A história das telas TFT

Por quem e quando o TFT foi inventado?

Em 1962, após uma série de desenvolvimentos na área de semicondutores e microeletrônica, surgiu o TFT. A Radio Corporation of America (RCA) passou anos experimentando e desenvolvendo transistores na esperança de expandir as possibilidades de seu uso. Embora a primeira patente de filme fino de John Wallmark (membro da RCA) tenha sido em 1957, foi Paul K. Weimer, também da RCA, que desenvolveu o TFT.

Evolução dos TFTs

Antes do surgimento do TFT, existia o Field Effect Transistor (FET). O FET é um tipo de dispositivo semicondutor, permitindo que o transistor tenha propriedades amplificadoras, controladoras ou geradoras com sinais elétricos. Este transistor foi criado para controlar o movimento e o fluxo de corrente dentro dos dispositivos. FETs têm uma construção padrão, consistindo na fonte, dreno e porta, bem como seus eletrodos individuais que permitem o contato e a condução com o semicondutor. Este dispositivo pode controlar a tensão aplicada através da porta aumentando ou diminuindo o movimento de portadores de carga como elétrons ou buracos (a ausência de um elétron que causa um puxão carregado) de uma forma chamada mobilidade de portadora, ou mais específica para FETs, mobilidade de efeito de campo. Com semicondutores de alta mobilidade, as cargas são mais facilmente amplificadas, controladas ou geradas. O FET pode então alterar os sinais junto com suas forças (da fonte) enviado para o destino (o dreno e o destinatário do sinal designado).

O FET foi construído com sucesso em 1945, anos depois que a ideia foi patenteada pela primeira vez em 1925. No entanto, não foi até a experimentação que criou o Transistor de Energia de Campo de Semicondutor de Óxido de Metal (MOSFET) muitos anos subsequentes que o FET se tornou muito mais utilizável . Os cientistas descobriram que poderiam criar um isolador de porta para o dispositivo e, ao fazê-lo, permitiu a oxidação controlada (a difusão forçada da camada de óxido em outra superfície) da peça semicondutora, que normalmente é feita de silício. Essa nova camada é conhecida como camada dielétrica ou dielétrico de porta do MOSFET. Este desenvolvimento possibilitou a integração de FETs em uma ampla variedade de usos, mas principalmente na tecnologia de exibição.

Do MOSFET nasceu o TFT. O TFT varia de MOSFETs padrão, ou MOSFETs a granel, porque, como o nome indica, usa filmes finos. O TFT deu início a uma nova era da eletrônica. Em 1968, apenas seis anos após o primeiro desenvolvimento do TFT, Bernard J. Lechner da RCA compartilhou sua ideia do TFT Liquid Crystal Display (LCD), algo que cresceria em popularidade em nossos tempos modernos. O TFT LCD foi então criado pela primeira vez em 1973 nos Laboratórios de Pesquisa Westinghouse. Esses LCDs eram compostos de pixels controlados por transistores. Nos FETs, os substratos eram apenas o material semicondutor, mas na fabricação de LCDs TFT, substratos de vidro eram usados ​​para que os pixels pudessem ser exibidos.

Mas esse não foi o fim dos desenvolvimentos do TFT. Logo depois, em 1974, T. Peter Brody, um dos desenvolvedores do TFT LCD, e Fang-Chen Luo criaram o primeiro LCD de matriz ativa (AM LCD). Uma matriz ativa controla cada pixel individualmente, o que significa que o respectivo TFT de cada pixel teve seu sinal preservado ativamente. Isso abriu portas para um melhor desempenho e velocidade à medida que os displays se tornavam mais complexos.

Acima, uma comparação das estruturas de sinalização de uma matriz ativa (esquerda) e de uma matriz passiva (direita).

Embora os TFTs possam usar uma variedade de materiais para suas camadas semicondutoras, o silício se tornou o mais popular, criando o TFT baseado em silício, abreviado como Si TFT. Como um dispositivo semicondutor, o TFT, assim como todos os FETs, usa eletrônica de estado sólido, o que significa que a eletricidade flui através da estrutura da camada semicondutora em vez de tubos de vácuo.

