese Ausrichtung
der smektischen Schichten scheint beibehalten zu werden, wenn
das Material den Übergang in die smektische C-Phase ausführt.
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Zur zeilenweisen Adressierung dieser Zelle wird ein
ladungssymmetrischer bipolarer Auftastimpuls aufeinanderfolgend
an die Reihenelektroden der Zelle angelegt, die durch die
Streifenelektroden der Elektrodenschicht 14 gebildet sind,
während ladungssymmetrische bipolare Datenimpulse parallel an
die Spaltenelektroden angelegt werden, die durch die
Streifenelektroden der Elektrodenschicht 15 gebildet sind.
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Die Schwingungsformen des Auftastimpulses und der Datenimpulse
mit entgegengesetzter Datenwertigkeit sind in Fig. 2 bei 20, 21
bzw. 22 dargestellt. Ein Auftastimpuls 20 besteht aus einem
ersten Spannungshub 20a auf eine Spannung +VS für eine Dauer
ts, gefolgt von einer Verweilzeit 20b bei einer Spannung von
Null Volt über eine Dauer von ts, auf die wiederum ein zweiter
Spannungshub 20c auf eine Spannung -VS ebenfalls für eine
Dauer ts folgt. Der Datenimpuls 21 mit einer Datenwertigkeit,
der willkürlich als '0'-Datenimpuls bezeichnet wird, besteht aus
einem ersten Spannungshub 21a auf eine Spannung +VD für eine
Dauer ts, gefolgt von einem zweiten Spannungshub 21b auf eine
Spannung -VD ebenfalls für eine Dauer ts. Der Datenimpuls
22, der willkürlich als der '1'-Datenimpuls bezeichnet wird, ist
die Invertierung des '0'-Datenimpulses und umfaßt einen ersten
Spannungshub 22a auf eine Spannung -VD und einen zweiten
Spannungshub 22b auf eine Spannung +VD, wobei beide
Spannungshübe eine Dauer von ts aufweisen.
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Das Schalten eines Pixels einer ferroelektrischen Zelle hängt
nicht nur von der Spannung ab, der dieses Pixel ausgesetzt wird,
sondern auch von der Zeit, über die diese Spannung
aufrechterhalten wird. Ein typische Charakteristik ist bei 30 in Fig. 3
gezeigt, in der der Logarithmus der Schaltspannungsdauer
(Ansprechzeit) als Funktion des Logarithmus des
Schaltspannungswertes dargestellt ist. Diese Charakteristik oder Kennlinie
trennt eine Zone A, die Zone, in der der Schaltstimulus
ausreicht, um ein Schalten zu bewirken, von einer Zone B, der Zone,
in der der Stimulus keine bleibende Wirkung hervorruft. Für eine
bestimmte Impulsdauer ts ergibt sich kein offensichtliches
Problem bei der Auswahl geeigneter Werte der Auftast- und
Datenimpulsspannungen VS und VD, damit (VS + VD) sicher in
der Zone A liegt. Dann ist es durch Wählen eines Wertes der
Datenimpulsspannung VD, der bezogen auf den Wert der
Auftastimpulsspannung VS nicht zu klein ist, zu erkennen, daß es
möglich ist, dafür zu sorgen, daß (VS - VD) für einen Impuls
mit der Dauer ts sicher in der Zone B liegt. Es sei jedoch
bemerkt, daß das Zusammenfallen eines '0'-Datenimpulses 21 und
des positiv verlaufenden Spannungshubes eines Auftastimpulses 20
das Pixel nicht einem getrennten Impuls mit einer Amplitude
(VS - VD) und einer Dauer ts aussetzt, sondern daß
vielmehr auf diesen Impuls unvermeidbar unmittelbar ein Impuls
mit einer Amplitude VD und einer Dauer ts folgt, und daß in
Abhängigkeit von der Datenwertigkeit des vorhergehenden
Datenimpulses diesem Impuls unmittelbar ein Impuls mit der Amplitude
VD und der Dauer ts vorangehen kann.
