Tecnología LCD de transistores

Estructura TFT-LCD. Las pantallas de cristal líquido con transistores de película delgada se componen de tres componentes principales: pantalla, luz de fondo y circuito de accionamiento.

La pantalla TFT-LCD incluye un sustrato de vidrio, una película de filtro de color y material de cristal líquido. El proceso de preparación del sustrato de vidrio de matriz consiste en: utilizar tres máscaras de fotolitografía, primero depositar continuamente una película de ITO (espesor de 20 ~ 50 nm) y una película de Cr (espesor de 50 ~ 100 nm) sobre el sustrato de vidrio y los patrones de fotolitografía, y luego depositar continuamente la película de puerta aislante SiN. : (espesor de aproximadamente 400 nm), y luego a-Si intrínseco (espesor de 50 ~ 100 nm) m) y Se utiliza una capa de n+a-Si y un patrón de fotolitografía (método seco) para depositar la película de Al, fotolitografía del electrodo de fuente de drenaje y, finalmente, utilizando el electrodo de fuente de drenaje como máscara, grabado autoalineado del Cr. película y TFT en el electrodo de píxel película n+a-Si entre la fuente y el drenaje. Este es el sencillo proceso de fabricación de la estructura escalonada inversa TFT. El siguiente paso es aplicar una capa de alineación de poliimida sobre el sustrato de vidrio y frotarlo con una franela en una dirección determinada para formar canales finos en la misma dirección en la superficie de la capa de alineación para controlar la alineación de las moléculas de cristal líquido. Bajo la condición de que las direcciones de las ranuras de orientación superior e inferior de los dos sustratos de vidrio sean ortogonales, los dos sustratos de vidrio se sellan en una caja. El espacio entre las cajas es generalmente de sólo unas pocas micras (como 10 μm) y luego el material de cristal líquido se evacua y se llena.

El filtro de color (filtro de color) se conoce como CF. La pantalla a color de TFT-LCD en realidad utiliza luz que pasa a través del sustrato de la matriz para iluminar la película en color, y la pantalla puede mostrar colores. La película de filtro de color (como celofán de color) se puede hacer encima del electrodo transparente (entre el electrodo transparente y la capa de cristal líquido), o debajo del electrodo transparente (entre el electrodo transparente y el vidrio), con la parte superior e inferior. sustratos de vidrio y CF La precisión de alineación de la película es muy alta, lo que requiere que la matriz en blanco y negro de la película CF esté exactamente alineada con el borde del electrodo de píxel ITO. La película CF se adhiere a la superficie de la celda de cristal líquido y luego la celda de cristal líquido se intercala entre dos polarizadores incoloros. El principio de visualización en color se puede describir brevemente de la siguiente manera: divida un píxel de TFT-LCD en tres colores primarios de rojo, verde y azul (R, G, B) y correspondan al RGB de la película CF. La pantalla LCD que actúa como válvula de luz controla la transmisión de luz. Los tres colores de luz de la película CF se equilibran y ajustan para obtener el color deseado. Si la luz incidente que pasa a través de la película CF se filtra, afectará el contraste del TFT-LCD, por lo que se debe instalar una matriz negra protectora de luz (Black Matrix), denominada BM, en el espacio. Para mayor estabilidad y suavidad, se utilizan resina acrílica y resina epoxi para formar una capa protectora (oe cota) con un espesor de 0,5 a 2 μm, denominada OC. Sobre esta capa protectora se forma entonces un electrodo común, una película de electrodo transparente. La capa de BM suele estar compuesta de cromo metálico (Cr). Para reducir la reflexión de la superficie, también se utiliza óxido de cromo (CrOx) o resina. El espesor del cromo metálico es de aproximadamente 1000 a 1500 angstroms y se colorea con resina, tinte o pigmento como una capa coloreada. El patrón de color de cada píxel difiere según el propósito del TFT-LCD. Por ejemplo, se puede disponer en tiras, mosaicos, triángulos, etc. Las características de la película CF se expresan en transmitancia, pureza del color, contraste y baja reflexión, por lo que los requisitos para la película CF son: alta transmitancia y pureza del color; alto contraste y planitud, y reflexión difusa extremadamente baja.

