Introducció al substrat TFT en LCD
Un panell de pantalla LCD TFT-LCD complet es divideix segons el procés de producció i es pot dividir aproximadament en tres segments de procés, a saber: segment de procés de matriu, segment de procés de filtre de color CF i segment de procés en caixa. La secció de procés de matriu de matrius és el que sovint anomenem producció de substrat de vidre TFT.
El substrat TFT és un component bàsic del panell TFT-LCD i duu a terme les funcions importants de controlar els commutadors de píxels i els corrents de conducció. Aquest article se centrarà en l'estructura i la composició del substrat TFT-LCD Array, les característiques d'un-Si TFT i l'impacte del substrat TFT en el rendiment de la pantalla LCD.
1. Estructura i composició del substrat TFT
La unitat principal de conducció de la pantalla LCD TFT- és una matriu de transistors de pel·lícula fina (TFT Array) i cada píxel està controlat per un interruptor TFT independent. Per aconseguir aquesta funció, el substrat TFT adopta un disseny d'estructura multi-capes, amb cada capa de material i elèctrodes jugant diferents papers.
En general, els TFT es poden dividir en dues categories: estructura de porta superior i estructura de porta inferior. Actualment, la solució principal per als panells LCD és el TFT d'estructura de porta inferior, que té processos madurs i una alta estabilitat, i és adequat per a la producció en massa a gran-escala.
En un procés típic de 6 màscares, un substrat TFT d'estructura de porta inferior conté principalment les parts següents:
1. Substrat de vidre
Com a plataforma de suport físic per a tota la matriu, proporciona una base plana i transparent.
Es requereix tenir una dimensionalitat estable i un petit coeficient d'expansió tèrmica per garantir la precisió dels processos posteriors de deposició de pel·lícula fina i fotolitografia.
2. Elèctrode de porta (elèctrode de porta)
Normalment, s'utilitzen materials metàl·lics (com ara Mo, Al o els seus aliatges).
Controlant la tensió aplicada a la porta, es determina l'estat d'encesa- o apagat de la TFT, que és equivalent al "terminal de control de l'interruptor".
3. Aïllant de la porta
Cobrint la porta, el material utilitzat habitualment és SiNx o SiO₂.
La seva funció és aïllar elèctricament, evitar que la porta entri en contacte directament amb la capa de semiconductors de dalt i, al mateix temps, garantir que el camp elèctric de la porta pugui controlar eficaçment el moviment electrònic de la regió del canal de semiconductors.
4. Capa activa (Capa activa)
Aquest és el nucli del rendiment TFT, que normalment consisteix en una capa de semiconductors i una capa de contacte òhmic:
La capa semiconductora és responsable de la transmissió de la portadora i és el cos principal de la regió del canal;
La capa de contacte òhmic s'utilitza per reduir la resistència de contacte entre els elèctrodes de font i drenatge i el semiconductor.
A la indústria actual de TFT-LCD, a-Si (silici amorf) és el material semiconductor més utilitzat.
El procés a-Si TFT és madur i té un cost baix. S'utilitza més habitualment en panells de pantalla LCD TFT-de gamma mitjana- i baixa-.
Tot i que la mobilitat electrònica d'un-Si és relativament baixa, el seu alt rendiment de procés i la seva gran versatilitat en equips de producció el converteixen encara en l'opció principal per a TFT-LCD.
Diagrama de semiconductors a-si de silici amorf
A més del-Si, hi ha materials nous com ara el poli-Si i els semiconductors d'òxid, però s'utilitzen més en panells de visualització d'alta-resolució o-especials.
5. Font i Desguàs
Distribuït a banda i banda de la capa activa i està format per material metàl·lic.
La font està connectada a la línia de dades i transmet la tensió del senyal d'entrada a l'àrea del canal;
L'elèctrode de drenatge està connectat a l'elèctrode de píxel i transmet la tensió del senyal a la unitat de píxel de cristall líquid.
6. Capa intermèdia d'aïllament (capa de passivació, PVX)
Cobrint per sobre de l'estructura TFT, té un paper de protecció i aïllament.
Eviteu que la humitat, l'oxigen o l'estrès mecànic causin danys al dispositiu TFT, alhora que eviteu curtcircuits des de la font i els elèctrodes de drenatge als elèctrodes de píxels superiors.
7. Elèctrode de píxels (1r ITO)
Fabricat amb material conductor transparent (normalment ITO, òxid d'estany d'indi).
Connectat al drenatge, apliqueu la tensió del senyal de dades a la capa de cristall líquid i controla directament l'estat òptic del punt de píxel.
8. Elèctrode comú (2n ITO, elèctrode COM)
Oposat a l'elèctrode de píxel, normalment es troba al substrat de vidre superior.