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Es sei beispielsweise angenommen, daß die Werte der Auftast- und
Datenimpulsspannungen VS und VD so sind, wie sie in Fig. 3
dargestellt sind. In diesem Fall wird das Pixel durch das
Zusammentreffen eines positiv verlaufenden Abschnittes eines
Auftastimpulses 20 mit dem negativ verlaufenden Abschnitt eines
'1'-Datenimpulses 22 einer Schwingungsform ausgesetzt, deren
(VS + VD)-Komponente mit einer Dauer ts ausreicht, um
einen Schaltstimulus zu liefern, der dem Arbeitspunkt 32
entspricht, der sicher in der Schaltzone A liegt. Ein isolierter
Stimulus mit einer Amplitude (VS - VD) für die Dauer ts
würde einen Schaltstimulus liefern, der dem Punkt 33 entspricht,
der sicher in der schaltfreien Zone B liegt, doch ruft, wie dies
in dem vorhergehenden Absatz erläutert wurde, eine Adressierung
des Pixels durch das Zusammentreffen des positiv verlaufenden
Teils eines Auftastimpulses 20 mit dem positiv verlaufenden Teil
eines '0'-Datenimpulses keinen isolierten (VS - VD)-
Stimulus hervor, so daß der tatsächliche Stimulus irgendeinem
tatsächlichen Arbeitspunkt oberhalb des Pegels des Punktes 33
entspricht. Wenn die Werte von VS und VD so gewählt sind,
daß VS = 2VD ist, so ist VD = (VS - VD), und der
tatsächliche Stimulus ergibt einen tatsächlichen Arbeitspunkt
vertikal oberhalb des Punktes 33. In dem Fall, in dem dem
'0'-Datenimpuls unmittelbar ein '1'-Datenimpuls voranging,
ergibt dieser tatsächliche Stimulus einen tatsächlichen
Arbeitspunkt, der vertikal oberhalb des Punktes 33 an dem Punkt
liegt, an dem die (VS - VD)-Abszisse die 3ts-Ordinate
schneidet. In Abhängigkeit von dem Gradienten dieser Kennlinie
kann dieser tatsächliche Arbeitspunkt in der Schaltzone A
liegen, und nicht, wie dies erwünscht ist, in der schaltfreien
Zone B.
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Eine Folge der Kurve 30 besteht darin, daß wenn es erwünscht
ist, ein schnelleres Ansprechverhalten durch Verwendung
getrennter Impulse mit einer kürzeren Dauer zu erzielen, es
erforderlich ist, höhere Spannungen zu verwenden. Die Tatsache,
daß die Kurve eine Verringerung der Steilheit des Gradienten
mit zunehmenden Spannungen zeigt, bedeutet, daß es einen
Grenzwert der Impulsdauer gibt, unterhalb dessen ein getrennter
Impuls so kurz ist, daß er niemals in der Lage ist, das Pixel zu
schalten, und zwar unabhängig davon, wie groß die verwendete
Schaltspannung ist. In der Praxis weist ein typisches
ferroelektrisches Material eine Kennlinie der allgemeinen Form
auf, wie sie durch die Kurve 40 nach Fig. 4 gezeigt ist, die
nicht monoton ist, sondern ein Minimum aufweist. Dies eröffnet
die Möglichkeit, den einen positiven Gradienten aufweisenden
Abschnitt der Kennlinie anstelle des einen negativen Gradienten
aufweisenden Abschnittes zu verwenden, und dafür zu sorgen, daß
Pixel durch das Zusammentreffen eines Auftastimpulses und eines
Datenimpulses geschaltet werden, wenn diese Impulse derart sind,
daß sie sich miteinander kombinieren, um ein Potential von
± (VS - VD) zu erzeugen, während die Pixel nicht schalten,
wenn diese Impulse derart sind, daß sie zusammen ein Potential
von ± (VS + VD) erzeugen.
