Знайомство з підкладкою TFT в РК-дисплеї
Повну TFT-РК-панель рідкокристалічного дисплея поділяється відповідно до виробничого процесу, і її можна приблизно розділити на три сегменти процесу, а саме: сегмент процесу масиву, сегмент процесу кольорового фільтра CF і сегмент процесу в коробці. Секція процесу масиву масивів — це те, що ми часто називаємо виробництвом скляної підкладки TFT.
Підкладка TFT є основним компонентом РК-панелі TFT- і виконує важливі функції керування піксельними перемикачами та струмами керування. Ця стаття буде зосереджена на структурі та складі підкладки TFT-LCD Array, характеристиках -Si TFT і впливі підкладки TFT на продуктивність РК-дисплея.
1. Структура та склад підкладки TFT
Основною рушійною одиницею TFT-LCD є матриця тонкоплівкових транзисторів (TFT Array), і кожен піксель контролюється незалежним перемикачем TFT. Щоб досягти цієї функції, TFT-підкладка має багатошарову структуру, де кожен шар матеріалу та електродів відіграє різні ролі.
Загалом, TFT можна розділити на дві категорії: структура верхнього затвора та структура нижнього затвора. Наразі основним рішенням для РК-панелей є структура нижнього затвора TFT, яка має відпрацьовані процеси та високу стабільність і підходить для велико-масового виробництва.
У типовому процесі 6 масок TFT-підкладка нижньої затворної структури в основному містить такі частини:
1. Скляна підкладка
Будучи фізичною опорною платформою для всього масиву, він забезпечує плоску та прозору основу.
Необхідні стабільні розміри та малий коефіцієнт теплового розширення, щоб забезпечити точність подальших процесів нанесення тонкої плівки та фотолітографії.
2. Затворний електрод (Gate electrode)
Як правило, використовуються металеві матеріали (такі як Mo, Al або їх сплави).
Контролюючи напругу, що подається на затвор, визначається стан увімкнення- або вимкнення TFT, що еквівалентно «термінал керування перемикачем».
3. Ізолятор воріт
Для покриття воріт зазвичай використовується SiNx або SiO₂.
Його функція полягає в електричній ізоляції, запобіганні прямому контакту затвора з напівпровідниковим шаром вище, і в той же час гарантувати, що електричне поле затвора може ефективно контролювати електронний рух області напівпровідникового каналу.
4. Активний шар (Active layer)
Це основа продуктивності TFT, яка зазвичай складається з напівпровідникового шару та омічного контактного шару:
Напівпровідниковий шар відповідає за передачу носіїв і є основною частиною канальної області;
Омічний контактний шар використовується для зменшення контактного опору між електродами витоку та стоку та напівпровідником.
У сучасній індустрії TFT-LCD -Si (аморфний кремній) є найпоширенішим напівпровідниковим матеріалом.
Процес a-Si TFT є зрілим і має низьку вартість. Він найчастіше використовується в РК-дисплеях середнього- та нижнього-класу TFT-.
Незважаючи на те, що рухливість електронів a-Si є відносно низькою, його високий вихід технологічного процесу та велика універсальність у виробничому обладнанні роблять його досі основним вибором для TFT-LCD.
Діаграма напівпровідника аморфного кремнію a-si
Окрім-Si, існують нові матеріали, такі як полі-Si та оксидні напівпровідники, але вони більше використовуються в панелях із високою-роздільністю або спеціальних-призначеннях.
5. Джерело та стік
Розподілений з обох сторін активного шару і складається з металевого матеріалу.
Джерело підключається до лінії передачі даних і передає напругу вхідного сигналу в зону каналу;
Електрод стоку з'єднаний з електродом пікселя і передає напругу сигналу на рідкокристалічний піксельний блок.
6. Проміжний ізоляційний шар (пасивований шар, ПВХ)
Покриваючи структуру TFT, він відіграє роль захисту та ізоляції.
Уникайте пошкодження TFT-пристрою вологою, киснем або механічним впливом, уникаючи при цьому короткого замикання між електродами витоку та стоку на верхніх піксельних електродах.
7. Піксельний електрод (1-й ITO)
Виготовлений із прозорого провідного матеріалу (зазвичай ITO, оксид індію та олова).
Підключений до стоку, подає напругу сигналу даних до рідкокристалічного шару та безпосередньо контролює оптичний стан піксельної точки.
8. Загальний електрод (2-й ITO, електрод COM)
Навпроти піксельного електрода він зазвичай розташований на верхній скляній підкладці.
