LCDにおけるTFT基板の紹介
完全な TFT-LCD LCD ディスプレイ パネルは製造プロセスに従って分割され、アレイ アレイ プロセス セグメント、CF カラー フィルタ プロセス セグメント、およびボックス化プロセス セグメントの 3 つのプロセス セグメントに大別できます。アレイアレイプロセスセクションは、私たちが通常TFTガラス基板の製造と呼ぶものです。
TFT 基板は TFT-LCD パネルの中核コンポーネントであり、ピクセル スイッチの制御と電流の駆動という重要な機能を担っています。この記事では、TFT-LCD アレイ基板の構造と構成、-Si TFT の特性、および LCD の性能に対する TFT 基板の影響に焦点を当てます。
1. TFT基板の構造と組成
TFT-LCD のコア駆動ユニットは薄膜トランジスタ アレイ (TFT アレイ) であり、各ピクセルは独立した TFT スイッチによって制御されます。この機能を実現するために、TFT 基板は多層構造設計を採用しており、各層の材料と電極が異なる役割を果たします。-
全体として、TFT はトップゲート構造とボトムゲート構造の 2 つのカテゴリに分類できます。現在、LCD パネルの主流のソリューションはボトムゲート構造の TFT です。これは成熟したプロセスと高い安定性を備えており、大規模な量産に適しています。-
一般的な 6 マスク プロセスでは、ボトム ゲート構造の TFT 基板には主に次の部品が含まれます。
1. ガラス基板
アレイ全体の物理的なサポート プラットフォームとして、平らで透明な基盤を提供します。
その後の薄膜蒸着やフォトリソグラフィープロセスの精度を確保するには、安定した寸法性と小さな熱膨張係数が必要です。
2. ゲート電極（ゲート電極）
典型的には、金属材料（Ｍｏ、Ａｌ、またはそれらの合金など）が使用される。
ゲートに印加する電圧を制御することでTFTのオン・オフ状態が決まり、「スイッチの制御端子」に相当します。
3. ゲート絶縁体
ゲートを覆う材料として一般的に使用されるのは SiNx または SiO2 です。
その機能は、電気的に絶縁し、ゲートが上の半導体層と直接接触するのを防ぎ、同時にゲート電界が半導体チャネル領域の電子の動きを効果的に制御できるようにすることです。
4. アクティブレイヤー（アクティブレイヤー）
これは TFT の性能の中核であり、通常は半導体層とオーム接触層で構成されます。
半導体層はキャリアの伝達を担当し、チャネル領域の本体です。
オーミックコンタクト層は、ソース電極およびドレイン電極と半導体との間の接触抵抗を低減するために使用される。
現在の TFT-LCD 業界では、-Si（アモルファス シリコン）が最も広く使用されている半導体材料です。
-Si TFT プロセスは成熟しており、コストが低くなります。これは、中級-およびローエンドの TFT-LCD ディスプレイ パネルで最も一般的に使用されています。
-Si の電子移動度は比較的低いですが、その高いプロセス歩留まりと製造装置での高い汎用性により、依然として TFT-LCD の主流の選択肢となっています。
アモルファスシリコン-Si半導体の図
-Si に加えて、ポリ-Si や酸化物半導体などの新しい材料がありますが、これらは高解像度-または特殊な目的のディスプレイ パネルでよく使用されます。-
5. ソースとドレイン
活性層の両側に分布しており、金属材料で構成されています。
ソースはデータラインに接続され、入力信号電圧をチャネル領域に送信します。
ドレイン電極は画素電極に接続されており、信号電圧を液晶画素部に伝達する。
6. 中間絶縁層（パッシベーション層、PVX）
TFT構造の上を覆い、保護と絶縁の役割を果たします。
ソース電極とドレイン電極から上部画素電極への短絡を回避しながら、水分、酸素、または機械的ストレスによる TFT デバイスへの損傷を防ぎます。
7. 画素電極（1st ITO）
