ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับสารตั้งต้น TFT ใน LCD
แผงจอแสดงผล LCD TFT- LCD ที่สมบูรณ์จะถูกแบ่งตามกระบวนการผลิต และสามารถแบ่งคร่าวๆ ออกเป็นสามส่วนกระบวนการ ได้แก่: ส่วนกระบวนการอาร์เรย์อาร์เรย์ ส่วนกระบวนการกรองสี CF และส่วนกระบวนการชนิดบรรจุกล่อง ส่วนกระบวนการอาร์เรย์อาร์เรย์คือสิ่งที่เรามักเรียกว่าการผลิตซับสเตรตกระจก TFT
วัสดุพิมพ์ TFT เป็นส่วนประกอบหลักของแผง TFT-LCD และทำหน้าที่สำคัญในการควบคุมสวิตช์พิกเซลและการขับกระแส บทความนี้จะเน้นที่โครงสร้างและองค์ประกอบของซับสเตรตอาร์เรย์ TFT- ลักษณะเฉพาะของ-Si TFT และผลกระทบของซับสเตรต TFT ต่อประสิทธิภาพของ LCD
1. โครงสร้างและองค์ประกอบของสารตั้งต้น TFT
หน่วยขับเคลื่อนหลักของ TFT-LCD คืออาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง (TFT Array) และแต่ละพิกเซลจะถูกควบคุมโดยสวิตช์ TFT ที่เป็นอิสระ เพื่อให้บรรลุฟังก์ชันนี้ วัสดุพิมพ์ TFT ใช้การออกแบบโครงสร้างหลาย- โดยแต่ละชั้นของวัสดุและอิเล็กโทรดมีบทบาทที่แตกต่างกัน
โดยรวมแล้ว TFT สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: โครงสร้างประตูด้านบนและโครงสร้างประตูด้านล่าง ปัจจุบัน โซลูชันหลักสำหรับแผง LCD คือโครงสร้างประตูด้านล่าง TFT ซึ่งมีกระบวนการที่สมบูรณ์และมีเสถียรภาพสูง และเหมาะสำหรับ-การผลิตจำนวนมาก
ในกระบวนการ 6 Mask โดยทั่วไป สารตั้งต้น TFT ที่มีโครงสร้างเกตด้านล่างประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังต่อไปนี้:
1. พื้นผิวกระจก
เนื่องจากเป็นแพลตฟอร์มสนับสนุนทางกายภาพสำหรับอาเรย์ทั้งหมด จึงมอบรากฐานที่เรียบและโปร่งใส
จำเป็นต้องมีขนาดที่เสถียรและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนเล็กน้อย เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของกระบวนการสะสมฟิล์มบางและกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีในภายหลัง
2. อิเล็กโทรดเกท (เกทอิเล็กโทรด)
โดยทั่วไปแล้ว จะใช้วัสดุโลหะ (เช่น Mo, Al หรือโลหะผสม)
ด้วยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเกต สถานะเปิด- หรือปิดของ TFT จะถูกกำหนด ซึ่งเทียบเท่ากับ "ขั้วต่อควบคุมของสวิตช์"
3. ฉนวนประตู
วัสดุที่ใช้กันทั่วไปที่คลุมเกตคือ SiNx หรือ SiO₂
หน้าที่ของมันคือการแยกทางไฟฟ้า ป้องกันไม่ให้เกตสัมผัสโดยตรงกับชั้นเซมิคอนดักเตอร์ด้านบน และในขณะเดียวกันก็ทำให้มั่นใจได้ว่าสนามไฟฟ้าของเกตสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ทางอิเล็กทรอนิกส์ของบริเวณช่องสัญญาณเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
4. เลเยอร์ที่ใช้งานอยู่ (Active layer)
นี่คือแกนหลักของประสิทธิภาพของ TFT ซึ่งโดยปกติจะประกอบด้วยชั้นเซมิคอนดักเตอร์และชั้นหน้าสัมผัสแบบโอห์มมิก:
