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 друг с другом подложки, на поверхности одной из которых расположен массив пар встречно-штыревых электродов, окруженных слоем жидкокристаллического вещества, заключенного между подложками.

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-штыревых электродов [1].

Недостатками таких способов управления и устройства для его осуществления являются недостаточная контрастность элементов отображаемого изображения из-за краевых эффектов в парах встречно-штыревых 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 электрическим преобразователем.

На фиг. 1 показан многоэлементный электрооптический преобразователь (разрез А-А на фиг.2); на фиг. 2 представлен многоэлементный электрооптический преобразователь, вид сверху; на фиг.3 - фрагмент структуры встречно-штыревых электродов и электродов второй системы многоэлементного электрооптического преобразователя; на фиг;4 - фрагмент структуры электродов четвертой системы многоэлементного электрооптического преобразователя.

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, и массивом пар встречно-штыревых электродов. Каждую пару встречно-штыревых электродов массива элементов электрооптического преобразователя составляют два штыревых электрода, причем первые из них выполнены, например, в виде одиночных электродов 5, расположенных внутри зон, образуемых вторыми штыревыми электродами 6,7, один из участков 7 которых электрически контактирует с электродами четвертой системы 8, расположенной на второй подложке 9. Одиночные электроды 5 ортогональны линейчатым электродом второй системы 4 и электрически контактируют с ними.

На второй подложке 9, входящей в состав многоэлементного электрооптического преобразователя, последовательно располагаются третья система электродов 10, второй изолирующий слой 11 и четвертая система электродов 8.

Между подложками 1,9 и встречно-штыревыми электродами 5, 6, 7 находится слой жидкокристаллического вещества (ЖК) 12. Герметизация ЖК и скрепление подложек осуществляются по их краям с помощью, например, клеевого соединения 13. Многоэлементный электрооптический преобразователь содержит также контактные площадки 14-17 соответственно первой, второй, третьей и четвертой системы электродов.

Первая 2 и третья 10 системы управляющих электродов формируются на поверхностях соответственно первой 1 и второй 9 подложек путем, например, напыления с последующей фотолитографией из окислов олова или индия или их сочетания толщиной 0,1 мкм. Сверху первой 2 и третьей 10 систем электродов формируется соответственно первый 3 и второй 11 изолирующие слои, например, путем напыления окислов кремния через маску, оставляющую открытой часть поверхности первой 1 и соответственно второй 9 подложек для последующего нанесения контактных площадок 14 и 16 многоэлементного электрооптического преобразователя.

Первый изолирующий слой 3 электрически отделяет 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.

На поверхности первого изолирующего слоя 3 располагаются также и пары встречно-штыревых электродов 5, 6, 7, формирующие отдельные элементы многоэлементного электрооптического преобразователя. Встречно-штыревые электроды 5,6,7 имеют высоту, задающую толщину слоя ЖК 12, например 0,5-10 мкм. Встречно-штыревые электроды 5, 6, 7 выполняются, например, путем напыления с последующей фотолитографией из слоев меди или алюминия и могут содержать для лучшей адгезии к подстилающей поверхности, защиты от окисления и обеспечения возможности термокомпрессионной сварки с помощью легкоплавких покрытий дополнительные подслои из ванадия, хрома, никеля, олова, висмута, олово-индия.

Второй изолирующий слой 11 электрически отделяет электроды третьей 10 от четвертой 8 управляющей системы, формируемой,например, из материалов, образующих легкоплавкие покрытия, с топологией, например, в виде полос, ортогональных линейчатым электродам второй системы 4. Электроды четвертой системы 8 заканчиваются контактными площадками 17, которые могут быть выполнены из того же легкоплавкого материала, что и сами электроды 8.

Топология электродов первой 2 и третьей 10 управляющих систем может быть различной и определяется конкретными требованиями к работе устройства. В частности для уменьшения емкостных связей одна или обе из электродных систем 2 и 10 выполняются фигурными в форме дорожек, расположенных внутри промежутков между штыревыми электродами, что обеспечивает минимальную площадь пересечения (в проекции на поверхность подложек) со встречно-штыревыми и связанными с ними системами электродов 4 - 8.

