Úvod do TFT substrátu v LCD
Kompletný panel TFT{0}}LCD LCD je rozdelený podľa výrobného procesu a možno ho zhruba rozdeliť do troch procesných segmentov, a to: segment procesu poľa poľa, segment procesu farebného filtra CF a segment procesu v krabici. Sekcia procesu poľa Array je to, čo často nazývame výroba sklenených substrátov TFT.
Substrát TFT je základnou súčasťou panela TFT{0}}LCD a vykonáva dôležité funkcie ovládania prepínačov pixelov a budiacich prúdov. Tento článok sa zameria na štruktúru a zloženie substrátu TFT-LCD Array, vlastnosti-Si TFT a vplyv substrátu TFT na výkon LCD.
1. Štruktúra a zloženie TFT substrátu
Základnou riadiacou jednotkou TFT-LCD je pole tenkých tranzistorov (TFT Array) a každý pixel je ovládaný nezávislým TFT prepínačom. Na dosiahnutie tejto funkcie využíva substrát TFT viac-vrstvovú štruktúru, pričom každá vrstva materiálu a elektródy zohrávajú inú úlohu.
Celkovo možno TFT rozdeliť do dvoch kategórií: štruktúra hornej brány a štruktúra spodnej brány. V súčasnosti je hlavným riešením pre LCD panely štruktúra spodnej brány TFT, ktorá má vyspelé procesy a vysokú stabilitu a je vhodná pre-sériovú výrobu vo veľkom meradle.
V typickom procese so 6 maskami obsahuje substrát TFT so štruktúrou spodnej brány hlavne tieto časti:
1. Sklenený substrát
Ako fyzická podporná platforma pre celé pole poskytuje plochý a transparentný základ.
Vyžaduje sa stabilná rozmernosť a malý koeficient tepelnej rozťažnosti, aby sa zabezpečila presnosť následného nanášania tenkých vrstiev a fotolitografických procesov.
2. Hradlová elektróda (hradlová elektróda)
Typicky sa používajú kovové materiály (ako je Mo, Al alebo ich zliatiny).
Riadením napätia aplikovaného na bránu sa určuje stav zapnutia{0}} alebo vypnutia TFT, čo je ekvivalent „ovládacej svorky spínača“.
3. Izolátor brány
Obloženie brány je bežne používaným materiálom SiNx alebo SiO₂.
Jeho funkciou je elektricky izolovať, zabrániť priamemu kontaktu brány s polovodičovou vrstvou nad ňou a zároveň zabezpečiť, aby elektrické pole brány mohlo efektívne riadiť elektronický pohyb oblasti polovodičového kanála.
4. Aktívna vrstva (Aktívna vrstva)
Toto je jadro výkonu TFT, ktoré sa zvyčajne skladá z polovodičovej vrstvy a ohmickej kontaktnej vrstvy:
Polovodičová vrstva je zodpovedná za prenos nosiča a je hlavným telom kanálovej oblasti;
Ohmická kontaktná vrstva sa používa na zníženie prechodového odporu medzi zdrojovou a kolektorovou elektródou a polovodičom.
V súčasnom odvetví TFT-LCD je najrozšírenejším polovodičovým materiálom-Si (amorfný kremík).
Proces a-Si TFT je vyspelý a má nízke náklady. Najčastejšie sa používa v strednej- a nižšej{3}}triede TFT-displejov LCD.
Hoci je mobilita elektrónov -Si relatívne nízka, jeho vysoká výťažnosť procesu a veľká všestrannosť vo výrobných zariadeniach z neho robia stále hlavnú voľbu pre TFT-LCD.
Diagram amorfného kremíka a-si polovodiča
Okrem-Si existujú aj nové materiály, ako sú poly-Si a oxidové polovodiče, no viac sa používajú v zobrazovacích paneloch s vysokým-rozlíšením alebo na špeciálne{3}}účelové panely.
5. Zdroj a odtok
Rozmiestnený na oboch stranách aktívnej vrstvy a pozostáva z kovového materiálu.
Zdroj je pripojený k dátovej linke a prenáša napätie vstupného signálu do oblasti kanála;
Drenážna elektróda je pripojená k elektróde pixelu a prenáša signálové napätie do jednotky pixelov z tekutých kryštálov.
6. Medzivrstva izolácie (pasivačná vrstva, PVX)
Krytie nad štruktúrou TFT hrá úlohu ochrany a izolácie.
Zabráňte poškodeniu zariadenia TFT vlhkosťou, kyslíkom alebo mechanickým namáhaním a zároveň zabráňte skratom zo zdroja a odtokových elektród k horným elektródam pixelov.
7. Pixelová elektróda (1. ITO)
Vyrobené z priehľadného vodivého materiálu (bežne ITO, indium cín oxid).
Pripojený k odtoku, privádza napätie dátového signálu na vrstvu tekutých kryštálov a priamo riadi optický stav pixelového bodu.
8. Spoločná elektróda (2. ITO, COM elektróda)
Oproti pixelovej elektróde sa zvyčajne nachádza na hornom sklenenom substráte.
