Uvod u TFT podlogu u LCD-u
Kompletan TFT-LCD LCD displej panel je podijeljen prema proizvodnom procesu i može se grubo podijeliti u tri segmenta procesa, i to: procesni segment niza niza, procesni segment CF filtera u boji i segment procesa u kutiji. Procesni dio niza nizova je ono što često nazivamo proizvodnjom TFT staklenih supstrata.
TFT podloga je osnovna komponenta TFT-LCD panela i preuzima važne funkcije kontrole prekidača piksela i pokretačkih struja. Ovaj članak će se fokusirati na strukturu i sastav supstrata TFT-LCD niza, karakteristike -Si TFT-a i uticaj TFT supstrata na performanse LCD-a.
1. Struktura i sastav TFT podloge
Jezgra pokretačke jedinice TFT-LCD-a je niz tankoslojnih tranzistora (TFT Array), a svaki piksel je kontroliran nezavisnim TFT prekidačem. Da bi se postigla ova funkcija, TFT supstrat usvaja višeslojnu strukturu -slojne strukture, pri čemu svaki sloj materijala i elektrode igraju različite uloge.
Sve u svemu, TFT-ovi se mogu podijeliti u dvije kategorije: struktura gornje kapije i struktura donje kapije. Trenutno, glavno rješenje za LCD panele je TFT struktura donje kapije, koja ima zrele procese i visoku stabilnost, te je pogodna za masovnu-proizvodnju velikih razmjera.
U tipičnom procesu sa 6 maski, TFT supstrat sa strukturom donje kapije uglavnom sadrži sljedeće dijelove:
1. Staklena podloga
Kao platforma za fizičku podršku za čitav niz, pruža ravnu i transparentnu osnovu.
Potrebna je stabilna dimenzionalnost i mali koeficijent toplinske ekspanzije kako bi se osigurala tačnost naknadnih procesa nanošenja tankog filma i fotolitografije.
2. Elektroda kapije (Gate electrode)
Obično se koriste metalni materijali (kao što su Mo, Al ili njihove legure).
Kontrolom napona primijenjenog na kapiji, određuje se uključeno- ili isključeno stanje TFT-a, što je ekvivalentno "kontrolnom terminalu prekidača".
3. Izolator kapije
Pokrivajući kapiju, najčešće korišteni materijal je SiNx ili SiO₂.
Njegova funkcija je da električno izoluje, spreči da kapija dođe u direktan kontakt sa slojem poluprovodnika iznad, i u isto vreme obezbedi da električno polje kapije može efikasno da kontroliše elektronsko kretanje regiona poluprovodničkog kanala.
4. Aktivni sloj (Aktivni sloj)
Ovo je srž TFT performansi, obično se sastoji od poluprovodničkog sloja i omskog kontaktnog sloja:
Poluprovodnički sloj je odgovoran za prenos nosioca i glavno je tijelo regije kanala;
Ohmski kontaktni sloj se koristi za smanjenje kontaktnog otpora između elektrode izvora i odvoda i poluvodiča.
U trenutnoj TFT-LCD industriji, a-Si (amorfni silicijum) je najčešće korišteni poluprovodnički materijal.
Proces a-Si TFT je zreo i ima niske troškove. Najčešće se koristi u srednjim- i nižim{3}}TFT-LCD ekranima.
Iako je mobilnost elektrona -Si relativno niska, njegov visok prinos procesa i velika svestranost proizvodne opreme čine ga još uvijek glavnim izborom za TFT-LCD.
Amorfni silicijum a-si poluvodički dijagram
Pored -Si, postoje novi materijali kao što su poli-Si i oksidni poluvodiči, ali se više koriste u ekranima visoke-rezolucije ili specijalne-namjene.
5. Izvor i odvod
Distribuiran na obje strane aktivnog sloja i sastoji se od metalnog materijala.
Izvor je povezan na liniju podataka i prenosi napon ulaznog signala u područje kanala;
Odvodna elektroda je spojena na pikselnu elektrodu i prenosi napon signala na jedinicu piksela s tekućim kristalima.
6. Srednji izolacijski sloj (pasivacijski sloj, PVX)
Pokrivajući iznad TFT strukture, igra ulogu zaštite i izolacije.
Spriječite da vlaga, kisik ili mehanički stres uzrokuju oštećenje TFT uređaja, istovremeno izbjegavajući kratke spojeve od elektroda izvora i odvoda do gornjih pikselnih elektroda.
7. Pixel elektroda (1. ITO)
Napravljen od prozirnog provodljivog materijala (obično ITO, indijum kalaj oksid).
Spojen na odvod, primjenjuje napon signala podataka na sloj tekućih kristala i direktno kontrolira optičko stanje tačke piksela.
8. Zajednička elektroda (2. ITO, COM elektroda)
Nasuprot pikselnoj elektrodi, obično se nalazi na gornjoj staklenoj podlozi.