Material de cristal líquido. Según estadísticas incompletas, existen más de 10.000 tipos de compuestos poliméricos que pueden utilizarse como materiales de cristal líquido. Suele ser difícil utilizar un tipo de material de cristal líquido que cumpla con los principales indicadores técnicos, como el rango de temperatura, el coeficiente elástico, la constante dieléctrica, la anisotropía del índice de refracción y la viscosidad requerida por el dispositivo. En ingeniería, se deben utilizar cristales líquidos mixtos para modular las propiedades físicas. Los materiales de cristal líquido representativos de uso común se pueden dividir en tres categorías principales según las diferentes direcciones de disposición molecular: uno es el cristal líquido nemático. En este material de cristal líquido, los ejes largos de las moléculas son paralelos y las moléculas no sólo pueden girar y deslizarse, sino también moverse hacia arriba y hacia abajo; el segundo es cristal líquido colestérico. En este tipo de material de cristal líquido, las moléculas están orientadas en diferentes planos. En el mismo plano, el eje mayor de las moléculas es paralelo al director de cada plano y gira capa por capa para mostrar un cambio en espiral; el tercero es cristal líquido de fase cercana.

Este tipo de material de cristal líquido tiene moléculas dispuestas en forma de capas. Los ejes largos de las moléculas en cada capa son paralelos y pueden moverse paralelos entre sí, pero las moléculas no pueden deslizarse libremente entre las capas. Las principales características de los materiales de cristal líquido son: tienen una estructura molecular delgada y la conductividad eléctrica de su capa, la constante dieléctrica y el índice de refracción son diferentes en dos direcciones perpendiculares y paralelas al director molecular, y varían con las condiciones externas como la temperatura y frecuencia de conducción. cambiar. Además, la anisotropía del índice de refracción es grande y la celda de cristal líquido se puede hacer más delgada mientras se produce el mismo efecto óptico. La intensidad del campo eléctrico al mismo voltaje puede acelerar la velocidad de respuesta de la celda de cristal líquido.

Retroiluminación TFT-LCD. El cristal líquido en sí no emite luz y se debe aplicar iluminación externa. Esta iluminación externa se llama luz de fondo. La retroiluminación de una pantalla LCD se puede dividir aproximadamente en tres tipos: tipo de borde, tipo directo y tipo autoiluminado según la posición relativa de la superficie de la pantalla de cristal líquido y la fuente de luz. Las lámparas incandescentes y las lámparas halógenas blancas son fuentes de luz puntuales, las lámparas fluorescentes (cátodos calientes, cátodos fríos) son fuentes de luz lineales y la electroluminiscencia (EL) y los diodos emisores de luz matriciales son fuentes de luz superficiales. Las luces de fondo de borde son lámparas fluorescentes que ensamblan fuentes de luz lineales en los lados del área de visualización. Para garantizar la uniformidad del brillo en el área de visualización, las luces de fondo de tipo borde adoptan medidas de captación y guía de luz. La colección de luz debe hacer que la luz incidente se emita efectivamente desde un lado, y la guía de luz debe reflejar la luz emitida desde la colección para convertirla en una fuente de luz plana; la luz de fondo directa está directamente debajo del área de visualización, equipada con 1 o varias lámparas de cátodo frío una al lado de la otra están equipadas con placas de dispersión difusa en la parte superior de las lámparas de cátodo frío para eliminar las manchas causadas por las lámparas de cátodo frío; la retroiluminación autoiluminada está equipada con una placa electroluminiscente debajo del área de visualización. La electroluminiscencia es luminiscencia superficial, que puede emitir luz uniformemente en toda la superficie sin manchas. Los colores de luminiscencia son verde, azul y blanco y el brillo es de 30 a 100 nits. La tendencia de desarrollo de la retroiluminación TFT-LCD es: pantalla grande, alto brillo, amplio ángulo de visión, delgadez, peso ligero, bajo consumo de energía y bajo precio. .

