ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭКРАН Российский патент 1995 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в устройствах отображения информации с высокой информационной емкостью, в частности в телевидении, персональных ЭВМ.

Известен жидкокристалический (ЖК) экран [1], содержащий две параллельно расположенные прозрачные изолирующие пластины, образующие замкнутый объем, заполненный ЖК-материалом. На внутренней стороне первой прозрачной изолирующей пластины сформированы группа прозрачных проводящих полосковых электродов, пассивирующее и ориентирующее покрытия. На внутренней стороне второй прозрачной изолирующей пластины со слоем диэлектрика выполнены группа проводящих полосковых электродов, перпендикулярных группе прозрачных полосковых электродов на первой изолирующей пластине, матрица прозрачных электродов элементов отображения, матрица управляющих тонкопленочных диодов со структурой металл-диэлектрик-металл (МДМ), через которые прозрачные электроды элементов отображения соединены с проводящими полосковыми электродами, пассивирующее и ориентирующее покрытия. На внешних сторонах первой и второй прозрачных изолирующих пластин выполнены поляризующие покрытия.

Недостаток известного ЖК-экрана является необходимость использования подсветки, что приводит к повышенному энергопотреблению при отображении информации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является ЖК-экран [2] , содержащий две параллельно расположенные изолирующие прозрачные пластины, образующие замкнутый объем, заполненный ЖК-материалом. На внутренней стороне первой прозрачной изолирующей пластины последовательно сформированы группа прозрачных проводящих полосковых электродов, пассивирующее и ориентирующее покрытия. На внутренней стороне второй прозрачной изолирующей пластины со слоем диэлектрика выполнены группы проводящих полосковых электродов, перпендикулярных группе прозрачных полосковых электродов на первой изолирующей пластине, матрица прозрачных электродов элементов отображения, матрица управляющих токнопленочных диодов со структурой МДМ, через которые прозрачные электроды элементов отображения соединены с проводящими полосковыми электродами, пассивирующее и ориентирующее покрытия. На внешних сторонах первой и второй прозрачных изолирующих пластин выполнены поляризующие покрытия, и на одном из них сформировано отражающее покрытие в виде сплошной металлической пленки.

Недостатками известного ЖК-экрана являются малый угол обзора из-за удаления отражателя от слоя ЖК-материала и наличия вследствие этого теневого изображения, а также невысокий контраст изображения за счет поглощения части светового потока прозрачной изолирующей пластиной со сформированными элементами, находящейся непосредственно перед отражателем.

Целью изобретения является повышение качества изображения ЖК-экрана за счет увеличения яркости, угла обзора и контраста.

Цель достигается тем, что в ЖК-экране, содержащем две параллельно расположенные изолирующие пластины, образующие замкнутый объем, заполненный ЖК-материалом, причем на внутренней стороне первой изолирующей пластины, выполненной из прозрачного материала и покрытой слоем диэлектрика, сформированы группа проводящих полосковых электродов, матрица прозрачных электродов элементов отображения, матрица управляющих тонкопленочных диодов со структурой МДМ, через которые прозрачные электроды элементов отображения соединены с проводящими полосковыми электродами, пассивирующее, ориентирующее покрытия, на внешней стороне первой изолирующей пластины нанесено поляризующее покрытие, на второй изолирующей пластине сформированы отражающее покрытие, группа полосковых электродов, перпендикулярных группе проводящих полосковых электродов, сформированных на первой изолирующей пластине, пассивирующее, поляризующее и ориентирующее покрытия, группа полосковых электродов, отображающее покрытие выполнено заодно на внутренней стороне второй изолирующей пластины в виде многослойной структуры, содержащей рельефную поверхность, выполненную на внутренней стороне изолирующей пластины, поверх которой сформированы группа полосковых электродов из металла или сплава металлов с коэффициентом отражения 0,80-0,95, поляризующее, пассивирующее и ориентирующее покрытие, в качестве которого используется пленка дихроичного красителя, подвергнутая специальной обработке.

