СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ И МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к технике отображения информации и может быть использовано для построения дисплеев различного назначения, а также для записи информации на светочувствительный носитель.

Известно жидкокристаллическое устройство отображения информации, содержащее две скрепленные одна к другой подложки, на поверхности одной из которых расположен массив пар встречно-штырьевых электродов, окруженных слоем жидкокристаллического вещества, заключенного между подложками [1].

Способ управления этим устройством состоит в создании внутри каждого элемента массива электрического поля, переменного по величине и направлению, путем подачи электрической разности потенциалов на пары встречно-штырьевых электродов.

Недостатками такого способа управления и устройства для его осуществления являются недостаточная контрастность элементов отображаемого изображения из-за краевых эффектов в парах встречно-штырьевых электродов, низкое быстродействие, определяемое собственным временем релаксации жидкокристаллического вещества, а также невозможность использования матричного принципа адресации элементов устройства отображения.

Это снижает информационную емкость устройства отображения и определяет низкую эффективность управления и недостаточное качество отображения информации с помощью известных способа и устройства.

Цель изобретения - повышение эффективности управления и качества отображения информации.

Способ управления многоэлементным электрооптическим преобразователем заключается в том, что для формирования внутри каждого электрооптического элемента управляющего электрического поля, переменного как по величине, так и по направлению, управляющее электрическое поле создают путем последовательного или одновременного воздействия двух независимо формируемых ортогональных по направлению и однородных внутри каждого отдельного элемента электрических полей.

Воздействие на каждый электрооптический элемент своего управляющего электрического поля, образующегося в результате суперпозиции двух указанных независимо формируемых электрических полей, обеспечивает высокую эффективность управления и качество отображения информации многоэлементным электрооптическим преобразователем.

На фиг. 1 показан многоэлементный электрооптический преобразователь (разрез А-А на фиг. 3); на фиг. 2 - то же, разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 3 - фрагмент структуры управляющих электродов многоэлементного электрооптического преобразователя; на фиг. 4 представлен многоэлементный электрооптический преобразователь, вид сверху.

Многоэлементный электрооптический преобразователь содержит первую подложку 1 с последовательно расположенными на ней первой системой электродов 2, первым изолирующим слоем 3, второй системой электродов 4, например, в виде линейчатых электродов, вторым изолирующим слоем 5 и массивом пар встречно-штырьевых электродов. Каждую пару встречно-штырьевых электродов массива элементов электрооптического преобразователя составляют два штырьевых электрода, один из которых образован электродами, например, в виде полос 6, снабженных выступами 7, ортогональными, как и полосы 6, линейчатым электродам 4, а другие штырьевые электроды выполнены, например, в виде одиночных электродов 8, расположенных внутри зон, образуемых выступами 7. Одиночные электроды 8 ортогональны линейчатым электродам второй системы электродов 4 и электрически связаны с ними через окна 9 во втором изолирующем слое 5.

На второй подложке 10, входящей в состав многоэлементного электрооптического преобразователя, последовательно располагаются третья система электродов 11 и третий изолирующий слой 12. Между подложками 1, 10 и встречно-штырьевыми электродами 6, 7, 8 находится слой жидкокристаллического вещества (ЖК) 13. Герметизация ЖК и скрепление подложек осуществляется по их краям с помощью, например, клеевого соединения 14. Многоэлементный электрооптический преобразователь содержит также контактные площадки первой системы электродов 15, второй системы электродов 16, штырьевых электродов 17 и третьей системы электродов 18.

Первая и вторая подложки 1 и 10 изготавливаются из кварца или стекла. Первая 2 и третья 11 системы управляющих электродов формируются на поверхностях соответственно первой 1 и второй 10 подложек путем, например, напыления с последующей фотолитографией из окислов олова или индия или их сочетания толщиной 0,1 мкм. Над первой 2 и третьей 11 системами электродов формируются соответственно первый 3 и третий 12 изолирующие слои, например, путем напыления окислов кремния через маску, оставляющую открытой часть поверхности первой 1 и соответственно второй 10 подложек для последующего нанесения контактных площадок 15 и 16 многоэлементного электрооптического преобразователя.

Первый изолирующий слой 3 электрически отделяют электроды первой 2 от второй 4 управляющей системы, формируемой, например, напылением окислов олова и индия толщиной 0,1 мкм на поверхности первого изолирующего слоя 3. Последующая фотолитография определяет топологию второй системы электродов 4, например, задавая ее в виде линейчатых электродов. Над второй системой электродов 4 наносится второй изолирующий слой 5, например, напылением окислов кремния через маску, оставляющую открытыми периферийные области первой подложки 1 для последующего формирования контактных площадок 15 и 16 соответственно первой 2 и второй 4 систем электродов. Во втором изолирующем слое 5 травлением создают окна 9, расположенные над заданными участками электродов второй системы 4.