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Wenn das Pixel nicht einem isolierten Impuls, sondern einem
Impuls ausgesetzt wird, dem unmittelbar ein kleiner Impuls
vorangeht, nämlich ein Vorkonditionierungsimpuls mit der
gleichen Polarität, jedoch einer kleineren Amplitude, so ist
die Trennung zwischen der Zone, in der ein Schalten
hervorgerufen wird, und der Zone, in der ein Schalten nicht
hervorgerufen wird, nicht durch die Kurve 40 gegeben, sondern
durch eine in ähnlicher Weise geformte Kurve, die nach unten
und etwas nach rechts bezüglich der Kurve 40 verschoben ist, wie
z.B. die Kurve 41. Das Schalten erfolgt leichter. Wenn umgekehrt
der Vorkonditionierungsimpuls die entgegengesetzte Polarität
aufweist, so ist die Trennung zwischen den Zonen durch eine
Kurve gegeben, die nach oben und etwas nach links gegenüber der
Kurve 40 verschoben ist, wie z.B. die Kurve 42. Das Schalten ist
dann schwieriger. Im Fall eines Vorkonditionierungsimpulses mit
entgegengesetzter Polarität ist die Verschiebung der Kurve
typischerweise beträchtlich größer als die Verschiebung, die
durch einen Vorkonditionierungsimpuls mit der gleichen Größe
hervorgerufen wird, der jedoch die gleiche Polarität wie der
Impuls hat, dem dieser Impuls vorangeht.
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Wenn zunächst lediglich die Kurve 40 betrachtet wird und
zunächst die Wirkungen von Vorkonditionierungsimpulsen
vernachlässigt werden, so ist zu erkennen, daß durch Ausbilden der
Impulsdauer und Spannungen derart, daß sich ein Arbeitspunkt für
(VS - VD) ergibt, der sicher im Inneren (auf der konkaven
Seite der) Kurve 40 in der Nähe seines positiven Gradienten
liegt, die Erfüllung der Forderung, daß VD nicht zu klein
bezogen auf VS sein soll, dazu dient, die durch die
Adressierung erzielte Unterscheidung zu unterstützen. Wenn nunmehr die
Wirkungen von Vorkonditionierungsimpulsen berücksichtigt werden,
so ist zu erkennen, daß man einen Arbeitspunkt für (VS - VD)
im Inneren der Kurve 42 entsprechend einer Impulsdauer, die
kleiner als die des Minimums der Kurve 41 ist, wählen und sicher
sein kann, daß der Arbeitspunkt für (VS + VD) nicht im
Inneren der Kurve 42 liegt und daher nicht zu einem zufälligen
Schalten führen kann. Selbstverständlich besteht immer noch die
Forderung, daß die +VD-Signale, die längs der Pixel von
nichtadressierten Zeilen erzeugt werden, nicht zu einem zufälligen
Schalten führen dürfen. Der 'Schlimmst'-Fall ist ein Impuls mit
der Amplitude +VD, der für eine Dauer 2ts aufrechterhalten
wird, so daß ein Impuls an einem nicht-adressierten Pixel
jedesmal dann erzeugt wird, wenn an diesem Pixel an seiner
Spaltenelektrode ein Datenimpuls mit einer Datenwertigkeit, gefolgt
unmittelbar von einem Datenimpuls mit der entgegengesetzten
Datenwertigkeit angelegt wird. Daher muß VD bezüglich zu ts
so gewählt werden, daß sichergestellt wird, daß dieser
Arbeitspunkt ebenfalls außerhalb (auf der konvexen Seite) der Kurve 42
liegt.
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Die Fähigkeit, ein selektives Schalten mit einem Impuls einer
Amplitude, der ein Schalten hervorruft, zu erzeugen, während ein
anderer Impuls mit der gleichen Dauer, jedoch einer größeren
Amplitude, kein Schalten hervorruft, scheint mit dem
Vorhandensein eines positiven Gradientenabschnittes der Kennlinien 40, 41
und 42 nach Fig. 4 in Verbindung zu stehen. Es wird angenommen,
daß diese Kennlinien Minima und damit Bereiche mit positiven und
negativen Gradienten aufweisen, und zwar als direktes Ergebnis
der widerstreitenden Drehmomente, die aus der Wechselwirkung
eines angelegten elektrischen Feldes (E) mit der dielektrischen
Anisotropie (Δε) und den spontanen Polarisations-
(PS)-Beiträgen zur freien elektrostatischen Energie (Fe) entstehen.