Devido à variedade de estruturas possíveis do silício, as características do Si TFT também podem variar. A forma mais comum é o silício amorfo (A-Si), que é depositado durante a primeira etapa do processo de fabricação de semicondutores sobre o substrato em baixas temperaturas. É mais utilizável quando hidrogenado na forma A-Si:H. Isso altera significativamente as propriedades do A-Si; sem o hidrogênio, o material luta contra a dopagem (a introdução de impurezas para aumentar a mobilidade das cargas); na forma A-Si:H, no entanto, a camada semicondutora torna-se muito mais fotocondutora e dopável. O TFT A-Si:H foi desenvolvido pela primeira vez em 1979, que é estável à temperatura ambiente e se tornou a melhor opção para LCDs AM, que consequentemente começou a aumentar em popularidade após esse avanço.

Uma segunda forma potencial de silício é o silício microcristalino. Embora mantenha uma forma semelhante ao A-Si, esse tipo de silício também possui grãos do que é conhecido como estruturas cristalinas. As estruturas amorfas têm uma forma mais aleatória, menos geométrica para suas estruturas em rede, mas as cristalinas, por outro lado, são mais estruturadas e organizadas. Se cultivado corretamente, o silício microcristalino tem melhor mobilidade eletrônica do que A-Si:H e maior estabilidade também, pois possui menos hidrogênio em sua estrutura. É depositado de forma semelhante à deposição de A-Si.

E por último, há o silício policristalino, também conhecido como polissilício e poli-Si. O silício microcristalino é o meio entre o A-Si e o poli-Si, uma vez que a estrutura do poli-Si é composta por muitos cristalitos. Esta forma específica é feita pelo recozimento do material de silício, o que significa adicionar calor para alterar as propriedades da estrutura. Com poli-Si, os átomos na rede cristalina mudam e se movem quando aquecidos e, quando resfriados, a estrutura recristaliza.

A maior diferença entre essas formas, notadamente A-Si e poli-Si, é que os portadores de carga são muito mais móveis e o material é muito mais estável quando se trata de usar poli-Si sobre A-Si. Ao criar displays baseados em TFT complicados e de alta velocidade, as características do poli-Si permitem isso. No entanto, A-Si ainda é muito importante devido à sua natureza de baixo vazamento, o que significa que a corrente de fuga não é perdida tanto quando um isolante dielétrico não é totalmente não condutor.

Em 1986, o primeiro poli-Si de baixa temperatura (LTPS) foi demonstrado pela Hitachi. O LTPS desempenha um grande papel na fabricação de dispositivos porque o substrato de vidro não é tão resistente a altas temperaturas, portanto, para recozer o poli-Si, são utilizadas temperaturas mais baixas.

Vários anos depois, outro desenvolvimento foi feito em 2012 na forma de óxido de índio gálio e zinco (IGZO), que permitiu uma exibição mais poderosa em termos de taxas de atualização e mais eficiência em termos de consumo de energia. Este material semicondutor, como indicado no nome, usa índio, gálio, zinco e oxigênio. Apesar de ser uma forma de óxido de zinco (ZnO), a adição de índio e gálio permite que esse material seja depositado em uma fase amorfa uniforme, mas também mantendo a alta mobilidade do carreador do óxido.

À medida que os TFTs começaram a aumentar sua presença na tecnologia de exibição, os semicondutores e eletrodos transparentes tornaram-se mais atraentes para os fabricantes. Óxido de índio e estanho (ITO) é um exemplo de óxido transparente popular usado por sua aparência, boa condutividade e facilidade de deposição.

RA pesquisa do TFT com diferentes materiais levou à aplicação do limiar de tensão, ou quanta tensão é necessária para ligar o dispositivo. Este valor depende muito da espessura e da escolha do óxido. Quando se trata do óxido, isso remete à ideia de corrente de fuga. Com camadas mais finas e certos tipos de óxido, a corrente de fuga pode ser maior, mas isso, por sua vez, pode diminuir a tensão limite, pois o vazamento no dispositivo também aumentará. Para explorar o potencial do TFT de baixo consumo de energia, quanto menor a tensão limite, melhor o apelo do dispositivo.