Između zajedničke elektrode i pikselne elektrode formira se električno polje, a na molekule tečnog kristala se primjenjuje sila djelovanja kako bi se promijenio njihov raspored, čime se postiže modulacija svjetlosti.
Princip prikaza TFT-LCD-a
U cijeloj TFT podlozi, milioni takvih TFT jedinica su raspoređeni u matricu redova{0}}kolona. Gate linija u smjeru reda je odgovorna za progresivno skeniranje, a linija podataka u smjeru kolone je odgovorna za prijenos napona signala. Na raskrsnici ova dva, nalazi se TFT i odgovarajući piksel tečnog kristala. Kada su svi naponi piksela zapisani i održavani red po red, cijeli LCD panel može prikazati kompletnu sliku.
2. Princip rada TFT podloge u LCD-u
1. Funkcija TFT-a kao prekidača
Svaki piksel je opremljen TFT-om, što je ekvivalentno elektronskom prekidaču.
Kada signal skeniranja djeluje na gejt, TFT se uključuje, a napon na izvoru se prenosi na dren, a zatim se primjenjuje na elektrodu piksela.
Kada se signal gejta ukloni, TFT se isključuje i napon na pikselnoj elektrodi se održava neko vreme, čime se održava orijentacijsko stanje molekula tečnog kristala.
2. Promjene u orijentaciji molekula tečnih kristala
Materijali s tekućim kristalima imaju elektro-optički efekat, a njihovi molekuli će se preurediti pod djelovanjem električnog polja.
Različiti naponi odgovaraju različitim uglovima molekularne inklinacije, što zauzvrat mijenja sposobnost modulacije sloja tečnog kristala na svjetlost.
3. Prenos i kontrola svjetlosti
Sloj tekućih kristala je u sendviču između gornje i donje staklene podloge, a polarizator je također raspoređen na gornjoj i donjoj strani.
Kada se orijentacija molekula tečnog kristala promijeni, stanje polarizacije svjetlosti se mijenja u skladu s tim, a propusnost se također mijenja nakon prolaska kroz polarizator.
Na ovaj način, podešavanje svjetla i tame piksela može se postići kontrolom veličine napona.
4. Kombinacija sa pozadinskim osvetljenjem i displejom u boji
LCD sam po sebi ne emituje svetlost, a izvor svetlosti potreban za ekran dolazi iz modula pozadinskog osvetljenja.
TFT supstrat određuje koliko se pozadinsko osvetljenje prenosi kontrolišući propusnost piksela tečnog kristala.
Istovremeno, svaki piksel je prekriven crvenim, zelenim i plavim (RGB) filterima boja. Podešavanjem propusnosti svjetlosti tri pod-piksela, može se miješati kako bi se stvorila slika u punoj-boji.
5. Metoda ukupnog pogona
Linije kapije se progresivno skeniraju, a signalne linije se pune naponima stupac po stupac.
Prilikom skeniranja do određene linije, svi TFT-ovi u toj liniji se istovremeno uključuju, a napon signalne linije se upisuje u odgovarajući piksel.
Nakon što se ovaj red završi, linija za skeniranje prelazi na sljedeći red dok se cijeli ekran ne osvježi.
Ovaj proces -ciklusa velike brzine može formirati kontinuirani dinamički prikaz slike.
3. Uticaj TFT podloge na performanse LCD-a
Kao osnovni pokretački sloj LCD panela, TFT supstrat je materijal, struktura i električne karakteristike koje direktno određuju ključne performanse uređaja za prikaz kao što su rezolucija, svjetlina, kontrast, potrošnja energije i vijek trajanja. Sljedeće to objašnjava sa nekoliko glavnih aspekata.
1. Rezolucija
Staklena podloga: Što je veća ravnost površine, to je bolja grafička preciznost elektroda piksela i TFT nizova, što pogoduje postizanju manjih jedinica piksela i na taj način podržava veću rezoluciju.
Aktivni sloj (a-Si): Mobilnost elektrona a-Si je niska (0,3–1 cm²/V·s), što ograničava pogonsku sposobnost TFT-a. Kada se poveća gustina piksela, a-Si je teško brzo napuniti, a poboljšanje rezolucije je ograničeno. Ako se koristi LTPS ili Oxide TFT, pokretljivost aktivnog sloja je veća i može se postići prikaz većeg PPI.
Metalni tragovi (gejt, izvor i drenažna elektroda): Širina traga i otpornost direktno utiču na brzinu otvaranja piksela. Metal visoke otpornosti tjera trag da se proširi, čime zauzima površinu piksela i smanjuje rezoluciju; Cu niskog otpora može prenositi signale na manjoj širini linije i poboljšati korištenje piksela.
