Uvod u TFT supstrat u LCD-u
Potpuni TFT-LCD LCD zaslon podijeljen je prema procesu proizvodnje i može se grubo podijeliti u tri segmenta procesa, naime: procesni segment niza, CF procesni segment filtra u boji i segment procesa u kutiji. Procesna sekcija Array array je ono što često nazivamo proizvodnjom TFT staklene podloge.
TFT supstrat je ključna komponenta TFT-LCD panela i preuzima važne funkcije kontrole prekidača piksela i pokretačkih struja. Ovaj će se članak usredotočiti na strukturu i sastav supstrata TFT-LCD Array, karakteristike-Si TFT-a i utjecaj TFT supstrata na performanse LCD-a.
1. Struktura i sastav TFT supstrata
Glavna pogonska jedinica TFT-LCD-a je niz tranzistora tankog filma (TFT Array), a svakim pikselom upravlja nezavisni TFT prekidač. Kako bi se postigla ova funkcija, TFT supstrat ima više-slojnu strukturu, pri čemu svaki sloj materijala i elektroda ima različite uloge.
Sve u svemu, TFT-ovi se mogu podijeliti u dvije kategorije: struktura gornjih vrata i struktura donjih vrata. Trenutačno glavno rješenje za LCD ploče je struktura TFT s donjim vratima, koja ima zrele procese i visoku stabilnost te je prikladna za-masovnu proizvodnju velikih razmjera.
U tipičnom procesu 6 maski, TFT supstrat strukture donjih vrata uglavnom sadrži sljedeće dijelove:
1. Staklena podloga
Kao fizička potporna platforma za cijeli niz, pruža ravan i proziran temelj.
Zahtijeva se imati stabilnu dimenzionalnost i mali koeficijent toplinske ekspanzije kako bi se osigurala točnost naknadnog taloženja tankog filma i procesa fotolitografije.
2. Elektroda vrata (elektroda vrata)
Obično se koriste metalni materijali (kao što su Mo, Al ili njihove legure).
Upravljanjem napona primijenjenog na vrata, određuje se uključeno- ili isključeno stanje TFT-a, što je ekvivalentno "kontrolnom terminalu prekidača".
3. Izolator vrata
Za pokrivanje vrata, najčešće korišteni materijal je SiNx ili SiO₂.
Njegova funkcija je električna izolacija, sprječavanje izravnog kontakta vrata s poluvodičkim slojem iznad, te u isto vrijeme osiguravanje da električno polje vrata može učinkovito kontrolirati elektroničko kretanje regije poluvodičkog kanala.
4. Aktivni sloj (Aktivni sloj)
Ovo je srž izvedbe TFT-a, koja se obično sastoji od poluvodičkog sloja i omskog kontaktnog sloja:
Poluvodički sloj odgovoran je za prijenos nositelja i glavno je tijelo područja kanala;
Ohmski kontaktni sloj koristi se za smanjenje kontaktnog otpora između sorsne i odvodne elektrode i poluvodiča.
U trenutnoj TFT-LCD industriji, a-Si (amorfni silicij) je poluvodički materijal koji se najčešće koristi.
A-Si TFT proces je zreo i ima niske cijene. Najčešće se koristi u srednjim- i niskim-end TFT-LCD pločama.
Iako je pokretljivost elektrona a-Si relativno niska, njegov visok procesni prinos i velika svestranost u proizvodnoj opremi čine ga još uvijek glavnim izborom za TFT-LCD.
Dijagram a-si poluvodiča amorfnog silicija
Uz -Si, postoje novi materijali kao što su poli-Si i oksidni poluvodiči, ali oni se više koriste u visoko-razlučivosti ili za posebne-namjenske zaslonske ploče.
5. Izvor i odvod
Raspoređen na obje strane aktivnog sloja i sastoji se od metalnog materijala.
Izvor je spojen na podatkovnu liniju i prenosi napon ulaznog signala u područje kanala;
Odvodna elektroda spojena je na elektrodu piksela i prenosi napon signala na jedinicu piksela tekućeg kristala.
6. Srednji izolacijski sloj (pasivni sloj, PVX)
Prekrivajući TFT strukturu, igra ulogu zaštite i izolacije.
Spriječite da vlaga, kisik ili mehanički stres uzrokuju oštećenje TFT uređaja, istovremeno izbjegavajući kratke spojeve između elektroda izvora i odvoda na elektrodama gornjeg piksela.
7. Pixel elektroda (1. ITO)
Izrađen od prozirnog vodljivog materijala (obično ITO, indij kositar oksid).
Spojen na odvod, primjenjuje napon podatkovnog signala na sloj tekućeg kristala i izravno kontrolira optičko stanje točke piksela.