В ЖК-экране изолирующая пластина может быть выполнена из алюминия, покрытого слоем пористого анодного оксида алюминия, в котором сформирована рельефная поверхность.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ЭК-экран отличается тем, что полосковые электроды, отражающее покрытие выполнены заодно на внутренней стороне изолирующей пластины, отражающее покрытие представляет собой рельефную поверхность, выполненную непосредственно на внутренней стороне изолирующей пластины, поверх которой сформирована группа полосковых электродов из металла или сплава металлов с высоким коэффициентом отражения, поляризующее, пассивирующе и ориентирующее покрытия выполнены заодно из пленки дихроичного красителя, подвергнутой специальной обработке, изолирующая пластина выполнена из алюминия, покрытого слоем пористого анодного оксида алюминия, в котором сформирована рельефная поверхность для отражающего покрытия. Таким образом, заявляемый ЖК-экран соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение предложенного технического решения с другими техническими решениями показывает, что выполнение электродов элементов отображения заодно с отражающим покрытием на внутренней стороне изолирующей пластины известно. Однако в известном устройстве для получения рельефной поверхности требуется нанесение дополнительных слоев, в которых методом травления создается микрорельеф. Поскольку вспомогательные слои формируются на активной матрице управления, то это приводит к снижению процента выхода годных управляющих матриц за счет проведения дополнительных операций нанесения слоев и их фотолитографической обработки. Кроме того, известная конструкция предполагает использование бесполяроидных эффектов (например, "гость - хозяин"), что, в принципе, не позволяет получить высокий контраст изображения (в известном решении контраст 4:1). Выполнение поляризующего покрытия на внутренней стороне изолирующей пластины, где оно одновременно является ориентирующим и пассивирующим, также известно, однако в известном решении это приводит к эффекту снижения затрат на изготовление поляроидов и расширения области их применения.

В предлагаемой конструкции совместное использование вышеотмеченных признаков приводит к улучшению качества изображения за счет увеличения угла обзора и контрастности, поскольку устраняется эффект теневого изображения, возникающий в высокоразрешающих экранах при удалении отражателя от слоя ЖК-материала и использования поляроидных эффектов, которые позволяют получить более высокий контраст.

Применение алюминия, покрытого слоем пористого оксида алюминия, в котором сформирован микрорельеф и нанесена пленка металла или сплава металлов с высоким коэффициентом отражения в качестве изолирующей пластины с отражающим покрытием, в известных конструкциях не обнаружено. Использование предложенного решения по сравнению с известными позволяет получить эффективное отражающее покрытие, и при этом требования к фотолитографическому процессу могут быть значительно снижены (в оптимальном отражающем покрытии сверхрассеивающая поверхность должна иметь микрорельеф с шагом неровностей порядка 1 мкм, что практически нельзя обеспечить при изготовлении крупноформатных матриц, поскольку возможности фотолитографического оборудования ограничены минимальным размером 2-3 мкм и более). В случае использования пористого оксида алюминия дополнительный микрорельеф создается порами в оксиде, возникающими при электрохимическом окислении алюминия в электролитах, которые частично растворяют оксид алюминия. Размеры пор составляют доли микрона и имеют форму многогранника. Если дополнительно растравить поры в специальном травителе, то при запылении металлом они дают дополнительные отражающие поверхности. Вследствие этого даже при размерах основного рельефа больше 1 мкм светорассеивающая способность отражающего покрытия практически не изменяется. Таким образом, все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена топология ЖК-экрана; на фиг. 2 - изолирующая пластина с отражающим покрытием, выполненным на оксиде алюминия.