Für die Ableitung einer Gleichung, die sich auf diese Wirkungen
bezieht, wird auf das Diagramm nach Fig. 5 Bezug genommen, das
bei 11 und 12 die beiden Glasplatten nach Fig. 1 zeigt, die die
beiden Hauptflächen der Flüssigkristallschicht umgrenzen. Die
Ebene 50 ist die Ebene einer der smektischen Schichten der
Flüssigkristallschicht, und die Ebene 51 ist eine Ebene parallel
zu einer der Hauptoberflächen der Flüssigkristallschicht. Die
Ebene 51 enthält die Normale N der smektischen Schicht, die
gleichzeitig die Reibrichtung ist. Die Richtung des angelegten
Feldes ist durch den Pfeil E dargestellt. Wenn Θ-
der
Kippwinkel der smektischen Schicht (der Winkel zwischen dem
Molekulardirektor und der Normalen N der smektischen Schicht) ist,
und wenn der Azimut-Winkel des Molekulardirektors (der
Winkel zwischen der Ebene der Hauptoberfläche der
Flüssigkristallschicht 51 und der Ebene, die sowohl die Normale N der
smektischen Schicht als auch den Molekulardirektor enthält) und
wenn εo die Dielektrizitätskonstante des freien Raums ist,
so ist die elektrostatische freie Energie (Fe) durch die
folgende Gleichung gegeben:
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Fe = - PsE cos - ½εoΔε E²sin²θ sin²
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und das resultierende Drehmoment (Ω) ist durch
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Ω = ∂ Fe/∂ = PsE sin - εoΔε E²sin²θ sin cos
gegeben.
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Wenn ein elektrisches Feld an ein Pixel der Zelle in einer
derartigen Richtung angelegt wird, daß der Molekulardirektor
über einen Azimutwinkel = π (entsprechend einem stabilen
Zustand) auf den Azimutwinkel = 0 (entsprechend dem anderen
stabilen Zustand) geschaltet wird, so hängt die Impulsdauer, die
für diesen Schaltvorgang erforderlich ist, von dem Drehmoment
(Ω) ab. Aus experimentellen Studien scheint sich zu ergeben,
daß die minimal erforderliche Impulsdauer für einen isolierten
Impuls bei einem Wert des elektrischen Feldes (Emin) auftritt,
der angenähert derart ist, daß er zu einer maximalen Neigung des
Drehmomentes nahe bei = π führt.
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Daher tritt das elektrische Feld, das die minimale erforderliche
Impulsdauer ergibt auf, wenn:
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E = Emin = - Ps/(2εoΔεsin ²θ)
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Die Abhängigkeit von Emin von Ps ist in Fig. 6 gezeigt, die
die Kennlinien zeigt, die bei 30º C in einer Zelle mit einer
Dicke von 2um für einen Satz von Mischungen gemessen wurde,
die alle die gleiche negative dielektrische Anisotropie
(Δε -1,9), jedoch unterschiedliche Werte von Ps aufweisen,
die durch Verdünnen eines speziellen aus fluoriertem Biphenyl-
Ester bestehenden ferroelektrischen Materials, das von BDH in
Poole, Dorset unter der Bezeichnung M679 geliefert wird, mit
unterschiedlichen Anteilen einer optisch inaktiven Version des
gleichen Esters gewonnen wurden, der als M679R bezeichnet ist.
Die Übergangstemperaturen für dieses Material sind
Sc - (96ºC) - SA - (114ºC) - N - (145ºC) - I.
Diese Kennlinien beziehen sich auf isolierte Impulse und wurden
unter Verwendung einer Schwingungsform erzielt, die schematisch
bei 60 gezeigt ist und die Impulse mit abwechselnder Polarität
mit einer Impulswiederholfrequenz von 20 Hz umfaßt. Die Kurven
zeigen, daß im Falle eines Materials mit einer dielektrischen
Anisotropie Δε = - 1,9 und einem Ps-Wert von ungefähr
5,5 nC/cm² (55uC/m²) der Wert von Emin ziemlich scharf
definiert ist und bei einer Impulsdauer (Ansprechzeit) in der
Nähe von 200 us bei einer Feldstärke von ungefähr 15 Volt/um
auftritt. Wenn der Wert von Ps auf ungefähr 7,5 nC/cm²
(75uC/m²) vergrößert wird, so ist Emin weniger scharf
definiert und tritt bei einer Ansprechzeit in der Nähe von 80us
bei einer Feldstärke von ungefähr 20 Volt/um auf. Durch
Vergrößern des Wertes von Ps auf 13,5 nC/cm² (135uC/m²)
ergibt sich eine Ansprechzeit bei einer Feldstärke von
25 Volt/um von weniger als 30 us, doch scheint Emin etwas
höher zu sein.