8. Zajednička elektroda (2. ITO, COM elektroda)
Nasuprot elektrodi piksela, obično se nalazi na gornjoj staklenoj podlozi.
Između zajedničke elektrode i elektrode piksela formira se električno polje, a sila djelovanja primjenjuje se na molekule tekućeg kristala kako bi se promijenio njihov raspored, čime se postiže modulacija svjetla.
Princip zaslona TFT-LCD-a
U cijeloj TFT podlozi, milijuni takvih TFT jedinica raspoređeni su u red-matricu stupaca. Linija vrata u smjeru reda odgovorna je za progresivno skeniranje, a linija podataka u smjeru stupca odgovorna je za prijenos napona signala. Na sjecištu to dvoje nalazi se TFT i njegov odgovarajući piksel od tekućeg kristala. Kada su svi naponi piksela zapisani i održavani redak po redak, cijeli LCD zaslon može prikazati potpunu sliku.
2. Princip rada TFT podloge u LCD-u
1. Funkcija TFT-a kao prekidača
Svaki piksel opremljen je TFT-om, koji je ekvivalentan elektroničkom prekidaču.
Kada signal skeniranja djeluje na vrata, TFT se uključuje, a napon na izvoru se prenosi na odvod, a zatim se primjenjuje na elektrodu piksela.
Kada se gejt signal ukloni, TFT se isključuje i napon na elektrodi piksela se održava neko vrijeme, čime se održava stanje orijentacije molekula tekućeg kristala.
2. Promjene u orijentaciji molekula tekućeg kristala
Materijali s tekućim kristalima imaju elektro{0}}optički učinak, a njihove će se molekule preurediti pod djelovanjem električnog polja.
Različiti naponi odgovaraju različitim kutovima nagiba molekule, što zauzvrat mijenja sposobnost modulacije sloja tekućeg kristala prema svjetlosti.
3. Prijenos i kontrola svjetlosti
Sloj tekućeg kristala je stisnut između gornje i donje staklene podloge, a polarizator je također postavljen na gornjoj i donjoj strani.
Kada se promijeni orijentacija molekula tekućeg kristala, stanje polarizacije svjetlosti se mijenja u skladu s tim, a propusnost se također mijenja nakon prolaska kroz polarizator.
Na taj način, podešavanje svjetla i tame piksela može se postići kontrolom magnitude napona.
4. Kombinacija s pozadinskim osvjetljenjem i zaslonom u boji
Sam LCD ne emitira svjetlost, a izvor svjetlosti potreban za zaslon dolazi iz modula pozadinskog osvjetljenja.
TFT podloga određuje koliko se pozadinsko osvjetljenje prenosi kontroliranjem propusnosti piksela tekućeg kristala.
U isto vrijeme, svaki piksel je prekriven crvenim, zelenim i plavim (RGB) filterima boja. Podešavanjem propusnosti svjetla tri pod-piksela, može se miješati kako bi se stvorila slika u punoj-boji.
5. Ukupna metoda pogona
Linije vrata se progresivno skeniraju, a signalne linije se pune naponima stupac po stupac.
Prilikom skeniranja na određenu liniju, svi TFT-ovi u toj liniji su uključeni u isto vrijeme, a napon signalne linije se upisuje u odgovarajući piksel.
Nakon završetka ovog retka, redak za skeniranje ide na sljedeći redak dok se cijeli zaslon ne osvježi.
Ovaj proces ciklusa velike-brzine može formirati kontinuirani dinamički prikaz slike.
3. Utjecaj TFT podloge na performanse LCD-a
Kao temeljni pokretački sloj LCD panela, TFT supstrat je materijal, struktura i električne karakteristike koje izravno određuju ključne performanse uređaja za prikaz kao što su razlučivost, svjetlina, kontrast, potrošnja energije i vijek trajanja. Sljedeće to objašnjava s nekoliko glavnih aspekata.
1. Razlučivost
Staklena podloga: Što je veća ravnost površine, to je bolja točnost grafike elektroda piksela i TFT nizova, što pogoduje postizanju manjih jedinica piksela i time podržava veću razlučivost.
Aktivni sloj (a-Si): pokretljivost elektrona a-Si je niska (0,3–1 cm²/V·s), što ograničava pogonsku sposobnost TFT-a. Kada se gustoća piksela poveća, 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 veći PPI.
Metalni tragovi (elektroda vrata, izvora i odvoda): Širina traga i otpor izravno utječu na brzinu otvaranja piksela. Metal visoke otpornosti tjera trag da se proširi, zauzimajući tako područje piksela i smanjujući razlučivost; Cu s niskim otporom može prenositi signale s manjom širinom linije i poboljšati iskoristivost piksela.