Outro ramo de desenvolvimento que se originou do TFT é o dos TFTs orgânicos (OTFT). Criados pela primeira vez em 1986, os OTFTs geralmente usam soluções de polímeros ou macromoléculas. Este dispositivo deixou as pessoas hesitantes, pois tendia a ter uma mobilidade de portadora lenta, o que significava tempos de resposta lentos. No entanto, pesquisadores têm realizado experimentação com o OTFT porque ele tem potencial para ser aplicado em exibe diferentes daqueles que os TFTs tradicionais são usados, como displays de plástico flexíveis. Esta pesquisa continua até hoje. Com seu processamento mais simples do que a tecnologia tradicional de silício, o OTFT possui muito potencial para tecnologias modernas e futuras.

TFT Presente: Visão geral

Conforme discutido, o TFT evoluiu para se tornar diversamente capaz de atender às necessidades dos avanços tecnológicos. Devido às suas excelentes propriedades de imagem, bem como à fabricação acessível e de baixo custo, Os dispositivos e a tecnologia TFT aumentaram drasticamente em número e finalidade desde a criação do TFT.

Por exemplo, a Apple, uma marca bem conhecida e popular para uma variedade de monitores, usa o TFT LCD para dispositivos como iPhones, Macbooks e iPads. Houve um desenvolvimento que a Apple começou a explorar chamado de diodos orgânicos emissores de luz (OLED); Os OLEDs têm a capacidade de criar telas mais finas e flexíveis. Ainda há muitas desvantagens para isso, a partir de hoje; o OLED é muito mais caro e mais frágil ao contato com a água, então o TFT LCD ainda é a tecnologia de exibição mais proeminente em nosso tempo atual. Existe também o OLED de matriz ativa (AMOLED), uma combinação dos OLED camadas e camadas TFT. Isto é o que a Apple começou a implementar em seus dispositivos como o iPhone X e Apple Watches. Essa tela permite cores mais profundas e ricas, algo em que a Apple concentra grande parte de seu mercado.

Mas a tecnologia e os dispositivos TFT não se limitam apenas a telas como as da Apple. Com os benefícios de alta resolução e alto desempenho do TFT, ele encontrou seu caminho no avanço automobilístico e nas áreas médicas. Os painéis dos carros, bem como as telas, costumam usar telas LCD TFT. Na medicina, o TFT pode atuar como um receptor de imagem para imagens radiográficas.

Como nosso mundo agora depende tanto desse tipo de tecnologia, as “sociedades de tecnologia” surgiram para unir engenheiros, tecnólogos e outros profissionais ou pessoas aspirantes. O Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) é um deles e se dedica a melhorar a humanidade com tecnologia. Um subconjunto específico desse grupo maior é a Electron Devices Society (EDS), que se concentra em dispositivos baseados em elétrons ou íons. Esta subsociedade publica cartas em uma revista científica sobre teorias e projetos de dispositivos eletrônicos.

O Futuro do TFT

Embora ainda haja espaço para crescimento do TFT tradicional, os desenvolvedores estão de olho na expansão da natureza aplicativa do TFT. Desde o desenvolvimento do OTFT em 1986, a ideia de criar telas flexíveis tem sido um caminho reconhecido para os desenvolvedores, mas poucos escolheram isso em vez de telas planas. Esses tipos flexíveis de dispositivos são chamados de eletrônicos de grande área (LAE). Usando materiais menos tóxicos para o meio ambiente do que os displays TFT tradicionais, LAEs, ou mais especificamente orgânicos LAEs (OLAE), são uma expansão emergente para os conceitos de TFT.

No entanto, os desafios ainda se apresentam, pois esses displays orgânicos não têm tantas características desejáveis ​​que os consumidores normalmente desejam em termos de resolução e taxas de resposta. Devido a esta, LCDs TFT tradicionais continuam a dominar o mercado, mas à medida que a pesquisa e a experimentação dessas tecnologias orgânicas acontecem, ainda não há um limite Monitores baseados em TFT, e é provável que a tecnologia de exibição continue a melhorar em velocidade, qualidade e versatilidade.