ชั้นเซมิคอนดักเตอร์มีหน้าที่ในการส่งสัญญาณของพาหะและเป็นส่วนประกอบหลักของบริเวณช่องสัญญาณ
ชั้นสัมผัสแบบโอห์มมิกใช้เพื่อลดความต้านทานการสัมผัสระหว่างแหล่งกำเนิดและอิเล็กโทรดเดรนและเซมิคอนดักเตอร์
ในอุตสาหกรรม TFT-LCD ในปัจจุบัน -Si (ซิลิคอนอสัณฐาน) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
กระบวนการ -Si TFT เติบโตเต็มที่และมีต้นทุนต่ำ มีการใช้กันมากที่สุดในแผงจอแสดงผล TFT ระดับกลาง- และระดับต่ำ-สุดท้าย-
แม้ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนของ-Si ค่อนข้างต่ำ แต่ผลผลิตของกระบวนการที่สูงและความคล่องตัวสูงในอุปกรณ์การผลิต ทำให้ยังคงเป็นตัวเลือกหลักสำหรับ TFT-LCD
แผนภาพเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนอสัณฐาน-
นอกจาก-Si แล้ว ยังมีวัสดุใหม่ๆ เช่น โพลี-เซมิคอนดักเตอร์ Si และออกไซด์ แต่มีการใช้มากกว่าในแผงแสดงผลที่มีความละเอียดสูง-หรือ-วัตถุประสงค์พิเศษ
5. แหล่งที่มาและท่อระบายน้ำ
กระจายทั้งสองด้านของชั้นที่ใช้งานอยู่และประกอบด้วยวัสดุโลหะ
แหล่งที่มาเชื่อมต่อกับสายข้อมูลและส่งแรงดันไฟฟ้าสัญญาณอินพุตไปยังพื้นที่ช่องสัญญาณ
อิเล็กโทรดเดรนเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดพิกเซลและส่งสัญญาณแรงดันไปยังหน่วยพิกเซลคริสตัลเหลว
6. ชั้นฉนวนชั้นกลาง (ชั้นทู่, PVX)
ครอบคลุมเหนือโครงสร้าง TFT โดยมีบทบาทในการป้องกันและแยกออกจากกัน
ป้องกันความชื้น ออกซิเจน หรือความเครียดเชิงกลไม่ให้ก่อให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ TFT ในขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงการลัดวงจรจากแหล่งกำเนิดและระบายอิเล็กโทรดไปยังอิเล็กโทรดพิกเซลด้านบน
7. อิเล็กโทรดพิกเซล (ITO ครั้งที่ 1)
ทำจากวัสดุนำไฟฟ้าโปร่งใส (โดยทั่วไปคือ ITO, อินเดียมทินออกไซด์)
เชื่อมต่อกับท่อระบายน้ำ ใช้แรงดันไฟฟ้าสัญญาณข้อมูลกับชั้นผลึกเหลว และควบคุมสถานะแสงของจุดพิกเซลโดยตรง
8. อิเล็กโทรดทั่วไป (อิเล็กโทรด ITO ที่ 2, COM)
ตรงข้ามกับอิเล็กโทรดพิกเซล โดยปกติจะอยู่ที่พื้นผิวกระจกด้านบน
สนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดร่วมและอิเล็กโทรดพิกเซล และแรงกระทำถูกนำไปใช้กับโมเลกุลคริสตัลเหลวเพื่อเปลี่ยนการจัดเรียง จึงทำให้เกิดการมอดูเลตแสงได้
หลักการแสดงผลของ TFT-LCD
ในวัสดุพิมพ์ TFT ทั้งหมด หน่วย TFT ดังกล่าวหลายล้านหน่วยถูกจัดเรียงเป็นแถว-เมทริกซ์คอลัมน์ เส้นเกตในทิศทางของแถวมีหน้าที่ในการสแกนแบบโปรเกรสซีฟ และเส้นข้อมูลในทิศทางของคอลัมน์มีหน้าที่ในการส่งสัญญาณแรงดันไฟ ที่จุดตัดของทั้งสอง จะมี TFT และพิกเซลคริสตัลเหลวที่สอดคล้องกันอยู่ เมื่อแรงดันไฟฟ้าพิกเซลทั้งหมดถูกเขียนและบำรุงรักษาทีละบรรทัด แผง LCD ทั้งหมดจะสามารถแสดงภาพที่สมบูรณ์ได้
2. หลักการทำงานของสารตั้งต้น TFT ใน LCD
1. ฟังก์ชั่นของ TFT เป็นสวิตช์
