TFTLCDディスプレイはどのように機能しますか

TFT LCDとは何ですか?

A TFT LCD 、または薄膜トランジスタ液晶ディスプレイは、今日最も急速に成長しているディスプレイ技術のXNUMXつです。 薄膜トランジスタ(TFT)は、製品の効率、コンパクトさ、およびコストを向上させるためにディスプレイ技術で使用される半導体デバイスの一種です。 その半導体特性と併せて、TFT LCDはアクティブマトリックスディスプレイであり、ピクセルを受動的ではなく個別に能動的に制御し、この半導体デバイスの利点を促進します。

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フラットパネル技術、特に液晶ディスプレイ(LCD)と組み合わせて、 TFTディスプレイは成長しました ディスプレイ画面やパソコンモニターやスマートフォンなどの液晶モニターで幅広く人気があります。 この開発により、CRTとしても知られるブラウン管は、ディスプレイの分野でより軽量でかさばらないLCDが引き継がれるにつれて、過去に陥り始めました。 現代の高解像度で高品質のディスプレイは、主にLCD内でTFTテクノロジーを使用しています。

 

TFTLCDの構造

TFT LCDは、XNUMXつの主要な層で構成されています。 XNUMXつのサンドイッチ層はガラス基板で構成されていますが、XNUMXつはTFTを含み、もうXNUMXつはRGBまたは赤緑青のカラーフィルターを備えています。 ガラス層間の層は液晶層である。

 

図1: TFTLCDディスプレイで使用されるさまざまなレイヤーとコンポーネントの視覚的な図。

  TFTガラス基板層 デバイスの回路基板の最深層または最背面層です。 非結晶構造のシリコンの一種であるアモルファスシリコンでできています。 次に、このシリコンは実際のガラス基板上に堆積されます。 この層のTFTは、各サブピクセルに個別にペアになっています(参照 TFTピクセルのアーキテクチャ 以下)デバイスの他の基板層から、それぞれのサブピクセルに印加される電圧の量を制御します。 この層はまた、基板と液晶層との間にピクセル電極を有する。 電極は、電気を何か(この場合はピクセル)に出し入れする導体です。

表面レベルには、もうXNUMXつのガラス基板があります。 このガラス基板のすぐ下には、実際のピクセルとサブピクセルが存在し、RGBカラーフィルターが形成されます。 前述の層の電極を打ち消すために、この表面層は、XNUMXつの層の間を移動する回路を閉じる液晶に近い側に対極(または共通)電極を持っています。 これらの基板層の両方で、電極は、透明性を可能にし、良好な導電特性を有するため、最も頻繁にインジウムスズ酸化物(ITO)でできています。

ガラス基板の外側(表面に最も近い、または背面に最も近い)には、偏光子と呼ばれるフィルター層があります。 これらのフィルターは、特定の方法で偏光されている場合、特定の光線のみを通過させます。つまり、光の幾何学的波がフィルターに適しています。 正しく偏光されていない場合、光は偏光子を通過せず、不透明なLCD画面が作成されます。

XNUMXつの基板層の間に液晶があります。 一緒に、液晶分子は動きの点で液体として振る舞うかもしれませんが、それは結晶としてのその構造を保持します。 この層で使用できるさまざまな化学式があります。 通常、液晶は、光波の偏光を通過する光の特定の動作を誘発するために、特定の方法で分子を配置するように整列されます。 これを行うには、磁場または電場のいずれかを使用する必要があります。 ただし、ディスプレイの場合、磁場を使用するにはディスプレイ自体には強すぎるため、非常に低い電力を使用し、電流を必要としない電界が使用されます。

電極間の結晶に電界を印加する前に、結晶の配列は90度のねじれたパターンであり、適切に結晶偏光された光がディスプレイの「通常の白色」モードで表面偏光子を通過できるようにします。 この状態は、この特定のねじれで構造を配向する材料で意図的にコーティングされた電極によって引き起こされます。

ただし、電界が印加されると、結晶が真っ直ぐになるとねじれが壊れます。これは、再整列とも呼ばれます。 通過する光は後部偏光子を通過できますが、結晶層が光を偏光して表面偏光子を通過しないため、光は表面に透過せず、不透明なディスプレイになります。 電圧を下げると、一部の結晶だけが再整列し、部分的な量の光が通過できるようになり、さまざまなグレーの色合い(光のレベル)が作成されます。 この効果はねじれネマティック効果と呼ばれます。

図2: 左側は、偏光が自由に通過するねじれた液晶層です。 右側は、電界が層に帯電した後のもので、分子の配向を完全に再調整して、光が偏光せず、表面偏光子を通過できないようにします。

 

  ねじれネマティック効果 はLCDテクノロジの最も安価なオプションのXNUMXつであり、ピクセルの応答時間を短縮することもできます。 ただし、まだいくつかの制限があります。 色再現品質は良くないかもしれません、そして、見る角度、またはスクリーンが見られる方向はより制限されます。

これらの制限に対する解決策は、面内スイッチングによって与えられました (IPS)液晶の。 IPSは、結晶を電極に対して垂直に整列させるのではなく、平行に整列させます。 その後、光はマトリックス内でより合理化されます。 応答時間が遅いなどの初期の問題がありましたが、最近ではこれらの問題はほとんど解決されており、より良い視角と色再現の利点が欠点よりも大きくなっています。 ただし、ねじれネマティックデバイスよりもコストのかかるテクノロジーです。

図3:一番上の行は、IPSを使用する際の位置合わせの性質と、視野角の品質を示しています。 下の行は、ねじれネマティックを使用して結晶を整列させる方法と、それによって視角がどのように影響を受けるかを示しています。

デバイスを通過する光は、ディスプレイの背面または側面から光を当てることができるバックライトから供給されます。 LCDは独自の光を生成しないため、でバックライトを使用する必要があります LCDモジュール。 この光源は、最も一般的には、LEDとしてよく知られている発光ダイオードの形で提供されます。 最近、有機LED(OLED)も使用されるようになりました。 通常は白色で、正しく偏光されている場合、この光は表面基板層のRGBカラーフィルターを通過し、TFTデバイスによって信号が送られる色を表示します。

 

 

TFTLCD駆動

前回の記事の「TFTの進化」の最初の段落に戻ると、「薄膜トランジスタディスプレイの歴史、」電界効果トランジスタ(FET)の基本的な説明があります。 TFTはFETの一種であるため、FETの駆動原理にも準拠しています。 基本的に、TFTのゲートに電圧を印加すると、信号電流を制御または変更できます。 次に、TFTベースのLCDパネル上の駆動電圧と呼ばれるこの電流は、ソースからドレインに流れ、信号をそのサブピクセルにキャストして、光を通過させます。

 

 

TFTピクセルのアーキテクチャ

LCD内では、各ピクセルはXNUMXつのサブピクセルで特徴付けることができます。 これらのXNUMXつのサブピクセルは、そのピクセル全体のRGBカラー化を作成します。 これらのサブピクセルは、前述のように、それぞれが独自の独立した構造層と機能層を備えたコンデンサまたはデバイス内の蓄電ユニットとして機能します。 ピクセルあたりXNUMXつのサブピクセルを使用すると、液晶の配列に基づいて、フィルターと偏光子を通過する光からさまざまな明るさでほぼすべての種類の色を混合できます。

 

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