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Die Kennlinien nach Fig. 6 wurden unter Verwendung isolierter
Impulse gewonnen, doch ergibt sich bei der normalen zeilenweisen
Adressierung der Pixel einer Anzeige ein kontinuierlicher
Datenstrom, der die Wirkung der Einstellung der Adressierimpulse
gegen einen Hintergrund in Form eines wechselnden Potentials
hervorruft. Dies modifiziert die Kennlinien, wie dies in Fig. 7
gezeigt ist, die die Wirkung einer Vergrößerung der Amplitude
des den Hintergrund bildenden abwechselnden Potentials für eine
einzige Kennlinie nach Fig. 6 zeigt, nämlich die Kennlinie für
die Mischung mit 25% M679 : 75% M679R. Die Kurve 70 zeigt die
Kennlinie für die Schwingungsform 60 nach Fig. 6 bei
Vorhandensein eines fehlenden, den Hintergrund bildenden abwechselnden
Potentials, während die Kurven 71, 72 und 73 die Kennlinien für
die Schwingungsform 60 bei Vorhandensein eines einen Hintergrund
bildenden wechselnden Potentials von ± 4 Volt ± 6 Volt, ± 8
Volt, wobei dieses den Hintergrund bildende abwechselnde
Potential eine Grundperiodizität aufweist, die gleich dem Doppelten
der Impulsdauer ist. Die Kurven 75, 76, 77 und 78 zeigen die
Kennlinien entsprechend den Kurven 70 - 73, jedoch für eine
Mischung von 50% M5679 : 50% M5679R anstelle der Mischung von
25% : 75%. Aus diesen Kurven ist zu erkennen, daß eine der
Wirkungen eines einen Hintergrund bildenden abwechselnden
Potentials in der Vergrößerung der Ansprechzeit besteht. Dies ist
nicht allgemein ein Vorteil, doch kann eine weitere Wirkung
darin bestehen, daß das Minimum schärfer gemacht wird, wie dies
insbesondere im Fall der 50% : 50%- Mischung gezeigt ist, und
dies ist nützlich.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Schaltcharakteristik
einer ferroelektrischen Flüssigkristallzelle, deren Pixel unter
Verwendung eines Impulses mit einer Amplitude und Dauer
geschaltet werden können, während sie nicht geschaltet werden, wenn ein
Impuls mit der gleichen Dauer, doch einer größeren Amplitude
verwendet wird, offensichtlich durch eine Anzahl von Parametern
beeinflußt wird. So wird sie durch die Zusammensetzung des
Materials, insbesondere durch das Verhältnis der spontanen
Polarisation zur dielektrischen Anisotropie, durch die Amplitude
und das Vorzeichen irgendeines Vorkonditionierungsimpulses und
durch das Vorhandensein eines abwechselnden elektrischen Feldes
beeinflußt, das einen Schaltstabilisierungseffekt ergibt. Als
Folge hiervon ist es nicht immer unmittelbar erkennbar, warum
ein spezielles Adressierschema in der tatsächlich beobachteten
Weise wirksam ist.
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Im vorliegenden Fall scheint es so zu sein, daß der positiv
verlaufende Hub des Auftastimpulses mit einem '0'-Datenimpuls
zusammenwirkt, um ein adressiertes Pixel in seinen '0'-Zustand
zu setzen, und hierbei wird das Pixel so vorkonditioniert, daß
in dem Zeitschlitz, der der Adressierung der nächsten Pixelzeile
zugeordnet ist, dieses Pixel an einem Zurückschalten in seinen
'1'-Zustand gehindert wird. Andererseits wirkt der positiv
verlaufende Hub des Auftastimpulses mit einem '1'-Datenimpuls
derart zusammen, daß ein adressiertes Pixel nicht in seinen
'1'-Zustand geschaltet wird, jedoch so vorkonditioniert wird,
daß dieses Pixel in dem Zeitschlitz, der der Adressierung der
nächsten Pixelzeile zugeordnet ist, durch den negativ
verlaufenden Hub des Auftastimpulses in seinen '1'-Zustand geschaltet
wird, und zwar unabhängig davon, ob dieser negativ verlaufende
Hub mit einem '1'-Datenimpuls oder einem '0'- Datenimpuls
zusammenwirkt.