透明な導電性材料 (一般的に ITO、酸化インジウムスズ) で作られています。
ドレインに接続され、液晶層にデータ信号電圧を印加し、画素点の光学状態を直接制御します。
8. 共通電極（第2ITO、COM電極）
画素電極の反対側で、通常は上部ガラス基板上に配置されます。
共通電極と画素電極との間に電界が形成され、液晶分子に作用力が加えられてその配列が変化し、光の変調が実現される。
TFT-LCD の表示原理
TFT 基板全体では、このような TFT ユニットが行-のマトリクス状に数百万個配置されています。行方向のゲート線は順次走査を担当し、列方向のデータ線は信号電圧の伝達を担当します。この 2 つの交差点には、TFT とそれに対応する液晶ピクセルが配置されています。すべてのピクセル電圧がラインごとに書き込まれて維持されると、LCD パネル全体で完全な画像を表示できます。
2. LCDにおけるTFT基板の動作原理
1. TFTのスイッチとしての機能
各画素には電子スイッチに相当するTFTが搭載されています。
走査信号がゲートに作用するとTFTがオンし、ソースの電圧がドレインに転送され、画素電極に印加されます。
ゲート信号が除去されると、TFT がオフになり、画素電極の電圧が一定期間維持され、それによって液晶分子の配向状態が維持されます。
2. 液晶分子の配向変化
液晶材料には電気光学効果があり、その分子は電場の作用下で再配置されます。{0}
異なる電圧は異なる分子傾斜角に対応し、それによって光に対する液晶層の変調能力が変化します。
3. 光の伝達と制御
上下のガラス基板の間に液晶層が挟まれており、さらに上下に偏光板が配置されている。
液晶分子の向きが変化すると光の偏光状態も変化し、偏光板を通過した後の透過率も変化します。
このように、電圧の大きさを制御することで、ピクセルの明暗の調整を実現できます。
4. バックライトとカラー表示の組み合わせ
LCD 自体は発光せず、表示に必要な光源はバックライト モジュールから供給されます。
TFT基板は液晶画素の透過率を制御することでバックライトをどれだけ透過させるかを決定します。
同時に、各ピクセルは赤、緑、青 (RGB) カラー フィルターで覆われます。 3 つのサブピクセルの光の透過率を調整することで、混合してフルカラー画像を生成できます。-
5. 全体的な駆動方法
ゲート線は徐々に走査され、信号線には列ごとに電圧がロードされます。
ある行を走査すると、その行の全てのTFTが同時にオンし、信号線の電圧が対応する画素に書き込まれる。
このラインが終了すると、画面全体がリフレッシュされるまで、走査ラインは次のラインに進みます。
この高速サイクルのプロセスにより、連続的な動的な画像表示を形成できます。-
3. TFT基板がLCD性能に及ぼす影響
LCD パネルの中核となる駆動層である TFT 基板は、解像度、輝度、コントラスト、消費電力、寿命などのディスプレイ デバイスの主要な性能を直接決定する材料、構造、および電気的特性です。以下では、いくつかの主要な側面から説明します。
1. 解決策
ガラス基板: 表面の平坦度が高いほど、画素電極と TFT アレイのグラフィック精度が向上し、より小さな画素ユニットの実現と、より高い解像度のサポートに役立ちます。
活性層 (a-Si): a-Si の電子移動度は低く (0.3 ～ 1 cm²/V・s)、TFT の駆動能力が制限されます。画素密度が高くなると、-Siは急速充電が難しくなり、解像度の向上が制限されます。 LTPSやOxide TFTを使用すると、活性層移動度がより高くなり、より高いPPIの表示が可能になります。
金属トレース (ゲート、ソース、ドレイン電極): トレース幅と抵抗率は、ピクセルの開口率に直接影響します。高抵抗の金属によりトレースが強制的に広がるため、ピクセル領域が占有され、解像度が低下します。低抵抗の Cu は、より小さな線幅で信号を伝送し、ピクセルの利用率を向上させることができます。