Circuito de accionamiento TFT-LCD. Para mostrar gráficos arbitrarios, TFT-LCD utiliza una pantalla de matriz de escaneo progresivo con m×n puntos dispuestos. Al diseñar el circuito de accionamiento, primero debemos considerar que la electrólisis del cristal líquido provocará el deterioro del material del cristal líquido. Para garantizar la longevidad, generalmente se utiliza un variador de frecuencia. Los modos de conducción que se han formado incluyen: modo de selección de voltaje, modo rampa, modo DAC y modo analógico, etc. Dado que TFT-LCD se utiliza principalmente en computadoras portátiles, el circuito de conducción se divide aproximadamente en: circuito de control de señal, circuito de alimentación, circuito de voltaje de escala de grises, circuito de accionamiento de electrodo común, circuito de accionamiento de línea de datos y circuito de accionamiento de línea de direccionamiento (IC de accionamiento de compuerta).

Las funciones principales del circuito de control mencionado anteriormente son: el circuito de control de señales suministra señales digitales, señales de control y señales de reloj al IC digital, y suministra señales de control y señales de reloj al IC de control de puerta; el circuito de alimentación suministra el voltaje de alimentación requerido al IC digital y al IC de conducción de puerta; el circuito de voltaje gris suministra los 10 voltajes grises generados por el circuito de control digital al controlador de datos respectivamente; común El circuito de activación del electrodo suministra el voltaje común al electrodo compartido en relación con el electrodo de píxel; el circuito de control de línea de datos bloquea cada dato de visualización de 6 bits y señal de reloj de la señal RGB enviada desde el circuito de control de señal en una secuencia de temporización y los continúa internamente, y luego estos datos de visualización se convierten en una señal analógica mediante un procesador de 6 bits. Convertidor DA, y luego convertido en una impedancia por el circuito de salida y suministrado a la línea de datos de la pantalla LCD; el circuito de accionamiento de puerta cambia la señal de reloj del circuito de control de señal al voltaje de ENCENDIDO/APAGADO del circuito de salida a través de la acción de conversión del registro de desplazamiento y luego lo aplica a la pantalla LCD en secuencia. Finalmente, el circuito de accionamiento se ensambla en la TAB (placa de circuito flexible de soldadura automática) y se conecta a la pantalla LCD mediante ACF (película adhesiva conductora anisotrópica) y TCP (cinta flexible del circuito de accionamiento).

Principio de funcionamiento TFT-LCD. Primero, se presenta el principio de visualización. El principio de la pantalla de cristal líquido se basa en la característica de que la transmitancia de luz del cristal líquido cambia con la magnitud del voltaje que se le aplica. Cuando la luz pasa a través del polarizador superior, se convierte en luz polarizada linealmente. La dirección de polarización es consistente con la dirección de vibración del polarizador y es consistente con el orden de disposición de las moléculas de cristal líquido en los sustratos de vidrio superior e inferior. Cuando la luz atraviesa la capa de cristal líquido, la luz polarizada linealmente se descompone en dos haces de luz debido a la refracción del cristal líquido. Y debido a que los dos haces de luz se propagan a diferentes velocidades (con la misma fase), cuando los dos haces de luz se combinan, la dirección de vibración de la luz vibrante cambiará inevitablemente. La luz que pasa a través de la capa de cristal líquido se distorsiona gradualmente. Cuando la luz alcanza el polarizador inferior, la dirección de vibración de su eje óptico se tuerce 90 grados y permanece consistente con la dirección de vibración del polarizador inferior. De esta forma, la luz pasa a través del polarizador inferior para formar un campo brillante. Después de aplicar voltaje, el cristal líquido se orienta bajo la acción del campo eléctrico y la distorsión desaparece. En este momento, la luz linealmente polarizada que pasa a través del polarizador superior ya no gira en la capa de cristal líquido y no puede pasar a través del polarizador inferior para formar un campo oscuro. Se puede ver que el cristal líquido en sí no emite luz y puede visualizarse bajo la modulación de una fuente de luz externa. Durante todo el proceso de visualización, el cristal líquido actúa como una válvula de luz controlada por voltaje. El principio de funcionamiento de TFT-LCD se puede describir brevemente como: cuando el voltaje directo de la puerta es mayor que el voltaje aplicado, el electrodo de fuente de drenaje se enciende, y cuando el voltaje directo de la puerta es igual a 0 o voltaje negativo, el drenaje -El electrodo fuente está apagado. El electrodo de drenaje está conectado al electrodo de píxel ITO, el electrodo fuente está conectado a la línea fuente (electrodo de columna) y el electrodo de compuerta está conectado a la línea de compuerta (electrodo de fila). Este es el principio de funcionamiento simple de TFT-LCD.