ЭК-экран включает в себя прозрачную изолирующую пластину 1, на которой нанесен слой 2 диэлектрика, останавливающий травление последующих слоев, и выполнены группа полосковых проводящих электродов 3, матрица электродов элементов 4 отображения, матрица тонкопленочных диодов 5 со структурой МДМ, через которые прозрачные электроды элементов 4 отображения соединены с проводящими полосковыми электродами 3, пассивирующее и ориентирующее покрытия 6, изолирующую пластину 7, на которой выполнены рельефная поверхность 8, группа проводящих электродов 9 из металла с высоким коэффициентом отражения и поляризующее, пассивирующее и ориентирующее покрытие 10, выполненное и пленки дихроичного красителя, обработанного специальным образом. На внешней стороне изолирующей пластины 1 нанесена поляроидная пленка 11, а пространство между изолирующими пластинами заполнено ЖК-материалом 12.

Как видно и фиг.1, отражающее покрытие, представляющее собой рельефную поверхность 8 с нанесенной на нее пленкой металла с высоким коэффициентом отражений, и которого выполнены полосковые электроды 9, находится в непосредственной близости от слоя ЖК-материала 12. Таким образом, даже при высоком разрешении ЖК-экрана эффект теневого изображения, возникающий в известных конструкциях, когда размеры элемента отображения сравнимы с толщиной прозрачной изолирующей пластины, расположенной непосредственно возле отражающего покрытия, отсутствует. Вследствие этого угол обора такого ЖК-экрана близок к круговому. Изолирующую пластину со стороны отражателя благодаря тому, что последний располагается на внутренней стороне, можно делать достаточно толстой, чтобы обеспечивалась необходимая механическая прочность несущей пластины.

На фиг.2 схематично изображена поверхность отражателя, сформированного на пористом оксиде алюминия. Поры представляют собой каналы, которые направлены вглубь пленки и имеют форму, близкую к шестиграннику. При запылении их слоем металла после травления образуются углубления с достаточно пологими краями, повторяющими форму пор. Вытравливание основных углублений рельефной структуры обеспечивает разнонаправленность отражающих поверхностей на порах, и вследствие этого степень рассеивания светового потока очень велика. Поскольку отражатель сформирован на внутренней стороне изолирующей пластины, то потери светового потока на двукратное прохождение через стекло, прозрачные электроды, как в известных конструкциях, отсутствуют.

Совокупность расположения отражающего покрытия и его строения дает выигрыш в яркости ЖК-экрана, что в результате приводит к увеличению контрастности изображения.

ЖК-экран работает следующим образом.

Сканирующие импульсы напряжения определенной амплитуды и длительности последовательно прикладываются к шинам строк (например, полосковым электродам 3). Одновременно с каждым сканирующим импульсом отображаемая информация в виде ряда информационных импульсов напряжения противоположной полярности прикладываются к соответствующим шинам столбцов (например, проводящим электродам 9). В результате в соответствующих пересечениях шин столбцов и строк МДМ диоды 5 переходят в низкоомное состояние, и через них происходит заряд емкости элементарных ЖК-ячеек, образуемых на пересечении проводящих
полосковых электродов 9, элементов 4 отображения, которые через МДМ-диоды 5 соединены с полосковыми проводящими электродами 3, т.е. происходит запоминание информации, которая сохраняется в течение кадра. Свет на выбранной ЖК-ячейке поступает через поляризующее покрытие 11, прозрачную изолирующую пластину 1, прозрачный электрод элемента 4 отображения, ориентирующее и пассивирующее покрытия 6, слой ЖК-материала 12, ориентирующее, пассивирующее и поляризующее покрытия 10 на отражающее покрытие полосковых проводящих электродов 9. Затем, отражаясь, проходит обратно, если ячейка в этот момент находится в выбранном (т.е. "включенном" состоянии) или не проходит, а поглощается, если ячейка в этот момент находится в невыбранном состоянии (т.е. в состоянии "выключено").