На поверхности второго изолирующего слоя 5 с окнами 9 располагаются пары встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8, формирующие отдельные элементы многоэлементного электрооптического преобразователя. Встречно-штырьевые электроды 6, 7, 8 имеют высоту, задающую и равную толщине слоя ЖК 13, например 0,5-10 мкм. Встречно-штырьевые электроды 6, 7, 8 выполняются, например, путем напыления с последующей фотолитографией из слоев меди или алюминия и могут содержать для лучшей адгезии к подстилающей поверхности и защиты от окисления дополнительные подслои из ванадия хрома, никеля. Электродные полосы 6 заканчиваются контактными площадками 17.

Топология электродов первой 2 и третьей 11 управляющих систем может быть различной и определяется конкретными требованиями к работе устройства. В частности для уменьшения емкостных связей одна или обе из названных электродных систем 2 и 11 выполняются фигурными в форме дорожек, расположенных внутри промежутков между штырьевыми электродами, что обеспечивает минимальную площадь пересечения (в проекции на поверхность подложек) со встречно-штырьевыми и связанными с ними системами электродов 4, 6, 7, 8.

Топология встречно-штырьевых электродов также может быть различной, в частности для использования в плоских экранах массив встречно-штырьевых электродов выполняется в виде двумерной периодической матрицы одинаковых пар встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8 (фиг. 3). При этом для повышения качества отображения информации за счет снижения уровня фона в изображении, формируемом электрооптическим преобразователем, существенно расположение одиночных штырьевых электродов 8 внутри зон, образуемых вторыми штырьевыми электродами 6, 7, охватывающими первые штырьевые электроды 8.

Сборку электрооптического преобразователя осуществляют путем наложения одной из подложек 1, 10 на другую так, что третий изолирующий слой 12 приходит в соприкосновение с открытой поверхностью встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8. После этого происходит скрепление подложек 1 и 10, заполнение образовавшихся между ними полостей ЖК 13 и герметизация слоя ЖК 13 по периметру области пересечения первой 1 и второй 10 подложек с помощью герметичного клеевого соединения 14.

При сборке расположение второй подложки 10 относительно первой 1 осуществляют, например, таким образом, что контактные площадки 15, 16 и 17 сформированных на первой подложке 1 трех систем управляющих электродов 2, 4 и 6, размещаются на трех сторонах первой подложки 1, обеспечивая высокую информационную емкость устройства (фиг. 4). Материал контактных площадок 15-18 аналогичен материалу, из которого выполняются встречно-штырьевые электроды 6, 7, 8. Подсоединение многоэлементного электрооптического преобразователя к управляющим блокам индикаторного дисплея, плоского экрана или устройства оптической записи может осуществляться разваркой проводами или распайкой контактных площадок полиимидными шлейфами.

Благодаря тому, что третий изолирующий слой 12, расположенный на второй подложке 10, соприкасается с поверхностью встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8, расположенных на первой подложке 1, слой ЖК 13 заключен между ними и имеет толщину, равную высоте встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8, например, в диапазоне 0,5-10 мкм. В качестве ЖК 13 могут быть использованы нематические ЖК, работающие на полевом эффекте. Их ориентация может быть различной, что достигается соответствующим формированием соприкасающихся с ЖК 13 ориентирующих слоев подложек 1и 10. Например, гомеотропной, планарной или гомеопланарной. При планарной ориентации, выполненной ортогонально друг к другу на подложках 1 и 10, возможно эффективное управление многоэлементным электрооптическим преобразователем, работающим на твист-эффекте.

Для получения амплитудной модуляции светового потока с помощью электрооптического преобразователя, работающего на полевом эффекте, необходимо использование поляризаторов. Местоположение поляризационных пленок на фиг. 1-4 не указано, поскольку оно определяется известным образом, исходя из вида ориентации ЖК 13 с учетом пропускающего или отражающего типа работы многоэлементного электрооптического преобразователя. Возможно использование и других типов ЖК и физических эффектов в них без изменения существа изобретения.

Многоэлементный электрооптический преобразователь работает следующим образом.

На контактные площадки 15-18 подаются управляющие напряжения, соответствующие вырабатываемому управляющими блоками порядку отображения информации.