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In Fig. 8 ist eine Anzahl von unterschiedlichen
Schwingungsformen dargestellt, die die Potentialdifferenz darstellen, die
längs eines Pixels erzeugt wird, wenn es mit einem Auftastimpuls
20 und unterschiedlichen Folgen von Datenimpulsen adressiert
wird. In jedem Fall ist der positiv verlaufende erste
Spannungshub des Auftastimpulses mit dem dritten Datenimpuls der
Datenimpulsfolge synchronisiert. Die Potentialdifferenz, die längs
des Pixels auftritt, wird durch Subtrahieren der
Datenimpulsschwingungsform von der Auftastimpulsschwingungsform berechnet.
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Die Schwingungsform 81 ist die Schwingungsform, die durch die
Datenfolge '0 1 0 0 1' erzeugt wird. Bei dieser Schwingungsform
ist der positiv verlaufende Spannungshub 81a auf +VD für
eine Dauer von 2ts zu klein, um ein Schalten hervorzurufen.
Der negativ verlaufende Hub 81b auf -VD für eine Dauer ts
ist ebenfalls zu klein, um ein Schalten hervorzurufen, und,
obwohl er eine Vorkonditionierung des nachfolgenden Positiv
verlaufenden Impulses 81c gegen ein Schalten hervorruft, scheint
er in dieser Hinsicht unwirksam zu sein. Das Schalten des Pixels
in den '0'-Zustand oder, wenn sich das Pixel bereits vorher in
dem '0'-Zustand befand, das Halten des Pixels auf diesem
Zustand, wird durch den positiv verlaufenden Spannungshub 81c
hervorgerufen, der einen Hub auf (VS - VD) für eine Dauer
ts unmittelbar gefolgt von einer Änderung auf VD für eine
weitere Dauer ts umfaßt. Der folgende negative Hub 81d auf
- (VS + VD) für eine Dauer ts ist für eine Änderung des
Schaltzustandes nicht wirksam, so daß das Pixel auf dem
'0'-Zustand bleibt.
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Die Schwingungsform 82 ist die Schwingungsform, die durch die
Datenfolge '0 1 0 1 0' erzeugt wird. Diese Schwingungsform
weist positiv verlaufende Hübe 82a und 82c auf, die identisch
zu ihren Entsprechungen 81a und 81c der Schwingungsform 81 sind.
In gleicher Weise ist der negativ verlaufende Hub 82b der
Schwingungsform 82 identisch zu dem entsprechenden negativ
verlaufenden Hub 81b der Schwingungsform 81. Andererseits
unterscheidet sich der negativ verlaufende Hub 82d der
Schwingungsform 82 in seiner Form von dem entsprechenden Teil der Kurve 81
und beginnt mit einer kleineren Amplitude, erstreckt sich jedoch
über eine längere Zeit. Er beginnt mit einem Hub - (VS - VD)
für eine Dauer ts, auf die unmittelbar eine Änderung auf -VD
folgt, die für eine Dauer 2t aufrechterhalten wird. Dieser
negative Hub 82d scheint in gleicher Weise nicht wirksam zu
sein, um den Schaltzustand zu ändern, so daß das Pixel im
'0'- Zustand verbleibt.
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Die Schwingungsform 83 ist die Schwingungsform, die durch die
Datenfolge '1 0 1 0 1' erzeugt wird. Diese Schwingungsform weist
einen positiv verlaufenden Hub 83a auf +VD für eine Dauer ts
auf, auf die unmittelbar eine Änderung auf + (VS + VD) für
eine weitere Dauer für ts folgt. Es ist möglich, daß hierdurch
vorübergehend das Pixel in den '0'- Zustand geschaltet oder in
diesem Zustand gehalten wird, und daß das Pixel dann in den
'1'-Datenzustand durch den nachfolgenden negativ verlaufenden
Hub 83b geschaltet wird. Dieser negativ verlaufende Hub weist
eine ähnliche Form, jedoch eine entgegengesetzte Polarität zu
dem positiv verlaufenden Hub 83a auf und umfaßt einen Hub auf
-VD für ts, gefolgt durch eine Änderung auf - (VS + VD)
für eine weitere Zeit ts. Aus Gründen, die weiter unten
erläutert werden, wird angenommen, daß es jedoch wahrscheinlicher
ist, daß der positiv verlaufende Hub 83a kein Schalten bewirken
kann und daß bei dieser Datenfolge der einzige Schaltvorgang
derjenige ist, der mit dem negativen Hub 83b verbunden ist.