แต่ละพิกเซลมาพร้อมกับ TFT ซึ่งเทียบเท่ากับสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์
เมื่อสัญญาณสแกนทำงานที่ประตู TFT จะเปิดขึ้น และแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งกำเนิดจะถูกถ่ายโอนไปยังท่อระบายน้ำ จากนั้นจ่ายไปที่อิเล็กโทรดพิกเซล
เมื่อสัญญาณเกตถูกลบออก TFT จะถูกปิดและแรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดพิกเซลจะคงอยู่เป็นระยะเวลาหนึ่ง ดังนั้นจึงรักษาสถานะการวางแนวของโมเลกุลผลึกเหลว
2. การเปลี่ยนแปลงการวางแนวของโมเลกุลผลึกเหลว
วัสดุผลึกเหลวมีเอฟเฟกต์ทางแสง-ทางไฟฟ้า และโมเลกุลของพวกมันจะถูกจัดเรียงใหม่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า
แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันสอดคล้องกับมุมเอียงของโมเลกุลที่แตกต่างกัน ซึ่งจะทำให้ความสามารถในการมอดูเลตของชั้นผลึกเหลวเป็นแสงจะเปลี่ยนไปด้วย
3. การส่งผ่านและการควบคุมแสง
ชั้นคริสตัลเหลวถูกประกบอยู่ระหว่างพื้นผิวกระจกด้านบนและด้านล่าง และโพลาไรเซอร์ก็ถูกจัดเรียงไว้ที่ด้านบนและด้านล่างด้วย
เมื่อการวางแนวของโมเลกุลผลึกเหลวเปลี่ยนไป สถานะโพลาไรเซชันของแสงจะเปลี่ยนไปตามนั้น และการส่งผ่านก็เปลี่ยนไปหลังจากผ่านโพลาไรเซอร์
ด้วยวิธีนี้ สามารถปรับแสงและความมืดของพิกเซลได้โดยการควบคุมขนาดแรงดันไฟฟ้า
4. ใช้ร่วมกับแสงไฟและจอสี
ตัว LCD เองไม่ปล่อยแสง และแหล่งกำเนิดแสงที่จำเป็นสำหรับจอแสดงผลนั้นมาจากโมดูลแบ็คไลท์
วัสดุพิมพ์ TFT จะกำหนดปริมาณแสงที่ส่องผ่านโดยการควบคุมการส่งผ่านพิกเซลคริสตัลเหลว
ในเวลาเดียวกัน แต่ละพิกเซลจะถูกปกคลุมด้วยฟิลเตอร์สีแดง เขียว และน้ำเงิน (RGB) ด้วยการปรับการส่งผ่านแสงของพิกเซลย่อยทั้งสาม- จะสามารถผสมกันเพื่อสร้างภาพสีที่สมบูรณ์-ได้
5. วิธีการขับเคลื่อนโดยรวม
เส้นเกตจะถูกสแกนอย่างต่อเนื่อง และเส้นสัญญาณจะถูกโหลดด้วยแรงดันไฟฟ้าทีละคอลัมน์
เมื่อสแกนไปยังบรรทัดใดบรรทัดหนึ่ง TFT ทั้งหมดในบรรทัดนั้นจะเปิดพร้อมกัน และแรงดันไฟฟ้าของสายสัญญาณจะถูกเขียนไปยังพิกเซลที่เกี่ยวข้อง
หลังจากบรรทัดนี้เสร็จสิ้น เส้นสแกนจะไปยังบรรทัดถัดไปจนกว่าทั้งหน้าจอจะรีเฟรช
กระบวนการของวงจรความเร็วสูง-นี้สามารถสร้างการแสดงภาพไดนามิกอย่างต่อเนื่อง
3. อิทธิพลของสารตั้งต้น TFT ต่อประสิทธิภาพของ LCD
เนื่องจากเป็นชั้นขับเคลื่อนหลักของแผง LCD พื้นผิว TFT จึงเป็นวัสดุ โครงสร้าง และคุณลักษณะทางไฟฟ้าที่กำหนดประสิทธิภาพหลักของอุปกรณ์แสดงผลโดยตรง เช่น ความละเอียด ความสว่าง คอนทราสต์ การใช้พลังงาน และอายุการใช้งาน ข้อมูลต่อไปนี้จะอธิบายได้จากประเด็นหลักหลายประการ
1. ความละเอียด
พื้นผิวแก้ว: ยิ่งความเรียบของพื้นผิวสูงเท่าไร ความแม่นยำของกราฟิกของอิเล็กโทรดพิกเซลและอาร์เรย์ TFT ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ซึ่งเอื้อต่อการบรรลุหน่วยพิกเซลที่เล็กลงและรองรับความละเอียดสูงขึ้น
