Úvod do TFT substrátu v LCD
Kompletní zobrazovací panel TFT-LCD LCD je rozdělen podle výrobního procesu a lze jej zhruba rozdělit do tří procesních segmentů, konkrétně: procesní segment pole pole, procesní segment barevného filtru CF a segment procesu v krabici. Sekce procesu pole Array je to, co často nazýváme výrobou skleněného substrátu TFT.
Substrát TFT je základní součástí panelu TFT{0}}LCD a přebírá důležité funkce ovládání přepínačů pixelů a budicích proudů. Tento článek se zaměří na strukturu a složení substrátu TFT-LCD Array, vlastnosti -Si TFT a vliv substrátu TFT na výkon LCD.
1. Struktura a složení TFT substrátu
Základní řídicí jednotkou TFT-LCD je pole tenkých tranzistorů (TFT Array) a každý pixel je řízen nezávislým TFT přepínačem. K dosažení této funkce využívá substrát TFT více-vrstvou strukturu, přičemž každá vrstva materiálu a elektrody hrají jinou roli.
Celkově lze TFT rozdělit do dvou kategorií: struktura horní brány a struktura spodní brány. V současné době je hlavním řešením pro LCD panely TFT konstrukce spodní brány, která má vyzrálé procesy a vysokou stabilitu a je vhodná pro velkosériovou-výrobu.
V typickém procesu se 6 maskami obsahuje substrát TFT se strukturou spodní brány hlavně následující části:
1. Skleněný substrát
Jako fyzická podpůrná platforma pro celé pole poskytuje plochý a transparentní základ.
Vyžaduje se stabilní rozměr a malý koeficient tepelné roztažnosti, aby byla zajištěna přesnost následného nanášení tenkých vrstev a fotolitografických procesů.
2. Hradlová elektroda (hradlová elektroda)
Obvykle se používají kovové materiály (jako je Mo, Al nebo jejich slitiny).
Řízením napětí přivedeného na bránu se určuje stav zapnuto{0}} nebo vypnuto TFT, což je ekvivalentní „řídící svorce spínače“.
3. Izolátor brány
Krytí brány je běžně používaným materiálem SiNx nebo SiO₂.
Jeho funkcí je elektricky izolovat, zabránit přímému kontaktu hradla s polovodičovou vrstvou nad ním a zároveň zajistit, aby elektrické pole hradla mohlo účinně řídit elektronický pohyb oblasti polovodičového kanálu.
4. Aktivní vrstva (Aktivní vrstva)
Toto je jádro výkonu TFT, které se obvykle skládá z polovodičové vrstvy a ohmické kontaktní vrstvy:
Polovodičová vrstva je zodpovědná za přenos nosiče a je hlavním tělesem oblasti kanálu;
Ohmická kontaktní vrstva se používá ke snížení přechodového odporu mezi zdrojovou a kolektorovou elektrodou a polovodičem.
V současném odvětví TFT-LCD je nejrozšířenějším polovodičovým materiálem-Si (amorfní křemík).
Proces a-Si TFT je vyspělý a má nízkou cenu. Nejčastěji se používá u středních- a nízkých{3}}displejů TFT-LCD.
Ačkoli je mobilita elektronů -Si relativně nízká, jeho vysoká výtěžnost procesu a velká všestrannost ve výrobním zařízení z něj činí stále hlavní volbu pro TFT-LCD.
Schéma amorfního křemíku a-si polovodiče
Kromě-Si existují nové materiály, jako jsou poly-Si a oxidové polovodiče, ale více se používají v zobrazovacích panelech s vysokým-rozlišením nebo speciálním-účelem.
5. Zdroj a odtok
Distribuováno na obou stranách aktivní vrstvy a sestává z kovového materiálu.
Zdroj je připojen k datovému vedení a přenáší napětí vstupního signálu do oblasti kanálu;
Drenážní elektroda je připojena k elektrodě pixelu a přenáší napětí signálu do jednotky pixelu z tekutých krystalů.
6. Mezivrstva izolace (pasivační vrstva, PVX)
Krytí nad TFT strukturou hraje roli ochrany a izolace.
Zabraňte poškození zařízení TFT vlhkostí, kyslíkem nebo mechanickým namáháním a zároveň se vyhněte zkratům ze zdroje a odtokových elektrod k horním elektrodám pixelu.
7. Pixelová elektroda (1. ITO)
Vyrobeno z průhledného vodivého materiálu (běžně ITO, oxid indium cínu).
Po připojení k kolektoru přivede napětí datového signálu na vrstvu tekutých krystalů a přímo řídí optický stav bodu pixelu.
8. Společná elektroda (2. ITO, COM elektroda)
Naproti pixelové elektrodě je obvykle umístěna na horní skleněné podložce.