Например, через контактные площадки 17 сигнальное напряжение прикладывается к штырьевым электродам 6, 7. В это же время для создания на выбранных электрооптических элементах преобразователя разности потенциалов, превышающей пороговую для используемого ЖК 13, через контактные площадки 16 второй системы электродов 4 подается напряжение необходимой величины на выбранные линейчатые электроды 4, связанные электрически через окна 9 в изолирующем слое 5 с одиночными штырьевыми электродами 8. В результате подачи управляющих напряжений на встречно-штырьевую систему электродов 6, 7, 8 в слое ЖК 13 образуется электрическое поле, направленное параллельно поверхностям подложек 1, 10 и обладающее величиной, достаточной для изменения ориентации молекул ЖК в выбранных элементах многоэлементного преобразователя.

В случае использования нематического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, ориентированного гомеотропным образом ЖК 13 под действием разности потенциалов, превышающей пороговую, перейдет из гомеотропного в планарное состояние. В результате при использовании системы поляризаторов, будет получен эффект амплитудной модуляции света на выбранных элементах массива встречно-штырьевых электродов преобразователя.

Переключение возбуждающей разности потенциалов с ранее выбранных элементов преобразователя на новые для динамического отображения информации осуществляется, например, сканированием подачи соответствующего напряжения по контактным площадкам 16 второй системы линейчатых электродов 4 при одновременной подаче требуемых уровней сигнальных потенциалов на контактные площадки 17 штырьевых электродов 6, 7. Уровни серого на изображении в этом случае получают путем амплитудной или широтно-импульсной модуляции сигнальных потенциалов, следующих на штырьевые электроды 6, 7.

Конструкция преобразователя позволяет повысить эффективность управления и качество отображения информации за счет возможности форсированного переключения состояния электрооптических элементов преобразователя. Для этого снимается возбуждающая ЖК разность потенциалов со встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8. Затем через контактные площадки 15 и 18 подаются напряжения на электроды соответственно первой 2 и третьей 11 управляющих систем. В результате в электрооптических элементах, расположенных между указанными электродами, образуется электрическое поле, направленное перпендикулярно к поверхностям подложек 1, 10 и, следовательно, к направлению поля, ранее присутствовавшего внутри элементов массива встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8. Это приводит к стимулированной переориентации ЖК 13 в указанных элементах преобразователя. Так, например, нематический ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, ориентированный поверхностью подложек 1, 10 гомеотропным образом и переведенный подачей разности потенциалов на встречно-штырьевые электроды 6, 7, 8 в планарное состояние, возвратится в исходное гомеотропное состояние вынужденным образом, и следовательно, значительно быстрее, чем это происходило бы при свободной релаксации.

Если первая 2 и третья 11 системы управляющих электродов выполнены сплошными, то путем подачи на них соответствующих напряжений будет осуществляться покадровое стирание информационных изображений, формируемых массивом встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8.

Если одна или обе из названных систем представляют собой системы полосовых электродов, например, расположенных в прямой проекции на поверхность подложек 1, 10 или между линейчатыми электродами 4 или между электродами, имеющими форму полос 6, ортогональных линейчатым электродам 4, то возможно последовательное выключение строк при построечной развертке информационного изображения. В этом случае стирающее напряжение подается поочередно на полосовые электроды первой 2 или третьей 11 систем с поддержанием на второй из названных систем постоянного смещения. Для стирания фрагментов изображения переключение стирающего напряжения с одного или группы полосовых электродов первой 2 или третьей 11 систем на следующие может осуществляться, например, со строчной или в соответствующее числу полосовых электродов в группе уменьшенной частотой. Частота подачи стирающего потенциала для каждого полосового электрода 2 или 11 может равняться, например, кадровой, причем, если момент поступления сигнала, возбуждающего ЖК 13 внутри выбранной строки встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8, определяемой линейчатым электродом 4, принять за начало кадра, то выключение названной строки для обеспечения максимальной яркости изображения должно производиться в конце кадра перед поступлением на указанные элементы массива встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8 очередного возбуждающего ЖК 13 импульса.

Если первая 2 и третья 11 системы управляющих электродов выполнены с индивидуальной адресацией своих элементов, возможно форсированное переключение заданных элементов массива встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8 без снижающего качество изображения воздействия на рядом расположенные элементы. Также возможна индивидуальная адресация элементов массива встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8, например, для использования в сегментных индикаторах.

В общем случае подачи управляющих напряжений на электроды преобразователя разность потенциалов между электродами первой 2 и третьей 11 систем создается при неснятой со встречно-штырьевых электродов 6, 7, 8 возбуждающей ЖК 13 разности потенциалов. В результате в элементах электрооптического преобразователя устанавливается электрическое поле, вектор напряженности которого образуется из суперпозиции двух независимо формируемых электрических полей, параллельного поверхностям подложек 1, 10 и ортогонального к ним. Это приводит к оптическому эффекту, соответствующему воздействию наклонного электрического поля на ЖК 13. Управление величиной указанного эффекта можно использовать для передачи полутоновой информации.