Між загальним електродом і піксельним електродом утворюється електричне поле, і сила дії прикладається до молекул рідкого кристала, щоб змінити їх розташування, таким чином досягаючи модуляції світла.
Принцип відображення TFT-LCD
У всій підкладці TFT мільйони таких одиниць TFT розташовано в матриці рядків-стовпців. Лінія затвора в напрямку рядка відповідає за прогресивне сканування, а лінія даних у напрямку стовпця відповідає за передачу напруги сигналу. На перетині цих двох розташовано TFT і відповідний йому рідкокристалічний піксель. Коли напруги всіх пікселів записуються та підтримуються рядково, вся РК-панель може відображати повне зображення.
2. Принцип роботи підкладки TFT в РК-дисплеї
1. Функція TFT як перемикач
Кожен піксель оснащений TFT, що еквівалентно електронному перемикачу.
Коли сигнал розгортки діє на затвор, TFT вмикається, і напруга на джерелі передається на стік, а потім прикладається до піксельного електрода.
Коли затворний сигнал видаляється, TFT вимикається, і напруга на піксельному електроді підтримується протягом певного періоду часу, таким чином зберігаючи стан орієнтації молекул рідкого кристала.
2. Зміни орієнтації молекул рідкого кристала
Рідкокристалічні матеріали мають електро{0}}оптичний ефект, і їхні молекули перегруповуються під дією електричного поля.
Різні напруги відповідають різним кутам нахилу молекул, що, у свою чергу, змінює модуляційну здатність рідкокристалічного шару до світла.
3. Пропускання та керування світлом
Рідкокристалічний шар затиснутий між верхньою та нижньою скляними підкладками, а з верхньої та нижньої сторін також розташований поляризатор.
Коли змінюється орієнтація молекул рідкого кристала, відповідно змінюється стан поляризації світла, а також змінюється коефіцієнт пропускання після проходження через поляризатор.
Таким чином можна досягти регулювання світлового і темного пікселя шляхом контролю величини напруги.
4. Поєднання з підсвічуванням і кольоровим дисплеєм
Сам РК-дисплей не випромінює світло, а джерело світла, необхідне для дисплея, надходить від модуля підсвічування.
Підкладка TFT визначає, наскільки підсвічування пропускається, керуючи пропускною здатністю рідкокристалічного пікселя.
При цьому кожен піксель покритий червоним, зеленим і синім (RGB) кольоровими фільтрами. Регулюючи світлопропускання трьох суб-пікселів, його можна змішувати для створення повно-кольорового зображення.
5. Метод загального приводу
Лінії затвора скануються поступово, а сигнальні лінії завантажуються напругами стовпчик за стовпцем.
Під час сканування до певного рядка всі TFT у цьому рядку вмикаються одночасно, а напруга сигнального рядка записується у відповідний піксель.
Після завершення цього рядка рядок сканування переходить до наступного рядка, доки весь екран не оновиться.
Цей процес високошвидкісного-циклу може сформувати безперервне динамічне відображення зображення.
3. Вплив підкладки TFT на продуктивність LCD
Будучи основним рушійним шаром РК-панелей, TFT-підкладка є матеріалом, структурою та електричними характеристиками, які безпосередньо визначають ключові характеристики пристрою відображення, такі як роздільна здатність, яскравість, контрастність, енергоспоживання та термін служби. Далі пояснюється це з кількох основних аспектів.
1. Розв’язання
Скляна підкладка: чим вища площинність поверхні, тим краща графічна точність піксельних електродів і матриць TFT, що сприяє досягненню менших одиниць пікселів і, таким чином, підтримці вищої роздільної здатності.
Активний шар (a-Si): Рухливість електронів a-Si низька (0,3–1 см²/В·с), що обмежує керівну здатність TFT. Коли щільність пікселів збільшується, a-Si важко швидко зарядити, а покращення роздільної здатності обмежене. Якщо використовується LTPS або Oxide TFT, рухливість активного шару є вищою, і можна досягти вищого PPI.
Металеві сліди (затвор, електрод витоку та стоку): ширина сліду та питомий опір безпосередньо впливають на швидкість відкриття пікселя. Високий опір металу змушує слід розширюватися, таким чином займаючи область пікселів і зменшуючи роздільну здатність; Cu з низьким опором може передавати сигнали з меншою шириною лінії та покращувати використання пікселів.