На основании предложенной конструкции были изготовлены ЖК-экраны информационной емкостью 320х200 элементов отображения, размер элемента отображения 180х250 мкм, используемый эффект - твист, рабочая зона экрана 50х57,6 мм. ЖК-экран управлялся матрицей МДМ-диодов со структурой Та-Та₂О₅-Сr и горизонтальной конструкцией МДМ-диода. Технологический процесс изготовления ЖК-экрана включал в себя следующие основные операции: фотолитографию по рисунку микрорельефа на изолирующей пластине (стекло или алюминий, покрытый слоем пористого оксида алюминия) и травления на определенную глубину (0,8-1,2 мкм), напыление слоя алюминия (1,2 мкм) и формирование проводящих полосковых электродов путем фотолитографии по рисунку последних и травления в травителе на основе ортофосфорной кислоты, нанесение на сформированную структуру отражателя пасты дихроичного красителя (15 мкм) из концентрированного водного раствора дисульфоиндантрана, полученную согласно авт.св. N 1364030, в количестве 0,5 мл. Затем покрывали изолирующую пластину с нанесенным раствором лавсановой пленкой толщиной 30 мкм и шириной 80 мм. Резиновым валиком диаметром 20 мм раскатывали пасту по всей поверхности пластины. После этого удалили с постоянной скоростью лавсановую пленку, отрывая ее за край от поверхности. На пленке осталась дихроичная пленка пасты, которая после
высыхания сохраняла степень ориентации молекул в пределах 0,85-0,90. Поскольку ориентация молекул ЖК-материала вблизи пластины определяется направлением укладки молекул дихроичного красителя в поляроиде, то специального ориентирующего слоя не требуется, как не требуется и защитного слоя, которым также может служить указанная пленка. На второй прозрачной пластине (стеклянной) формировали слой диэлектрика - Та₂О₅ толщиной 50-100 нм путем напыления пленки тантала методом ВЧ магнетронного распыления толщиной 30-40 нм и последующего термического окисления последней в среде кислорода при 425-450^oС. Затем проводили напыление пленки Та (350 нм) методом ВЧ магнетронного распыления, электрохимическое окисление всей поверхности танталовой пленки в 0,1-0,01% -ном водном растворе лимонной кислоты до толщины Та₂О₅ 300-350 нм, фотолитографию по рисунку проводящих полосковых электродов, плазмохимическое травление слоев Та₂О₅ и Та по сформированному рисунку. Травление проводилось в среде С₃F₈ (80% ) + О₂ (20%). Далее проводили электрохимическое окисление вскрытых боковых областей проводящих шин в 0,1-0,01%-ном водном растворе лимонной кислоты до толщины
бокового Та₂О₅ 55 нм, напыление оксида индия-олова (100 нм) методом ВЧ магнетронного распыления и формирование прозрачных электродов элементов отображения, напыление хрома (100 нм) методом термического испарения и формирование верхних электродов МДМ-диодов, нанесение на сформированную структуру пленки полиимида методом центрифугирования, имидизацию и ориентацию путем натирания последней механическим способом. После этого осуществляли сборку ЖК-экрана, включающую нанесение калиброванного стекловолокна, совмещение пластин, проклейку экрана, заполнение ЭК-материалом (ЖК-1289, предварительно очищенный), герметизацию и наклейку поляроида на верхнее стекло.

По сравнению с прототипом в процессе изготовления ЖК-экрана отсутствуют дополнительные операции на формирование одного из поляризующих покрытий, а также не требуется изготовление отражателя в отдельном процессе, так как он формируется одновременно с другими элементами на внутренней стороне изолирующей подложки. Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что процесс изготовления предложенного ЖК-экрана также выгодно отличается от известных решений.

При мультиплексном режиме работы со следующими величинами управляющих сигналов: амплитудой импульсов, подаваемых на строки (импульсы сканирования) ± 18 В; амплитудой импульсов, подаваемых на столбцы (информационные импульсы), ± 2 В число мультиплексируемых строк 1/200.