ชั้นที่ใช้งานอยู่ (a-Si): การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนของ -Si ต่ำ (0.3–1 cm²/V·s) ซึ่งจำกัดความสามารถในการขับขี่ของ TFT เมื่อความหนาแน่นของพิกเซลเพิ่มขึ้น -Si จะชาร์จอย่างรวดเร็วได้ยาก และการปรับปรุงความละเอียดก็ถูกจำกัด หากใช้ LTPS หรือ Oxide TFT ความคล่องตัวของเลเยอร์ที่ใช้งานอยู่จะสูงขึ้น และสามารถทำการแสดง PPI ที่สูงขึ้นได้
ร่องรอยของโลหะ (อิเล็กโทรดเกต แหล่งกำเนิด และท่อระบาย): ความกว้างของร่องรอยและความต้านทานส่งผลโดยตรงต่ออัตราการเปิดพิกเซล โลหะที่มีความต้านทานสูงบังคับให้ร่องรอยขยายขึ้น จึงกินพื้นที่พิกเซลและลดความละเอียดลง Cu ความต้านทานต่ำสามารถส่งสัญญาณที่ความกว้างของเส้นที่เล็กลงและปรับปรุงการใช้งานพิกเซล
2. ความสว่างและการส่งผ่าน
Pixel Electrode (ITO): การส่งผ่านแสงและความต้านทานของ ITO จะกำหนดอัตราการใช้งานของแบ็คไลท์ การส่งผ่านแสงสูงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของแสงที่ส่องผ่านพิกเซลได้ ในขณะที่ค่าการนำไฟฟ้าสูงช่วยให้มั่นใจได้ถึงการกระจายสัญญาณที่สม่ำเสมอบน-พิกเซลในพื้นที่ขนาดใหญ่
แหล่งกำเนิดและระบายร่องรอยโลหะ: หากร่องรอยกว้างเกินไป มันจะปิดกั้นพื้นที่พิกเซล ลดพื้นที่การส่งผ่านแสง (ลดอัตราการเปิด) และลดความสว่าง Cu ถูกใช้แทน Al ซึ่งสามารถลดความกว้างของร่องรอยในขณะที่ลดความต้านทาน จึงทำให้อัตราการเปิดเพิ่มขึ้น
ชั้นฉนวน (SiNx, SiO₂): ลักษณะความเรียบของพื้นผิวและความเค้นของชั้นฉนวนส่งผลต่อการวางแนวของโมเลกุลผลึกเหลว หากพื้นผิวไม่เรียบ จะนำไปสู่การจัดเรียงผลึกเหลวที่ผิดปกติ ซึ่งช่วยลดการส่งผ่านแสง
3. ประสิทธิภาพคอนทราสต์และระดับสีเทา
เลเยอร์ที่ใช้งานอยู่ (a-Si): อัตราส่วนการสลับของ TFT ได้รับผลกระทบจากวัสดุ อัตราส่วนการสลับของ -Si ค่อนข้างต่ำ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะสร้างกระแสรั่วไหลขนาดใหญ่ ส่งผลให้แสงรั่วไหลเล็กน้อยในสถานะสนามสีดำ ส่งผลให้คอนทราสต์ลดลง
ชั้นฉนวน (SiNx, SiO₂): ชั้นฉนวนคุณภาพสูง-สามารถลดเส้นทางการรั่วไหลและปรับปรุงการกักเก็บแรงดันไฟฟ้าของพิกเซลได้ ดังนั้นจึงรักษาการแสดงผลระดับสีเทาที่เสถียร
อิเล็กโทรดพิกเซล (ITO): ความสม่ำเสมอของความต้านทานของชั้นฟิล์ม ITO จะส่งผลต่อความสม่ำเสมอของแรงดันไฟฟ้าของพิกเซลต่างๆ หากค่าความต้านทานไม่เท่ากัน จะนำไปสู่ประสิทธิภาพที่แตกต่างกันของระดับสีเทาในท้องถิ่น ซึ่งจะลดความสม่ำเสมอของจอแสดงผลและคอนทราสต์โดยรวม
4. ผลกระทบของความเร็วในการตอบสนอง
เลเยอร์ที่ใช้งาน (a-Si): การเคลื่อนตัวของ -Si ต่ำและความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนช้า ส่งผลให้การชาร์จและการคายประจุพิกเซลใช้เวลานาน และโดยทั่วไปอยู่ที่ระดับมิลลิวินาที ซึ่งไม่เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่มีอัตราการรีเฟรชสูง ความคล่องตัวสูงของ LTPS หรือ Oxide TFT ช่วยลดเวลาตอบสนองได้อย่างมาก