Medzi spoločnou elektródou a elektródou pixelu sa vytvorí elektrické pole a na molekuly tekutých kryštálov sa aplikuje akčná sila, aby sa zmenilo ich usporiadanie, čím sa dosiahne modulácia svetla.
Princíp zobrazenia TFT-LCD
V celom substráte TFT sú milióny takýchto jednotiek TFT usporiadané v matici riadkov-stĺpcov. Hradlová linka v smere riadkov je zodpovedná za progresívne skenovanie a dátová linka v smere stĺpcov je zodpovedná za prenos signálového napätia. Na priesečníku týchto dvoch sa nachádza TFT a jeho zodpovedajúci pixel z tekutých kryštálov. Keď sú všetky napätia pixelov zapísané a udržiavané riadok po riadku, celý LCD panel môže zobraziť úplný obraz.
2. Princíp fungovania TFT substrátu v LCD
1. Funkcia TFT ako spínača
Každý pixel je vybavený TFT, čo je ekvivalent elektronického prepínača.
Keď skenovací signál pôsobí na bránu, TFT sa zapne a napätie na zdroji sa prenesie do odtoku a potom sa privedie na elektródu pixelu.
Keď je hradlový signál odstránený, TFT sa vypne a napätie na elektróde pixelu sa určitý čas udržiava, čím sa zachová stav orientácie molekúl tekutých kryštálov.
2. Zmeny v orientácii molekúl tekutých kryštálov
Materiály s tekutými kryštálmi majú elektro-optický efekt a ich molekuly sa pôsobením elektrického poľa preusporiadajú.
Rôzne napätia zodpovedajú rôznym uhlom molekulárneho sklonu, čo zase mení modulačnú schopnosť vrstvy tekutých kryštálov na svetlo.
3. Prenos a ovládanie svetla
Vrstva tekutých kryštálov je vložená medzi horný a spodný sklenený substrát a na hornej a spodnej strane je tiež usporiadaný polarizátor.
Pri zmene orientácie molekúl tekutých kryštálov sa zodpovedajúcim spôsobom zmení stav polarizácie svetla a po prechode polarizátorom sa zmení aj priepustnosť svetla.
Týmto spôsobom je možné dosiahnuť nastavenie svetla a tmy pixelu ovládaním veľkosti napätia.
4. Kombinácia s podsvietením a farebným displejom
Samotný LCD nevyžaruje svetlo a zdroj svetla potrebný pre displej pochádza z modulu podsvietenia.
TFT substrát určuje, do akej miery sa podsvietenie prenáša riadením priepustnosti pixelu z tekutých kryštálov.
Zároveň je každý pixel pokrytý červenými, zelenými a modrými (RGB) farebnými filtrami. Úpravou priepustnosti svetla troch pod-pixelov ich možno zmiešať a vytvoriť tak úplne-farebný obrázok.
5. Celkový spôsob pohonu
Riadky hradla sa skenujú postupne a signálne vedenia sa načítavajú napätiami stĺpec po stĺpci.
Pri skenovaní do určitého riadku sa súčasne zapnú všetky TFT v tomto riadku a napätie signálového vedenia sa zapíše do príslušného pixelu.
Po dokončení tohto riadku prejde skenovací riadok na ďalší riadok, kým sa neobnoví celá obrazovka.
Tento proces vysokorýchlostného{0}}cyklu môže vytvoriť súvislé dynamické zobrazenie obrazu.
3. Vplyv TFT substrátu na výkon LCD
Ako základná hnacia vrstva LCD panelov je substrát TFT materiálom, štruktúrou a elektrickými charakteristikami, ktoré priamo určujú kľúčový výkon zobrazovacieho zariadenia, ako je rozlíšenie, jas, kontrast, spotreba energie a životnosť. Nasleduje vysvetlenie z niekoľkých hlavných aspektov.
1. Rozlíšenie
Sklenený substrát: Čím vyššia je rovinnosť povrchu, tým lepšia je grafická presnosť pixelových elektród a TFT polí, čo prispieva k dosiahnutiu menších jednotiek pixelov, a tým podporuje vyššie rozlíšenie.
Aktívna vrstva (a-Si): Mobilita elektrónov-Si je nízka (0,3–1 cm²/V·s), čo obmedzuje schopnosť TFT riadiť. Keď sa hustota pixelov zvýši, -Si je ťažké rýchlo nabíjať a zlepšenie rozlíšenia je obmedzené. Ak sa použije LTPS alebo Oxide TFT, mobilita aktívnej vrstvy je vyššia a možno dosiahnuť zobrazenie vyššieho PPI.
Kovové stopy (brána, zdrojová a kolektorová elektróda): Šírka stopy a rezistivita priamo ovplyvňujú rýchlosť otvárania pixelov. Kov s vysokým odporom núti stopu sa rozširovať, čím zaberá plochu pixelov a znižuje rozlíšenie; nízky odpor Cu môže prenášať signály s menšou šírkou čiary a zlepšiť využitie pixelov.
2. Jas a priepustnosť
Pixelová elektróda (ITO): Priepustnosť svetla a rezistivita ITO určujú mieru využitia podsvietenia. Vysoká priepustnosť svetla môže zvýšiť efektivitu prechodu svetla cez pixely, zatiaľ čo vysoká vodivosť zaisťuje rovnomerné rozloženie signálov na veľkých-pixeloch.