Es forma un camp elèctric entre l'elèctrode comú i l'elèctrode de píxel, i s'aplica una força d'acció a les molècules de cristall líquid per canviar-ne la disposició, aconseguint així la modulació de la llum.
Principi de visualització de TFT-LCD
A tot el substrat TFT, milions d'aquestes unitats TFT es disposen en una matriu de fila-columna. La línia de la porta en la direcció de la fila és responsable de l'exploració progressiva i la línia de dades en la direcció de la columna és responsable de transmetre la tensió del senyal. A la intersecció dels dos, es localitza una TFT i el seu corresponent píxel de cristall líquid. Quan tots els voltatges de píxels s'escriuen i es mantenen línia per línia, tot el panell LCD pot mostrar una imatge completa.
2. Principi de funcionament del substrat TFT en LCD
1. La funció de TFT com a interruptor
Cada píxel està equipat amb un TFT, que equival a un interruptor electrònic.
Quan el senyal d'escaneig actua a la porta, el TFT s'encén i la tensió de la font es transfereix al drenatge i després s'aplica a l'elèctrode de píxels.
Quan s'elimina el senyal de la porta, s'apaga el TFT i es manté la tensió a l'elèctrode de píxel durant un període de temps, mantenint així l'estat d'orientació de les molècules de cristall líquid.
2. Canvis en l'orientació de les molècules de cristall líquid
Els materials de cristall líquid tenen un efecte electro-òptic i les seves molècules es reordenaran sota l'acció d'un camp elèctric.
Els diferents voltatges corresponen a diferents angles d'inclinació molecular, que al seu torn canvia la capacitat de modulació de la capa de cristall líquid a la llum.
3. Transmissió i control de la llum
La capa de cristall líquid es troba entre els substrats de vidre superior i inferior, i també es disposa un polaritzador als costats superior i inferior.
Quan l'orientació de les molècules de cristall líquid canvia, l'estat de polarització de la llum canvia en conseqüència i la transmitància també canvia després de passar pel polaritzador.
D'aquesta manera, l'ajust de la llum i la foscor del píxel es pot aconseguir controlant la magnitud de la tensió.
4. Combinació amb llum de fons i pantalla en color
La pantalla LCD en si no emet llum i la font de llum necessària per a la pantalla prové del mòdul de llum de fons.
El substrat TFT determina quant es transmet la llum de fons controlant la transmitància del píxel de cristall líquid.
Al mateix temps, cada píxel està cobert amb filtres de color vermell, verd i blau (RGB). En ajustar la transmitància de la llum dels tres sub-píxels, es pot barrejar per generar una imatge-de color.
5. Mètode de conducció global
Les línies de la porta s'escanegen progressivament i les línies de senyal es carreguen de voltatges columna per columna.
Quan s'escaneja a una línia determinada, tots els TFT d'aquesta línia s'encenen al mateix temps i la tensió de la línia de senyal s'escriu al píxel corresponent.
Un cop finalitzada aquesta línia, la línia d'escaneig passa a la línia següent fins que s'actualitzi tota la pantalla.
Aquest procés de cicle d'-alta velocitat pot formar una visualització d'imatge dinàmica contínua.
3. La influència del substrat TFT en el rendiment de la pantalla LCD
Com a capa de conducció bàsica dels panells LCD, el substrat TFT és el material, l'estructura i les característiques elèctriques que determinen directament el rendiment clau del dispositiu de visualització, com ara la resolució, la brillantor, el contrast, el consum d'energia i la vida útil. A continuació ho explica des de diversos aspectes principals.
1. Resolució
Substrat de vidre: com més gran sigui la planitud de la superfície, millor serà la precisió gràfica dels elèctrodes de píxels i les matrius TFT, la qual cosa afavoreix l'assoliment d'unitats de píxels més petites i, per tant, suporta una resolució més alta.
Capa activa (a-Si): la mobilitat electrònica d'a-Si és baixa (0,3–1 cm²/V·s), limitant la capacitat de conducció de la TFT. Quan la densitat de píxels augmenta, a-Si és difícil de carregar ràpidament i la millora de la resolució està restringida. Si s'utilitza LTPS o Oxide TFT, la mobilitat de la capa activa és més alta i es pot aconseguir la visualització d'un PPI més alt.
Traces metàl·liques (elèctrode de porta, font i drenatge): l'amplada de la traça i la resistivitat afecten directament la velocitat d'obertura de píxels. El metall d'alta resistència força el rastre a eixamplar-se, ocupant així l'àrea de píxels i reduint la resolució; El Cu de baixa resistència pot transmetre senyals amb una amplada de línia més petita i millorar la utilització dels píxels.