Tecnologías clave de TFT-LCD. Hay muchas tecnologías clave para LCD TFT, incluyendo principalmente los siguientes aspectos principales:

El primero es mejorar la tecnología de la tasa de apertura. La relación de apertura se refiere a la relación entre la parte transmisora de luz y la parte opaca de la pantalla TFT-LCD. Cuanto mayor sea la relación de apertura, mayor será el brillo. Los principales factores que afectan la relación de apertura son el ancho de la puerta y del bus fuente, el tamaño del TFT, la precisión de alineación de la caja del sustrato superior e inferior, el tamaño del condensador de almacenamiento y el tamaño de la matriz negra, etc. Para mejorar la relación de apertura, el método adoptado es hacer tanto la matriz en blanco y negro como el filtro de color en el sustrato TFT. Este método evita la disminución en la relación de apertura causada por la precisión de alineación de la caja, pero el rendimiento no es muy alto y el costo aumentará en consecuencia. El otro es el bus puerta-fuente, que utiliza tecnología de micromecanizado de circuitos integrados. En la década de 1990, la matriz TFT fue micromecanizada a aproximadamente 10 μm, con una tasa de apertura del 35%. Cuando el micromecanizado alcanzó los 5 μm, la tasa de apertura fue del 80%. El tercero es utilizar tecnología de litografía autoalineada.

El objetivo principal es eliminar la capacitancia parásita formada por la superposición de la compuerta, la fuente y el drenaje. Utilizando tecnología de fotolitografía autoalineada, el electrodo de puerta se utiliza como máscara para fotograbar n+a-Si y los electrodos de fuente y drenaje para reducir la superposición entre la puerta y los electrodos de fuente. El último paso es mejorar los materiales de entrada y de origen. Para aumentar la relación de apertura, el ancho del bus debe mantenerse lo más pequeño posible, pero se debe considerar el problema del contraste reducido debido a la resistencia excesiva del bus, el retraso de la señal de entrada y la conducción insuficiente. Normalmente, el metal Cr o MoTa se reviste con Al, de modo que se puede obtener un bus de baja resistencia.

El segundo es la tecnología que amplía las perspectivas. La anisotropía de las moléculas de cristal líquido determina la diferente distribución espacial de las moléculas de cristal líquido y las diferentes transmitancias de luz en diferentes ángulos sólidos. Esta es una razón importante para el contraste desigual de la pantalla. Por lo tanto, ampliar el ángulo de visión es una de las cuestiones clave en la tecnología de pantallas de cristal líquido. Las medidas técnicas generalmente adoptadas incluyen: tecnología de membranas de compensación. en el pantalla LCD, se adjuntan una película de difusión de luz y una película de compensación de intensidad de luz para difundir la luz que pasa a través de la pantalla LCD de manera uniforme y compensar la intensidad de la luz en ciertos ángulos. Además, se utiliza tecnología multidominio para dividir más de dos áreas diferentes de disposición de moléculas de cristal líquido dentro del píxel para formar una orientación de moléculas de cristal líquido multidominio, logrando así el propósito de ampliar el ángulo de visión. Las tecnologías de ampliación de ángulos de visión también incluyen métodos y medidas como IPS y ASM.

El tercero es simplificar el proceso de matriz TFT. Generalmente, el número de tiempos de grabado para el proceso de matriz TFT es de 7 a 9 veces. El flujo del proceso es demasiado largo, lo que afecta la tasa de calificación del producto y la capacidad de producción. La literatura extranjera informa que hubo cuatro procesos de superposición, lo que representa la mitad del número de procesos de matriz TFT convencionales.

Por supuesto, las tecnologías clave de las pantallas de cristal líquido no son sólo los tres aspectos anteriores, sino que son las tecnologías más críticas que afectan la calidad de TFT-LCD. Otras tecnologías clave no se discutirán aquí.