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Die Schwingungsform 84 ist die Schwingungsform, die durch die
Datenfolge '0 0 1 1 1' hervorgerufen wird. Sie hat einen positiv
verlaufenden Hub 84a identisch zu dem positiv verlaufenden Hub
83a der Schwingungsform 83, und wird gefolgt von einem negativ
verlaufenden Hub 84b, der einen Hub auf VD für eine Dauer
ts, gefolgt von einer Änderung auf - (VS - VD) für eine
weitere Dauer von ts umfaßt, wobei auf diesen Hub wiederum
eine Änderung zurück auf -VD für eine weitere Dauer von ts
folgt (eine Überprüfung dieser Schwingungsform zeigt, daß diese
Änderung zurück auf -VD sich für eine Dauer von 2ts ergeben
würde, wenn das letzte Bit des Datenstromes eine '0' anstelle
einer '1' sein würde. Es wird angenommen, daß das durch diese
Schwingungsform hervorgerufene Schaltmuster ähnlich dem ist,
das mit der Schwingungsform 83 erzielt wird. Es könnte gesagt
werden, daß das Pixel vorübergehend in den '0'-Zustand durch den
positiv verlaufenden Hub geschaltet wird, der den Beginn des
Zeitschlitzes des dritten Bits (Hub 84a) einklammert, und daß
unmittelbar danach das Pixel in den '1'-Zustand durch den
negativ verlaufenden Hub geschaltet wird, der den Beginn des
vierten Zeitschlitzes (Hub 84b) einklammert. Aus weiter unten zu
erläuternden Gründen wird es jedoch als wahrscheinlicher
angenommen, daß bei dieser Datenfolge der einzige Schaltvorgang
derjenige ist, der mit dem negativ verlaufenden Hub 84b verbunden
ist.
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In dem vorhergehenden Absatz wurde erwähnt, daß es als
wahrscheinlicher angenommen wird, daß der positiv verlaufende Hub
83a keinen Schaltvorgang bewirkt, als daß er einen Schaltvorgang
bewirken würde. Ausschließlich auf der Grundlage der
vorstehenden Beschreibung, die sich auf die Wirkung der
Vorkonditionierimpulse bezieht, ist es etwas schwierig zu erkennen, warum, wenn
der positiv verlaufende Hub 83a keinen Schaltvorgang bewirkt,
ein Schaltvorgang dennoch durch den negativ verlaufenden Hub 83b
hervorgerufen wird, der die Umkehrung des positiv verlaufenden
Hubes 83a ist. Wenn andererseits die Hübe 83a und 83b beide
einen Schaltvorgang hervorrufen, so ist es schwierig, zu
erkennen, warum der negativ verlaufende Hub 82d keinen Schaltvorgang
hervorruft, während der negativ verlaufende Hub 84b dennoch
einen Schaltvorgang hervorruft. Damit das Adressierschema in der
erforderlichen Weise arbeitet, ist es dennoch absolut
erforderlich, daß einerseits der negativ verlaufende Hub 82d keinen
Schaltvorgang hervorruft, und daß andererseits die negativ
verlaufenden Hübe 83b und 84d einen Schaltvorgang hervorrufen.