2. 明るさと透過率
ピクセル電極 (ITO): ITO の光透過率と抵抗率によってバックライトの利用率が決まります。高い光透過率により、ピクセルを通過する光の効率が向上し、高い導電性により、大面積ピクセル上での信号の均一な分布が確保されます。-。
ソースおよびドレインの金属トレース: トレースの幅が広すぎると、ピクセル領域がブロックされ、光透過領域が減少し (開口率が減少し)、輝度が低下します。 Alの代わりにCuを使用することで、抵抗を下げながら配線幅を狭くすることができ、開口率を高めることができます。
絶縁層 (SiNx、SiO₂): 絶縁層の表面の平坦性と応力特性は、液晶分子の配向に影響を与えます。表面に凹凸があると液晶の配列に異常が生じ、光の透過率が低下します。
3. コントラストとグレースケールのパフォーマンス
活性層 (a-Si): TFT のスイッチング率は材料によって影響されます。 -Si のスイッチング率は比較的低いため、大きな漏れ電流が発生しやすく、黒フィールド状態で少量の光が漏れてコントラストが低下します。
絶縁層（SiNx、SiO₂）: 高品質の絶縁層-は、リークパスを低減し、ピクセル電圧保持率を向上させることができるため、安定したグレースケール表示を維持できます。
ピクセル電極 (ITO): ITO フィルム層の抵抗の均一性は、さまざまなピクセルの電圧の一貫性に影響します。抵抗値が不均一であると、局所的なグレースケールのパフォーマンスが異なり、表示の均一性と全体的なコントラストが低下します。
4. 応答速度の影響
活性層（a-Si）: a-Si は移動度が低く、電子の移動速度が遅いため、ピクセルの充放電時間が長くなり、通常はミリ秒レベルであり、高リフレッシュ レートのアプリケーションには適していません。 LTPS または酸化物 TFT の高い移動度により、応答時間を大幅に短縮できます。
金属トレース: トレース抵抗が高すぎると、信号伝送遅延が発生し、ピクセルの応答に影響を与えます。低抵抗材料を使用すると、信号遅延が減少し、応答速度が向上します。-
寄生コンデンサ (金属レイアウトとゲート絶縁によって決定): 寄生コンデンサが大きすぎると、ピクセルの充電に時間がかかり、グレースケール応答効率が低下します。合理的な構造設計と絶縁層の厚さの最適化により、寄生容量を低減します。
5. 消費電力の影響
ソースおよびドレイン金属 (Al、Mo、Cu): 低抵抗材料は信号伝送損失を低減し、電力消費を促進します。 Cu は抵抗率が低いため、消費電力の削減に明らかな利点があります。
活性層（a-Si）：リーク電流が大きく、画素電圧が減衰しやすいため、安定した画像を維持するにはより高いリフレッシュ周波数が必要となり、全体の消費電力が増加します。
画素電極（ITO）：光透過率の高い電極により、光の利用効率が向上します。同じ明るさの要件の下では、バックライトの電力を低くできるため、エネルギー消費が削減されます。
6. 信頼性と寿命の影響
ゲートメタル (Al): 高温でヒルロック (小さな突起) が形成されやすく、短絡や開回路の故障を引き起こし、長期安定性に影響を与えます。-
Cu金属：抵抗は低いですが、拡散が強いです。バリア層がないと半導体層が汚染されやすく性能低下につながります。
絶縁層 (SiNx): Na+ イオン、水蒸気、酸素の侵入を効果的にブロックします。質量が不足するとデバイスの性能が急激に低下します。
活性層（a-Si）: 長時間の使用中にしきい値電圧のドリフトが発生し、その結果、駆動電圧の需要が増加し、ディスプレイの輝度とコントラストが低下し、耐用年数が短くなります。
LCD の仕事において、TFT 基板は画像の表示効果を決定するだけでなく、解像度、明るさ、コントラスト、消費電力、信頼性にも直接影響します。全体として、TFT 基板は LCD 技術の基礎であるだけでなく、パネルの性能向上とプロセスの進化の鍵でもあります。