Топология встречно-штыревых электродов также может быть различной, в частности для использования в плоских экранах массив встречно-штыревых электродов выполняется в виде двумерной периодической матрицы одинаковых пар встречно-штыревых электродов 5, 6, 7 (фиг.3). При этом для повышения качества отображения информации за счет снижения уровня фона в изображении, формируемом электрооптическим преобразователем, существенно расположение одиночных штыревых электродов 5 внутри зон, образуемых вторыми штыревыми электродами 6,7, охватывающими первые названные штыревые электроды 5.

Сборку электрооптического преобразователя осуществляют путем такого совмещения первой 1 и второй 9 подложек друг с другом, что электроды четвертой системы 8 накладываются на контактные участки 7 вторых штыревых электродов 6,7. При этом первая подложка 1 может изготавливаться из кварца или стекла, а вторая 9 - для обеспечения электрического контакта электродов 7 и 8 - выполняется гибкой, например, из полиимидных материалов с высоким светопропусканием. Электрическое соединение электродов 7 и 8 осуществляется например, термокомпрессионной сваркой. Благодаря выполнению подложки 9 гибкой высокая однородность толщины слоя ЖК 12, необходимая для достижения соответствующего качества отображения информации, может быть достигнута при менее жестких требованиях к плоскостности и кривизне поверхности подложки 1, чем в случае, когда обе подложки являются жесткими.

После этого происходит скрепление подложек 1 и 9, заполнение образовавшихся между ними полостей ЖК 12 и герметизация слоя ЖК 12 по периметру области пересечения первой 1 и второй 9 подложек с помощью герметичного клеевого соединения 13. В результате ЖК 12 оказывается заключенным между подложками 1, 9 и встречно-штыревыми электродами 5, 6, 7 , определяющими его толщину, например, порядка 0,5-10 мкм.

В качестве ЖК 12 могут быть использованы нематические ЖК, работающие на полевом эффекте. Их ориентация может быть различной, что достигается соответствующим формированием соприкасающихся с ЖК 12 ориентирующих слоев подложек 1 и 9, например, гомеотропной, планарной или гомеопланарной. При планарной ориентации, выполненной ортогонально друг другу на подложках 1 и 9, возможно эффективное управление многоэлементным электрооптическим преобразователем, работающим на твист-эффекте.

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. Контактные площадки 14 - 17 при этом могут быть выполнены из того же материала, из которого формируются встречно-штыревые электроды 5, 6, 7.

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 12 с учетом пропускающего или отражающего типа работы многоэлементного электрооптического преобразователя. Возможно использование и других типов ЖК и других физических эффектов в них без изменения существа настоящего изобретения.

Многоэлементный электрооптический преобразователь работает следующим образом.

На контактные площадки 14 - 17 подаются управляющие напряжения, соответствующие вырабатываемому управляющими блоками порядку отображения информации.

Например, через контактные площадки 17 сигнальное напряжение прикладывается к штыревым электродам 6,7. В это же время для создания на выбранных электрооптических элементах преобразователя разности потенциалов, превышающей пороговую для используемого ЖК 12, через контактные площадки 15 второй системы электродов 4 подается напряжение необходимой величины на выбранные линейчатые электроды 4, связанные электрически с первыми штыревыми электродами 5. В результате подачи управляющих напряжений на встречно-штыревую систему электродов 5,6,7 в слое ЖК 12 образуется электрическое поле, направленное параллельно поверхностям подложек 1,9 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 12 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-штыревых электродов преобразователя.