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Die Erklärung für dieses Verhalten kann zu dem Verhalten in
Beziehung stehen, das für einen anderen beobachteten Effekt
verantwortlich ist, nämlich daß, wenn ein Pixel in einer
Richtung durch einen Impuls mit der Amplitude (V) und der
Dauer 2ts geschaltet wurde, es fortschreitend einfacher wird,
dieses Pixel in der entgegengesetzten Richtung mit einem Impuls
mit der Amplitude V und einer Dauer ts zu schalten, wenn das
Zeitintervall zwischen den beiden Schaltvorgängen über
zumindestens den Bereich von Zeitintervallen vergrößert wird,
der sich von 10ts auf 50ts erstreckt. Dieser Effekt kann
durch das mathematische Modell erläutert werden, das weiter oben
erwähnt wurde, indem angenommen wird, daß unmittelbar nach dem
Schaltvorgang der Azimutwinkel des Direktors sehr nahe
an = 0 oder an = π liegt und daß sich der Azimutwinkel
danach langsam auf einen Wert entspannt, der weiter von = 0
oder = π entfernt ist. Aus der vorhergehenden
mathematischen Abhandlung ist zu erkennen, daß sich kein Drehmoment
Ω ergibt, wenn präzise die Bedingung = 0 oder = π
erfüllt, so daß es erkennbar ist, daß diese Entspannung oder
Relaxation mit einer progressiven Änderung von einem Zustand, in
dem ein Schalten besonders schwierig einzuleiten ist, in
Richtung auf einen Zustand, in dem der Schaltvorgang etwas leichter
einzuleiten ist, verbunden sein könnte. Auf dieser Grundlage ist
es wahrscheinlich, daß der Grund dafür, daß weder der
Spannungshub 81d noch der Spannungshub 82d ein Schalten bewirken können,
zumindestens teilweise darin besteht, daß diese beiden
Spannungshübe unmittelbar nach Schaltspannungs-Hüben auftreten,
nämlich den Hüben 81c und 82c. Es wird vermutet, daß im Fall der
Schwingungsform 83 dieser Spannungshub 83a kein Schalten
hervorruft, sondern daß er das Gleichgewicht stört und den
Direktor zu einem Azimutwinkel bewegt, der relativ weit von
= 0 oder = π liegt, so daß das dielektrische Haltedrehmoment
so viel weniger wirksam ist, daß ein Schalten durch den
unmittelbar folgenden Spannungshub, nämlich den Hub 83b
hervorgerufen wird. Wenn dies die richtige Erläuterung ist, so
ist der Grund, warum der Spannungshub 84b in gleicher Weise zum
Wirken eines Schaltvorganges wirksam ist, absolut analog.
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Die Wahl der richtigen Werte für die Auftast- und
Datenimpulsamplituden und -dauer hängt von der Zusammensetzung des
verwendeten Flüssigkristalls, dessen Temperaturen, der Dicke der
Flüssigkristallschicht und anderen Betriebsfaktoren ab, wie z.B.
von der Einfügung eines zusätzlichen elektrischen Wechselfeldes,
das für Stabilisierungszwecke verwendet wird. Als spezielles
Beispiel sei angegeben, daß sich Auftast- und Datenspannungen
von ± 40 Volt bzw. ± 9 Volt als geeignet für eine Zelle mit
einer Flüssigkristallschicht mit einer Dicke von 1,7 um aus
50% M755/50% M755R bei einer Betriebstemperatur von 30ºC als
geeignet herausgestellt haben.
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In der vorstehenden speziellen Beschreibung wurde die
Adressierung durch eine spezielle Form eines sequentiellen
zeilenweisen Formates durchgeführt, bei der die Adressierung
jeder Zeile mit Daten ohne Unterbrechung unmittelbar nach der
Adressierung mit Daten der vorhergehenden Zeile folgt. Auf diese
Weise arbeitet der Auftastimpuls nicht nur mit den sich auf
seine eigene Zeile beziehenden Datenimpulsen zusammen, sondern
auch mit denen, die sich auf die nachfolgende Zeile beziehen.
Es wurde erläutert, daß auf diese Weise eine Einsparung
hinsichtlich der Zeit erreicht werden kann, die erforderlich
ist, um eine vollständige Seite aufzufrischen. Es sei jedoch
verständlich, daß die Erfindung auch zur Adressierung einzelner
Zeilen auf einer getrennten Basis verwendet werden kann, bei der
die an den Spaltenelektroden auftretenden Signale, die mit dem
zweiten Spannungshub eines Auftastimpulses zusammenwirken, nicht
von Daten geliefert werden, die sich auf eine nachfolgende Zeile
beziehen. Auf diese Weise kann die Erfindung zum Schreiben oder
Erneuern von nur einer einzigen Pixelzeile verwendet werden.