Экспериментальные ЖК-экраны обеспечивают следующие светотехнические характеристики:
Контраст не менее 20:1 для отражателя на стекле не менее 24:1 для отражателя на пористом оксиде алюминия
Угол обзора по горизонтали не менее ± 80^o
Угол обзора по вертикали не менее ± 85^o
Исследования экспериментальных образцов показали, что отражательный ЖК-экран предлагаемой конструкции по основным характеристикам (величинам управляющих напряжений, разрешающей способности, энергопотреблению и др.) не уступает устройству аналогично назначения (прототипу). В то же время достигнуто увеличения угла обзора, яркости и контрастности изображения.

Преимущества предлагаемой конструкции ЖК-экрана: высокий контраст изображения за счет использования эффективного отражателя и уменьшения поглощения светового потока при прохождении через одну из изолирующих пластин, широкий угол обзора, приближающийся к круговому за счет размещения отражателя в непосредственной близости от слоя ЖК-материала, возможность отображения информации в цвете, что достигается при использовании окрашенных поляризующе-ориентирующих пленок из дихроичных красителей, увеличение надежности ЖК-экрана а счет возможности использования несущей изолирующей пластины достаточной толщины или использования в качестве несущей пластины алюминиевой подложки, покрытой слоем анодного оксида алюминия, технологичность процесса изготовления, не требующего отдельного процесса изготовления отражающего покрытия с поляроидом, возможность применения технического решения для пассивных ЖК-экранов и ЖК-экранов с матрицами управления на тонкопленочных транзисторах. В последнем варианте вместо группы полосковых электродов из металла с высоким коэффициентом отражения напыляется сплошная пленка, которая является общим электродом транзисторной матрицы и одновременно отражателем.

Использование: в электронной технике. Сущность изобретеия: отражающее покрытие выполнено заодно на внутренней стороне изолирующей пластины в виде многослойной структуры, содержащей рельефную поверхность, выполненную на внутренней стороне изолирующей пластины, поверх которой сформирована группа плосковых электродов из металла, поляризующее, пассивирующее и ориентирующее покрытия. Вторая изолирующая пластина выполнена из алюминия, покрытого слоем пористого анодного оксида алюминия, в котором сформирована рельефная поверхность для отражающего покрытия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭКРАН, содержащий две параллельно расположенные пластины со слоем диэлектрика, образующие замкнутый объем, заполненный жидкокристаллическим материалом, на внутренней стороне первой пластины, выполненной из прозрачного материала, сформированы группа проводящих полосковых электродов, матрица прозрачных электродов элементов отображения, матрица управляющих тонкопленочных диодов со структурой металл - диэлектрик - металл, через которые прозрачные электроды элементов отображения соединены с проводящими полосковыми электродами и образуют ряды, являющиеся столбцами или строками, пассивирующее и ориентирующее покрытия, на внешней стороне первой пластины нанесено поляризующее покрытие, на второй пластине сформированы отражающее покрытие, группа полосковых электродов, перпендикулярных группе проводящих полосковых электродов, сформированных на первой изолирующей пластине, пассивирующее, поляризующее и ориентирующее покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изображения путем увеличения яркости, угла обзора и контрастности, группа полосковых электродов и отражающее покрытие выполнены на внутренней стороне второй пластины в виде многослойной структуры, имеющей рельефную поверхность, на которой сформированы группа полосковых электродов из металла или сплава металлов с коэффициентом отражения 0,80 - 0,95, поляризующее, пассивирующее и ориентирующее покрытие, выполненное в виде пленки дихроичного красителя, образованной путем совместного нанесения слоя пасты красителя с лавсановой пленкой и удаления пленки после раскатывания ее резиновым валиком. 2. Экран по п.1, отличающийся тем, что вторая изолирующая пластина выполнена из алюминия, покрытого слоем пористого анодного оксида алюминия, в котором сформирована рельефная поверхность для отражающего покрытия.