Переключение возбуждающей разности потенциалов с ранее выбранных элементов преобразователя, на новые для динамического отображения информации осуществляется, напримеp, сканированием подачи соответствующего напряжения по контактным площадкам 15 второй системы линейчатых электродов 4 при одновременной подаче требуемых уровней сигнальных потенциалов на контактные площадки 17 штыревых электродов 6.7. Уровни серого на изображении в этом случае получают путем амплитудной или широтно-импульсной модуляции сигнальных потенциалов, следующих на штыревые 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-штыревых электродов 5,6,7. Затем через контактные площадки 14 и 16 подаются напряжения на электроды соответственно первой 2 и третьей 10 управляющих систем. В результате в электростатических элементах, расположенных между указанными электродами, образуется электрическое поле, направленное перпендикулярно к поверхностям подложек 1, 9 и, следовательно, к направлению поля, ранее присутствовавшему внутри элементов массива встречно-штыревых электродов 5,6,7. Это приводит к стимулированной переориентации ЖК 12 в указанных элементах преобразователя. Так, например, нематический ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, ориентированный поверхностью подложек 1, 9 гомеотропным образом и переданный подачей разности потенциалов на встречно-штыревые электроды 5,6,7 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 10 системы управляющих электродов выполнены сплошными, то путем подачи на них соответствующих напряжений будет осуществляться покадровое стирание информационных изображений, формируемых массивом встречно-штыревых электродов 5,6,7.

Если одна или обе из названных систем представляют собой системы полосовых электродов, например, расположенных в прямой электродами 4 или между электродами четвертой системы 8, ортогональными линейчатыми электродам 4. то возможно последовательное выключение строк при построчной развертке информационного изображения. В этом случае стирающее напряжение подается поочередно на полосовые электроды первой 2 или третьей 10 систем с поддержанием на второй из систем постоянного смещения. Для стирания фрагментов изображения переключение стирающего напряжения с одного или группы полосовых электродов первой 2 или третьей 10 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 10 может равняться, например, кадровой, причем если момент поступления сигнала, возбуждающего ЖК 12 внутри выбранной строки встречно-штыревых электродов 5,6,7, 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-штыревых электродов 5,6,7 очередного возбуждающего ЖК 12 импульса.

Если первая 2 и третья 10 системы управляющих электродов выполнены с индивидуальной адресацией своих элементов, возможно формированное переключение заданных элементов массива встречно-штыревых электродов 5, 6, 7 без снижающего качество изображения воздействия на рядом расположенные элементы. Также возможна индивидуальная адресация элементов массива встречно-штыревых электродов 5,6,7, например, для использования в сегментных индикаторах.

В общем случае подачи управляющих напряжений на электроды преобразователя разность потенциалов между электродами первой 2 и третьей 10 систем создается при не снятой со встречно-штыревых электродов 5,6,7 возбуждающей ЖК 12 разности потенциалов. В результате в элементах электрооптического преобразователя устанавливается электрическое поле, вектор напряженности которого образуется из суперпозиции двух независимо формируемых электрических полей, параллельно поверхностям подложек 1, 9 и ортогонального к ним. Это приводит к оптическому эффекту, соответствующему воздействию наклонного электрического поля на ЖК 12. 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 формированного 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, обеспечиваемая высокой однородностью толщины слоя ЖК, зависящей от разброса по высоте выполняемых методами тонкопленочной технологии, встречно-штыревых 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 система электродов, первый изолирующий слой, вторая система электродов, которые могут быть линейчатыми, и массив пар встречно-штырьевых электродов. Первый электрод пары - одиночный, который расположен внутри зоны, образуемой вторым электродом пары. На второй подложке размещены третья система электродов, изолирующий слой и четвертая система электродов, которые контактируют с вторыми электродами пар. Одиночные электроды ортогональны линейчатым электродам и контактируют с ними. Слой жидкого кристалла размещен между встречно-штырьевыми электродами. Управляющее каждым элементом переменное по величине поле создают путем последовательного или одновременного воздействия двух независимых 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 информационной емкости и быстродействия, между первой подложкой и массивом встречно-штыревых электродов последовательно размещены в контакте друг с другом первая система электродов, нанесенная на подложку, первый изолирующий слой и вторая система электродов, электрически связанная с одним из штыревых электродов каждой пары встречно-штыревых электродов, вторая подложка выполнена гибкой и между ней и массивом встречно-штыревых электродов последовательно расположены в контакте друг с другом третья система электродов, нанесенная на вторую подложку, второй изолирующий слой и четвертая система электродов, контактирующая в каждой паре встречно-штыревых электродов со вторым из штыревых электродов, при этом высота встречно-штыревых электродов превышает высоту электродов второй системы и равна толщине 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, четвертая система в виде полос, ортогональных линейчатым электродам, а первые из штыревых электродов в каждой паре содержат хотя бы по одному отрезку, ортогональному 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.