Mezi společnou elektrodou a elektrodou pixelu se vytvoří elektrické pole a na molekuly tekutých krystalů se aplikuje akční síla, aby se změnilo jejich uspořádání, čímž se dosáhne modulace světla.
Princip zobrazení TFT-LCD
V celém substrátu TFT jsou miliony takových jednotek TFT uspořádány v matici řádků-sloupců. Hradlová linka ve směru řádků je zodpovědná za progresivní skenování a datová linka ve směru sloupců je zodpovědná za přenos signálového napětí. Na průsečíku těchto dvou se nachází TFT a jeho odpovídající pixel z tekutých krystalů. Když jsou všechna napětí pixelů zapsána a udržována řádek po řádku, celý LCD panel může zobrazovat kompletní obraz.
2. Princip fungování TFT substrátu v LCD
1. Funkce TFT jako spínače
Každý pixel je vybaven TFT, což je ekvivalent elektronického přepínače.
Když skenovací signál působí na hradlo, TFT se zapne a napětí na zdroji se přenese do kolektoru a poté se přivede na elektrodu pixelu.
Když je signál hradla odstraněn, TFT se vypne a napětí na elektrodě pixelu se po určitou dobu udrží, čímž se zachová stav orientace molekul tekutých krystalů.
2. Změny orientace molekul tekutých krystalů
Materiály z tekutých krystalů mají elektro-optický efekt a jejich molekuly se působením elektrického pole přeskupí.
Různá napětí odpovídají různým úhlům molekulárního sklonu, což zase mění modulační schopnost vrstvy tekutých krystalů na světlo.
3. Přenos a ovládání světla
Vrstva tekutých krystalů je vložena mezi horní a spodní skleněný substrát a na horní a spodní straně je také uspořádán polarizátor.
Když se změní orientace molekul tekutých krystalů, změní se odpovídajícím způsobem polarizační stav světla a po průchodu polarizátorem se také změní propustnost.
Tímto způsobem lze dosáhnout nastavení světla a tmy pixelu řízením velikosti napětí.
4. Kombinace s podsvícením a barevným displejem
Samotný LCD nevyzařuje světlo a zdroj světla potřebný pro displej pochází z modulu podsvícení.
Substrát TFT určuje, jak moc je podsvícení přenášeno řízením propustnosti pixelu z tekutých krystalů.
Zároveň je každý pixel pokryt červenými, zelenými a modrými (RGB) barevnými filtry. Úpravou propustnosti světla tří dílčích-pixelů je lze smíchat a vytvořit tak plně-barevný obrázek.
5. Celkový způsob pohonu
Hradlové řádky jsou snímány progresivně a signálové řádky jsou zatěžovány napětími sloupec po sloupci.
Při skenování do určitého řádku se současně zapnou všechny TFT v tomto řádku a napětí signálového řádku se zapíše do odpovídajícího pixelu.
Po dokončení tohoto řádku přejde skenovací řádek na další řádek, dokud se neobnoví celá obrazovka.
Tento proces vysokorychlostního{0}}cyklu může vytvořit souvislý dynamický obraz.
3. Vliv TFT substrátu na výkon LCD
Jako hlavní hnací vrstva LCD panelů je substrát TFT materiálem, strukturou a elektrickými charakteristikami, které přímo určují klíčový výkon zobrazovacího zařízení, jako je rozlišení, jas, kontrast, spotřeba energie a životnost. Následující text to vysvětluje z několika hlavních aspektů.
1. Rozlišení
Skleněný substrát: Čím vyšší je rovinnost povrchu, tím lepší je grafická přesnost pixelových elektrod a TFT polí, což přispívá k dosažení menších jednotek pixelů a tím podporuje vyšší rozlišení.
Aktivní vrstva (a-Si): Mobilita elektronů -Si je nízká (0,3–1 cm²/V·s), což omezuje schopnost TFT řízení. Když se hustota pixelů zvýší, -Si se obtížně rychle nabíjí a zlepšení rozlišení je omezené. Při použití LTPS nebo Oxide TFT je mobilita aktivní vrstvy vyšší a lze dosáhnout zobrazení vyššího PPI.
Kovové stopy (hradlo, zdrojová a kolektorová elektroda): Šířka stopy a měrný odpor přímo ovlivňují rychlost otevírání pixelu. Kov s vysokým odporem nutí stopu k rozšíření, čímž zabírá plochu pixelu a snižuje rozlišení; nízký odpor Cu může přenášet signály s menší šířkou čáry a zlepšit využití pixelů.
2. Jas a propustnost
Pixelová elektroda (ITO): Propustnost světla a měrný odpor ITO určují míru využití podsvícení. Vysoká propustnost světla může zvýšit účinnost průchodu světla pixely, zatímco vysoká vodivost zajišťuje rovnoměrné rozložení signálů na velkoplošných- pixelech.