2. Svjetlina i propusnost
Pixel Electrode (ITO): Propustljivost svjetlosti i otpornost ITO određuju stopu korištenja pozadinskog svjetla. Visoka propusnost svjetlosti može povećati efikasnost svjetlosti koja prolazi kroz piksele, dok visoka provodljivost osigurava ujednačenu distribuciju signala na pikselima velike{1}}površine.
Metalni tragovi izvora i odvoda: Ako je trag preširok, blokirat će područje piksela, smanjiti područje prijenosa svjetlosti (smanjena stopa otvaranja) i smanjiti svjetlinu. Cu se koristi umjesto Al, koji može smanjiti širinu traga uz smanjenje otpora, čime se povećava brzina otvaranja.
Izolacioni sloj (SiNx, SiO₂): Ravnost površine i karakteristike naprezanja izolacionog sloja utiču na orijentaciju molekula tečnih kristala. Ako je površina neravna, to će dovesti do abnormalnog rasporeda tečnih kristala, čime se smanjuje optička propusnost.
3. Kontrast i performanse u sivim tonovima
Aktivni sloj (a-Si): Na omjer prebacivanja TFT-a utiče materijal. Omjer prebacivanja a-Si je relativno nizak, koji je sklon stvaranju velike struje curenja, uzrokujući curenje male količine svjetlosti u stanju crnog polja, smanjujući kontrast.
Izolacijski sloj (SiNx, SiO₂): Visok-kvalitetni izolacijski sloj može smanjiti puteve curenja i poboljšati zadržavanje napona piksela, čime se održava stabilan prikaz sivih tonova.
Pixel Electrode (ITO): Ujednačenost otpora sloja ITO filma će uticati na konzistentnost napona različitih piksela. Ako je vrijednost otpora neujednačena, to će dovesti do različitih performansi lokalnih sivih tonova, smanjujući ujednačenost prikaza i ukupni kontrast.
4. Utjecaj brzine odgovora
Aktivni sloj (a-Si): Mobilnost a-Si je niska i brzina kretanja elektrona je spora, što rezultira dugim vremenom punjenja i pražnjenja piksela i općenito na nivou milisekundi, što nije prikladno za aplikacije sa velikom brzinom osvježavanja. Visoka mobilnost LTPS ili Oxide TFT može značajno skratiti vrijeme odziva.
Metalni tragovi: Prevelika otpornost na trag će uzrokovati kašnjenje u prijenosu signala i utjecati na odziv piksela. Upotreba materijala niske{1}}otpornosti može smanjiti kašnjenje signala i poboljšati brzinu odgovora.
Parazitski kondenzatori (određeni metalnim rasporedom i izolacijom kapije): Kada je parazitski kondenzator prevelik, potrebno je duže da se napuni piksel, smanjujući efikasnost odziva u sivim tonovima. Razuman konstrukcijski dizajn i optimizacija debljine izolacionog sloja pomažu u smanjenju parazitske kapacitivnosti.
5. Uticaj potrošnje energije
Izvorni i drenažni metal (Al, Mo, Cu): Materijali niske otpornosti mogu smanjiti gubitke u prijenosu signala i potrošnju energije pogona. Zbog svoje niske otpornosti, Cu ima očigledne prednosti u smanjenju potrošnje energije.
Aktivni sloj (a-Si): Struja curenja je velika, napon piksela se lako slabi, a potrebna je veća frekvencija osvježavanja da bi se održala stabilna slika, čime se povećava ukupna potrošnja energije.
Pixel electrode (ITO): Elektrode visoke propusnosti svjetlosti mogu poboljšati efikasnost korištenja svjetlosti. Pod istim zahtjevima za svjetlinu, snaga pozadinskog osvjetljenja može biti niža, čime se smanjuje potrošnja energije.
6. Uticaj pouzdanosti i životnog veka
Metal kapije (Al): Brdo (male izbočine) se lako formiraju na visokim temperaturama, što dovodi do kratkih spojeva ili kvarova otvorenog kola, što utiče na dugoročnu-stabilnost.
Cu Metal: Iako je otpor nizak, ima jaku difuziju. Ako nema sloja barijere, lako je kontaminirati sloj poluvodiča i dovesti do degradacije performansi.
Izolacijski sloj (SiNx): može efikasno blokirati prodiranje Na⁺ jona, vodene pare i kiseonika. Ako je masa nedovoljna, to će uzrokovati brzi pad performansi uređaja.
Aktivni sloj (a-Si): Prag napona se javlja tokom dugih radnih sati, što rezultira povećanom potražnjom za naponom, smanjenom svjetlinom i kontrastom ekrana i skraćenim vijekom trajanja.
U radu LCD-a, TFT supstrat ne samo da određuje efekat prikaza slike, već direktno utiče na rezoluciju, osvetljenost, kontrast, potrošnju energije i pouzdanost. Sve u svemu, TFT podloge nisu samo osnova LCD tehnologije, već i ključ za poboljšanje performansi panela i evoluciju procesa.