2. Svjetlina i propusnost
Pikselna elektroda (ITO): propusnost svjetla i otpornost ITO određuju stopu iskorištenja pozadinskog osvjetljenja. Visoka propusnost svjetla može povećati učinkovitost prolaska svjetlosti kroz piksele, dok visoka vodljivost osigurava jednoliku distribuciju signala na pikselima velike-površine.
Metalni tragovi izvora i odvoda: Ako je trag preširok, blokirat će područje piksela, smanjiti područje prijenosa svjetlosti (smanjena brzina otvaranja) i smanjiti svjetlinu. Umjesto Al-a koristi se bakar, koji može smanjiti širinu traga uz smanjenje otpora, čime se povećava stopa otvaranja.
Izolacijski sloj (SiNx, SiO₂): Ravnost površine i karakteristike naprezanja izolacijskog sloja utječu na orijentaciju molekula tekućeg kristala. Ako je površina neravna, to će dovesti do nenormalnog rasporeda tekućih kristala, čime se smanjuje optička propusnost.
3. Performanse kontrasta i sivih tonova
Aktivni sloj (a-Si): Na omjer prebacivanja TFT-a utječe materijal. Preklopni omjer a-Si je relativno nizak, što je sklono stvaranju velike struje curenja, uzrokujući curenje male količine svjetlosti u stanju crnog polja, smanjujući kontrast.
Izolacijski sloj (SiNx, SiO₂): visoko{0}}kvalitetni izolacijski sloj može smanjiti puteve curenja i poboljšati zadržavanje napona piksela, čime se održava stabilan prikaz u sivim tonovima.
Pikselna elektroda (ITO): Ujednačenost otpora ITO sloja filma utjecat će na dosljednost napona različitih piksela. Ako je vrijednost otpora nejednaka, to će dovesti do različitih performansi lokalnih sivih tonova, smanjujući ujednačenost prikaza i ukupni kontrast.
4. Učinak brzine odgovora
Aktivni sloj (a-Si): pokretljivost a-Si je niska i brzina kretanja elektrona je spora, što rezultira dugim vremenom punjenja i pražnjenja za piksele i općenito na razini milisekundi, što nije prikladno za aplikacije visoke stope osvježavanja. Visoka mobilnost LTPS-a ili Oxide TFT-a može značajno skratiti vrijeme odziva.
Metalni tragovi: Previsok otpor tragova uzrokovat će kašnjenje prijenosa signala i utjecati na odgovor piksela. Upotreba materijala niske-otpornosti može smanjiti kašnjenje signala i poboljšati brzinu odgovora.
Parazitni kondenzatori (određeni rasporedom metala i izolacijom vrata): kada je parazitni kondenzator prevelik, potrebno je više vremena za punjenje piksela, smanjujući učinkovitost odziva u sivim tonovima. Razumni strukturni dizajn i optimizacija debljine izolacijskog sloja pomažu smanjiti parazitski kapacitet.
5. Utjecaj potrošnje energije
Metal izvora i odvoda (Al, Mo, Cu): Materijali niske otpornosti mogu smanjiti gubitke prijenosa signala i povećati potrošnju energije. Zbog svoje niske otpornosti, Cu ima očite prednosti u smanjenju potrošnje energije.
Aktivni sloj (a-Si): struja curenja je velika, napon piksela lako se smanjuje i potrebna je veća frekvencija osvježavanja za održavanje stabilne slike, čime se povećava ukupna potrošnja energije.
Pikselna elektroda (ITO): Elektrode visoke propusnosti svjetlosti mogu poboljšati učinkovitost iskorištavanja svjetlosti. Pod istim zahtjevima za svjetlinom, snaga pozadinskog osvjetljenja može biti niža, čime se smanjuje potrošnja energije.
6. Utjecaj pouzdanosti i životnog vijeka
Metalna vrata (Al): brežuljci (male izbočine) lako se formiraju na visokim temperaturama, što dovodi do kratkih spojeva ili prekida kruga, što utječe 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 učinkovito blokirati prodiranje Na⁺ iona, vodene pare i kisika. Ako je masa nedovoljna, to će uzrokovati brzi pad performansi uređaja.
Aktivni sloj (a-Si): odstupanje napona praga događa se tijekom dugih radnih sati, što rezultira povećanom potražnjom za pogonskim naponom, smanjenom svjetlinom i kontrastom zaslona i skraćenim vijekom trajanja.
U radu LCD-a, TFT supstrat ne samo da određuje učinak prikaza slike, već također izravno utječe na razlučivost, svjetlinu, 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.