Zdroj a odvod kovových stop: Pokud je stopa příliš široká, zablokuje oblast pixelů, zmenší oblast propustnosti světla (snížená rychlost otevírání) a sníží jas. Místo Al se používá Cu, což může snížit šířku stopy a zároveň snížit odpor, čímž se zvýší rychlost otevírání.
Izolační vrstva (SiNx, SiO₂): Rovinnost povrchu a charakteristiky napětí izolační vrstvy ovlivňují orientaci molekul tekutých krystalů. Pokud je povrch nerovný, povede to k abnormálnímu uspořádání tekutých krystalů, čímž se sníží optická propustnost.
3. Kontrast a výkon ve stupních šedi
Aktivní vrstva (a-Si): Přepínací poměr TFT je ovlivněn materiálem. Spínací poměr a-Si je relativně nízký, což je náchylné ke generování velkého svodového proudu, což způsobuje únik malého množství světla ve stavu černého pole, čímž se snižuje kontrast.
Izolační vrstva (SiNx, SiO₂): Vysoce{0}}kvalitní izolační vrstva může snížit únikové cesty a zlepšit zachování napětí pixelů, a tím zachovat stabilní zobrazení ve stupních šedi.
Pixelová elektroda (ITO): Rovnoměrnost odporu vrstvy filmu ITO ovlivní konzistenci napětí různých pixelů. Pokud je hodnota odporu nerovnoměrná, povede to k různým výkonům místních stupňů šedi, což sníží jednotnost zobrazení a celkový kontrast.
4. Vliv rychlosti odezvy
Aktivní vrstva (a-Si): Mobilita a-Si je nízká a rychlost pohybu elektronů je pomalá, což má za následek dlouhou dobu nabíjení a vybíjení pixelů a obecně na úrovni milisekund, což není vhodné pro aplikace s vysokou obnovovací frekvencí. Vysoká mobilita LTPS nebo Oxide TFT může výrazně zkrátit dobu odezvy.
Kovové stopy: Příliš vysoký odpor stop způsobí zpoždění přenosu signálu a ovlivní odezvu pixelů. Použití materiálů s nízkým{1}}odporem může snížit zpoždění signálu a zlepšit rychlost odezvy.
Parazitní kondenzátory (určeno uspořádáním kovu a izolací brány): Když je parazitní kondenzátor příliš velký, nabíjení pixelu trvá déle, což snižuje účinnost odezvy ve stupních šedi. Rozumný konstrukční návrh a optimalizace tloušťky izolační vrstvy pomáhají snížit parazitní kapacitu.
5. Vliv spotřeby energie
Zdrojový a odvodňovací kov (Al, Mo, Cu): Materiály s nízkým odporem mohou snížit ztráty přenosu signálu a řídit spotřebu energie. Díky nízkému odporu má Cu zjevné výhody při snižování spotřeby energie.
Aktivní vrstva (a-Si): Svodový proud je velký, napětí pixelu lze snadno utlumit a k udržení stabilního obrazu je zapotřebí vyšší obnovovací frekvence, čímž se zvyšuje celková spotřeba energie.
Pixelová elektroda (ITO): Elektrody s vysokou propustností světla mohou zlepšit účinnost využití světla. Při stejných požadavcích na jas může být výkon podsvícení nižší, čímž se sníží spotřeba energie.
6. Vliv spolehlivosti a životnosti
Kovová hradla (Al): Hilllock (malé výčnělky) se snadno tvoří při vysokých teplotách, což vede ke zkratům nebo poruchám přerušeného obvodu, což ovlivňuje dlouhodobou-stabilitu.
Cu kov: Přestože je odpor nízký, má silnou difúzi. Pokud neexistuje žádná bariérová vrstva, je snadné kontaminovat polovodičovou vrstvu a vést ke snížení výkonu.
Izolační vrstva (SiNx): může účinně blokovat pronikání Na⁺ iontů, vodní páry a kyslíku. Pokud je hmotnost nedostatečná, způsobí to rychlý pokles výkonu zařízení.
Aktivní vrstva (a-Si): K posunu prahového napětí dochází během dlouhé pracovní doby, což má za následek zvýšenou poptávku po napájecím napětí, snížení jasu a kontrastu displeje a zkrácení životnosti.
Při práci s LCD substrát TFT nejen určuje zobrazovací efekt obrazu, ale také přímo ovlivňuje rozlišení, jas, kontrast, spotřebu energie a spolehlivost. Celkově jsou substráty TFT nejen základem technologie LCD, ale také klíčem ke zlepšení výkonu panelu a vývoji procesu.