รอยโลหะ: ความต้านทานการติดตามสูงเกินไปจะทำให้เกิดความล่าช้าในการส่งสัญญาณและส่งผลต่อการตอบสนองของพิกเซล การใช้วัสดุที่มีความต้านทานต่ำ-สามารถลดความล่าช้าของสัญญาณและปรับปรุงความเร็วในการตอบสนองได้
ตัวเก็บประจุปรสิต (พิจารณาจากโครงร่างโลหะและฉนวนเกต): เมื่อตัวเก็บประจุปรสิตมีขนาดใหญ่เกินไป จะใช้เวลาชาร์จพิกเซลนานขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพการตอบสนองระดับสีเทาลดลง การออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมและการเพิ่มประสิทธิภาพความหนาของชั้นฉนวนจะช่วยลดความจุของปรสิต
5. ผลกระทบของการใช้พลังงาน
จ่ายโลหะและระบายโลหะ (Al, Mo, Cu): วัสดุที่มีความต้านทานต่ำสามารถลดการสูญเสียการส่งสัญญาณและขับเคลื่อนการใช้พลังงานได้ เนื่องจากความต้านทานต่ำ Cu จึงมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการลดการใช้พลังงาน
เลเยอร์ที่ใช้งาน (a-Si): กระแสรั่วไหลมีขนาดใหญ่ แรงดันไฟฟ้าพิกเซลจะลดลงได้ง่าย และจำเป็นต้องใช้ความถี่ในการรีเฟรชที่สูงขึ้นเพื่อรักษาภาพที่เสถียร ซึ่งจะเป็นการเพิ่มการใช้พลังงานโดยรวม
อิเล็กโทรดพิกเซล (ITO): อิเล็กโทรดส่งผ่านแสงสูงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้แสงได้ ภายใต้ข้อกำหนดด้านความสว่างเดียวกัน พลังงานแบ็คไลท์สามารถลดลงได้ จึงช่วยลดการใช้พลังงาน
6. ผลกระทบของความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งาน
โลหะเกต (Al): Hilllock (ส่วนที่ยื่นออกมาเล็กน้อย) เกิดขึ้นได้ง่ายที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรหรือไฟฟ้าขัดข้องของวงจรเปิด ส่งผลต่อเสถียรภาพ-ในระยะยาว
โลหะ Cu: แม้ว่าความต้านทานจะต่ำ แต่ก็มีการแพร่กระจายที่รุนแรง หากไม่มีชั้นกั้น ก็จะเกิดการปนเปื้อนในชั้นเซมิคอนดักเตอร์ได้ง่ายและส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง
ชั้นฉนวน (SiNx): สามารถป้องกันการแทรกซึมของ Na⁺ ไอออน ไอน้ำ และออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากมวลไม่เพียงพอก็จะทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลงอย่างรวดเร็ว
เลเยอร์ที่ใช้งาน (a-Si): การเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์เกิดขึ้นในช่วงเวลาทำงานที่ยาวนาน ส่งผลให้ความต้องการแรงดันไฟฟ้าในการขับขี่เพิ่มขึ้น ความสว่างและคอนทราสต์ของจอแสดงผลลดลง และอายุการใช้งานสั้นลง
ในการทำงานของ LCD วัสดุพิมพ์ TFT ไม่เพียงแต่กำหนดเอฟเฟกต์การแสดงผลของภาพเท่านั้น แต่ยังส่งผลโดยตรงต่อความละเอียด ความสว่าง คอนทราสต์ การใช้พลังงาน และความน่าเชื่อถืออีกด้วย โดยรวมแล้ว วัสดุพิมพ์ TFT ไม่เพียงแต่เป็นพื้นฐานของเทคโนโลยี LCD เท่านั้น แต่ยังเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของแผงและวิวัฒนาการกระบวนการอีกด้วย