2. Яскравість і світлопроникність
Піксельний електрод (ITO): коефіцієнт пропускання світла та питомий опір ITO визначають коефіцієнт використання підсвічування. Високий коефіцієнт пропускання світла може підвищити ефективність проходження світла через пікселі, тоді як висока провідність забезпечує рівномірний розподіл сигналів на пікселях великої-площі.
Металеві сліди джерела та витоку: якщо слід занадто широкий, він блокуватиме область пікселя, зменшуватиме площу пропускання світла (зменшує швидкість відкриття) і зменшуватиме яскравість. Cu використовується замість Al, який може зменшити ширину сліду, одночасно зменшуючи опір, тим самим збільшуючи швидкість відкриття.
Ізоляційний шар (SiNx, SiO₂): площинність поверхні та характеристики напруги ізоляційного шару впливають на орієнтацію молекул рідкого кристала. Якщо поверхня нерівна, це призведе до неправильного розташування рідких кристалів, тим самим зменшуючи оптичне пропускання.
3. Контраст і відтінки сірого
Активний шар (a-Si): на коефіцієнт перемикання TFT впливає матеріал. Коефіцієнт перемикання a-Si є відносно низьким, що може генерувати великий струм витоку, що спричиняє витік невеликої кількості світла в стані чорного поля, зменшуючи контраст.
Ізоляційний шар (SiNx, SiO₂): високоякісний ізоляційний шар-може зменшити шляхи витоку та покращити збереження напруги пікселів, таким чином зберігаючи стабільний відтінок сірого.
Піксельний електрод (ITO): однорідність опору шару плівки ITO впливатиме на узгодженість напруги різних пікселів. Якщо значення опору нерівномірне, це призведе до різної продуктивності локальних відтінків сірого, зменшуючи однорідність дисплея та загальний контраст.
4. Вплив швидкості реагування
Активний шар (a-Si): рухливість a-Si низька, а швидкість руху електронів повільна, що призводить до тривалого часу заряджання та розряджання для пікселів і, як правило, на рівні мілісекунд, що не підходить для програм із високою частотою оновлення. Висока мобільність LTPS або Oxide TFT може значно скоротити час відгуку.
Металеві сліди: занадто високий опір слідів спричинить затримку передачі сигналу та вплине на відгук пікселя. Використання матеріалів із низьким -опором може зменшити затримку сигналу та покращити швидкість реакції.
Паразитні конденсатори (визначаються металевим розташуванням та ізоляцією затвора): коли паразитний конденсатор завеликий, для заряджання пікселя потрібно більше часу, що знижує ефективність відгуку відтінків сірого. Розумний структурний дизайн і оптимізація товщини шару ізоляції допомагають зменшити паразитну ємність.
5. Вплив енергоспоживання
Метал джерела та витоку (Al, Mo, Cu): матеріали з низьким опором можуть зменшити втрати при передачі сигналу та збільшити споживання електроенергії. Завдяки низькому питомому опору Cu має очевидні переваги щодо зниження споживання електроенергії.
Активний шар (a-Si): струм витоку великий, напруга пікселів легко послаблюється, і для підтримки стабільного зображення потрібна вища частота оновлення, що збільшує загальне енергоспоживання.
Піксельний електрод (ITO): електроди з високим коефіцієнтом пропускання світла можуть покращити ефективність використання світла. За однакових вимог до яскравості потужність підсвічування може бути нижчою, тим самим зменшуючи споживання енергії.
6. Вплив надійності та терміну служби
Метал затвора (Алюміній): горбки (невеликі виступи) легко утворюються за високих температур, що призводить до коротких замикань або розривів ланцюга, що впливає на -тривалу стабільність.
Метал Cu: хоча опір низький, він має сильну дифузію. Якщо немає бар’єрного шару, можна легко забруднити напівпровідниковий шар і призвести до погіршення продуктивності.
Ізоляційний шар (SiNx): може ефективно блокувати проникнення іонів Na⁺, водяної пари та кисню. Якщо маси недостатньо, це призведе до швидкого зниження продуктивності пристрою.
Активний шар (a-Si): дрейф порогової напруги виникає під час довгих робочих годин, що призводить до підвищення потреби в напрузі керування, зниження яскравості та контрастності дисплея та скорочення терміну служби.
У роботі LCD підкладка TFT не тільки визначає ефект відображення зображення, але й безпосередньо впливає на роздільну здатність, яскравість, контрастність, енергоспоживання та надійність. Загалом підкладки TFT є не лише основою технології LCD, але й ключем до покращення продуктивності панелі та еволюції процесу.