Возможны и другие варианты последовательностей и сочетаний подачи управляющих напряжений на системы электродов многоэлементного электрооптического преобразователя, не затрагивающие существа настоящего изобретения.

Таким образом, способ управления многоэлементным электрооптическим преобразователем и многоэлементный электрооптический преобразователь, позволяющий реализовать указанный способ, расширяют возможности средств отображения информации в формировании полутоновых изображений за счет использования управления не только величиной действующего на электрооптический слой однонаправленного электрического поля, но и путем управления его направлением. Высокая эффективность управления и качество отображения информации достигаются также за счет возможности форсированного переключения электрооптических ячеек, приводящей к увеличению быстродействия преобразователя и снижению фонового светового потока в преобразователе, ухудшающего контрастность изображений. Равномерность модуляционного отклика элементов многоэлементного электрооптического преобразователя, обеспечивая высокой однородностью толщины слоя ЖК, зависящей от разброса по высоте выполняемых методами тонкопленочной технологии встречно-штырьевых электродов, также способствует повышению качества формируемых преобразователем изображений. Кроме того, в преобразователе становится возможным использование широкого класса ЖК благодаря снижению требований к их релаксационным характеристикам.

Использование: техника отображения информации. Сущность изобретения: на первой подложке размещены первая и вторая системы электродов и система встречно-штырьевых электродов, разделенные слоями диэлектрика. Вторая система образована линейчатыми электродами. Один из электродов пары встречно-штырьевых электродов образован электродами в виде полос с выступами, ортогональными линейчатым электродам. Вторые электроды из пары выполнены в виде одиночных электродов, расположенных внутри зон, образуемых выступами. Одиночные электроды ортогональны линейчатым электродам и электрически связаны с ними через окна во втором слое диэлектрика. На второй подложке размещены третья система электродов и третий изолирующий слой. Слой жидкокристаллического вещества размещен между третьим слоем диэлектрика и системой встречно-штырьевых электродов. Управляющее каждым элементом переменное по величине и направлению электрическое поле создают путем последовательного или одновременного воздействия двух независимо формируемых ортогональных по направлению однородных внутри каждого элемента электрических полей. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления многоэлементным электрооптическим преобразователем, при котором внутри каждого элемента создают управляющее электрическое поле, переменное по величине и направлению, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности управления, управляющее электрическое поле создают путем последовательного или одновременного воздействия двух независимо формируемых ортогональных по направлению однородных внутри каждого отдельного элемента электрических полей. 2. Многоэлементный электрооптический преобразователь, содержащий последовательно расположенные первую подложку, массив встречно-штыревых электродов, окруженных слоем жидкокристаллического вещества, и вторую подложку, скрепленную с первой, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия отклика электрооптических элементов, между первой подложкой и массивом встречно-штыревых электродов последовательно размещены в контакте друг с другом первая система электродов, нанесенная на подложку, первый изолирующий слой, вторая система электродов, второй изолирующий слой с выполненными в нем окнами для электрической связи одного из штыревых электродов в каждой паре встречно-штыревых электродов с одним из электродов второй системы, а между второй подложкой и массивом встречно-штыревых электродов последовательно расположены в контакте друг с другом третья система электродов, нанесенная на вторую подложку, и третий изолирующий слой, соприкасающийся с поверхностью встречно-штыревых электродов, высота которых совпадает с толщиной слоя жидкокристаллического вещества. 3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что массив встречно-штыревых электродов выполнен в виде двумерной периодической матрицы одинаковых пар встречно-штыревых электродов. 4. Преобразователь по пп.2 и 3, отличающийся тем, что вторая система электродов выполнена в виде линейчатых электродов, первые из штыревых электродов в каждой паре встречно-штыревых электродов содержат по крайней мере по одному отрезку, ортогональному линейчатым электродам, а вторые - электрически объединены в группы с помощью входящих в состав вторых штыревых электродов полос, ортогональных линейчатым электродам. 5. Преобразователь по пп.2 - 4, отличающийся тем, что вторые из штыревых электродов в каждой паре встречно-штыревых электродов охватывают первые из штыревых электродов. 6. Преобразователь по пп.2 - 5, отличающийся тем, что по крайней мере одна из первой и третьей систем электродов выполнена в виде полос, расположенных в прямой проекции на поверхность подложек между линейчатыми электродами или между электродами в виде полос, ортогональных линейчатым электродам. 7. Преобразователь по пп.2 - 5, отличающийся тем, что по крайней мере одна из первой и третьей систем электродов выполнена фигурной в форме дорожек, расположенных в прямой проекции на поверхность подложек внутри промежутков, образующихся между штыревыми электродами в парах встречно-штыревых электродов.