Zdroj a odvod kovových stôp: Ak je stopa príliš široká, zablokuje oblasť pixelov, zníži oblasť priepustnosti svetla (znížená rýchlosť otvárania) a zníži jas. Namiesto Al sa používa Cu, čo môže zmenšiť šírku stopy a zároveň znížiť odpor, čím sa zvýši rýchlosť otvárania.
Izolačná vrstva (SiNx, SiO₂): Plochosť povrchu a charakteristiky napätia izolačnej vrstvy ovplyvňujú orientáciu molekúl tekutých kryštálov. Ak je povrch nerovný, povedie to k abnormálnemu usporiadaniu tekutých kryštálov, čím sa zníži optická priepustnosť.
3. Kontrast a výkon v odtieňoch šedej
Aktívna vrstva (a-Si): Prepínací pomer TFT je ovplyvnený materiálom. Spínací pomer a-Si je relatívne nízky, čo je náchylné na generovanie veľkého zvodového prúdu, čo spôsobuje únik malého množstva svetla v stave čierneho poľa, čím sa znižuje kontrast.
Izolačná vrstva (SiNx, SiO₂): Vysoko-kvalitná izolačná vrstva môže znížiť únikové cesty a zlepšiť zachovanie napätia pixelov, čím sa zachová stabilné zobrazenie v odtieňoch sivej.
Pixelová elektróda (ITO): Rovnomernosť odporu vrstvy filmu ITO ovplyvní konzistenciu napätia rôznych pixelov. Ak je hodnota odporu nerovnomerná, povedie to k rôznym výkonom miestnych odtieňov šedej, čím sa zníži jednotnosť zobrazenia a celkový kontrast.
4. Vplyv rýchlosti odozvy
Aktívna vrstva (a-Si): Mobilita a-Si je nízka a rýchlosť pohybu elektrónov je nízka, čo má za následok dlhý čas nabíjania a vybíjania pixelov a vo všeobecnosti na úrovni milisekúnd, čo nie je vhodné pre aplikácie s vysokou obnovovacou frekvenciou. Vysoká mobilita LTPS alebo Oxide TFT môže výrazne skrátiť čas odozvy.
Kovové stopy: Príliš vysoký odpor stopy spôsobí oneskorenie prenosu signálu a ovplyvní odozvu pixelov. Použitie materiálov s nízkym{1}}odporom môže znížiť oneskorenie signálu a zvýšiť rýchlosť odozvy.
Parazitné kondenzátory (určené kovovým usporiadaním a izoláciou brány): Keď je parazitný kondenzátor príliš veľký, nabíjanie pixelu trvá dlhšie, čím sa znižuje účinnosť odozvy v odtieňoch šedej. Rozumný konštrukčný návrh a optimalizácia hrúbky izolačnej vrstvy pomáhajú znižovať parazitnú kapacitu.
5. Vplyv spotreby energie
Zdrojový a odvodňovací kov (Al, Mo, Cu): Materiály s nízkym odporom môžu znížiť straty pri prenose signálu a zvýšiť spotrebu energie. Vďaka svojmu nízkemu odporu má Cu zjavné výhody pri znižovaní spotreby energie.
Aktívna vrstva (a-Si): Zvodový prúd je veľký, napätie pixelov sa dá ľahko zoslabiť a na udržanie stabilného obrazu je potrebná vyššia obnovovacia frekvencia, čím sa zvyšuje celková spotreba energie.
Pixelová elektróda (ITO): Elektródy s vysokou priepustnosťou svetla môžu zlepšiť efektivitu využitia svetla. Pri rovnakých požiadavkách na jas môže byť výkon podsvietenia nižší, čím sa zníži spotreba energie.
6. Vplyv spoľahlivosti a životnosti
Kovová brána (Al): Hilllock (malé výčnelky) sa ľahko vytvárajú pri vysokých teplotách, čo vedie ku skratom alebo poruchám obvodu, čo ovplyvňuje dlhodobú-stabilitu.
Cu kov: Hoci je odpor nízky, má silnú difúziu. Ak neexistuje bariérová vrstva, je ľahké kontaminovať polovodičovú vrstvu a viesť k zníženiu výkonu.
Izolačná vrstva (SiNx): môže účinne blokovať prenikanie iónov Na⁺, vodnej pary a kyslíka. Ak je hmotnosť nedostatočná, výkon zariadenia sa rýchlo zníži.
Aktívna vrstva (a-Si): K posunu prahového napätia dochádza počas dlhých pracovných hodín, čo vedie k zvýšeným požiadavkám na hnacie napätie, zníženiu jasu a kontrastu displeja a skráteniu životnosti.
Pri práci LCD substrát TFT nielenže určuje zobrazovací efekt obrazu, ale tiež priamo ovplyvňuje rozlíšenie, jas, kontrast, spotrebu energie a spoľahlivosť. Celkovo sú substráty TFT nielen základom technológie LCD, ale aj kľúčom k zlepšeniu výkonu panelov a vývoju procesu.