2. Lluminositat i transmitància
Pixel Electrode (ITO): la transmitància de la llum i la resistivitat de l'ITO determinen la taxa d'utilització de la llum de fons. La transmissió de la llum elevada pot augmentar l'eficiència de la llum que passa a través dels píxels, mentre que l'alta conductivitat garanteix la distribució uniforme dels senyals en píxels d'-àrea gran.
Traces metàl·liques d'origen i drenatge: si la traça és massa ampla, bloquejarà l'àrea de píxels, reduirà l'àrea de transmissió de la llum (taxa d'obertura reduïda) i reduirà la brillantor. S'utilitza Cu en lloc d'Al, que pot reduir l'amplada de la traça alhora que redueix la resistència, augmentant així la velocitat d'obertura.
Capa aïllant (SiNx, SiO₂): la planitud superficial i les característiques de tensió de la capa aïllant afecten l'orientació de les molècules de cristall líquid. Si la superfície és desigual, provocarà una disposició anormal dels cristalls líquids, reduint així la transmitància òptica.
3. Rendiment de contrast i escala de grisos
Capa activa (a-Si): la relació de commutació de la TFT es veu afectada pel material. La relació de commutació d'a-Si és relativament baixa, que és propensa a generar un gran corrent de fuga, provocant que una petita quantitat de llum s'escapi en l'estat de camp negre, reduint el contrast.
Capa aïllant (SiNx, SiO₂): la capa aïllant{0}}d'alta qualitat pot reduir els camins de fuites i millorar la retenció de la tensió dels píxels, mantenint així una pantalla estable en escala de grisos.
Pixel Electrode (ITO): La uniformitat de la resistència de la capa de pel·lícula ITO afectarà la consistència de tensió dels diferents píxels. Si el valor de la resistència és desigual, provocarà diferents rendiments de les escales de grisos locals, reduint la uniformitat de la pantalla i el contrast general.
4. Efecte de la velocitat de resposta
Capa activa (a-Si): la mobilitat d'a-Si és baixa i la velocitat de moviment d'electrons és lenta, el que resulta en un temps de càrrega i descàrrega llarg per als píxels i, generalment, a nivell de mil·lisegons, que no és adequat per a aplicacions de freqüència de refresc alta. L'alta mobilitat de LTPS o Oxide TFT pot escurçar significativament el temps de resposta.
Traces metàl·liques: una resistència a traça massa alta provocarà un retard en la transmissió del senyal i afectarà la resposta dels píxels. L'ús de materials de baixa-resistència pot reduir el retard del senyal i millorar la velocitat de resposta.
Condensadors paràsits (determinats per la disposició metàl·lica i l'aïllament de la porta): quan el condensador paràsit és massa gran, es triga més a carregar el píxel, reduint l'eficiència de resposta en escala de grisos. El disseny estructural raonable i l'optimització del gruix de la capa d'aïllament ajuden a reduir la capacitat paràsita.
5. L'impacte del consum d'energia
Metall d'origen i drenatge (Al, Mo, Cu): els materials de baixa resistència poden reduir les pèrdues de transmissió del senyal i impulsar el consum d'energia. A causa de la seva baixa resistivitat, el Cu té avantatges evidents en la reducció del consum d'energia.
Capa activa (a-Si): el corrent de fuga és gran, la tensió del píxel s'atenua fàcilment i es requereix una freqüència d'actualització més alta per mantenir una imatge estable, augmentant així el consum d'energia global.
Elèctrode de píxels (ITO): els elèctrodes d'alta transmissió de la llum poden millorar l'eficiència d'utilització de la llum. Amb els mateixos requisits de brillantor, la potència de la llum de fons pot ser menor, reduint així el consum d'energia.
6. L'impacte de la fiabilitat i la vida útil
Porta metàl·lica (Al): els enclavaments (petites protuberàncies) es formen fàcilment a altes temperatures, donant lloc a curtcircuits o fallades de circuit obert, afectant l'estabilitat-a llarg termini.
Cu Metall: encara que la resistència és baixa, té una forta difusió. Si no hi ha cap capa de barrera, és fàcil contaminar la capa semiconductora i provocar una degradació del rendiment.
Capa aïllant (SiNx): pot bloquejar eficaçment la penetració d'ions Na⁺, vapor d'aigua i oxigen. Si la massa és insuficient, el rendiment del dispositiu disminuirà ràpidament.
Capa activa (a-Si): la deriva de la tensió llindar es produeix durant llargues hores de treball, la qual cosa comporta una major demanda de tensió de conducció, una disminució de la brillantor i el contrast de la pantalla i una vida útil escurçada.
En el treball de LCD, el substrat TFT no només determina l'efecte de visualització de la imatge, sinó que també afecta directament la resolució, la brillantor, el contrast, el consum d'energia i la fiabilitat. En general, els substrats TFT no només són la base de la tecnologia LCD, sinó també la clau per a la millora del rendiment del panell i l'evolució del procés.
