TFT LCD ディスプレイの仕組み

1. TFT LCDとは何ですか?

現在最も急速に発展しているディスプレイ技術の 1 つは、TFT LCD または薄膜トランジスタ液晶ディスプレイです。薄膜トランジスタ(TFT)と呼ばれる半導体デバイスの一種は、製品の効率、コンパクトさ、コストを向上させるためにディスプレイ技術に使用されています。TFT LCD は、半導体特性に加えてアクティブ マトリックス ディスプレイであり、この半導体デバイスの利点を高めます。ピクセルを受動的ではなく個別にアクティブに制御します。

TFT ディスプレイは、フラット パネル技術、特に液晶ディスプレイ (LCD) と組み合わせて使用されて以来、コンピューター モニターやスマートフォンなどの LCD モニターやディスプレイ画面での使用としてますます人気が高まっています。この進歩により、より軽量でかさばらない LCD が、主要なディスプレイ技術として CRT としても知られるブラウン管に取って代わり始めました。今日の LCD に見られる TFT テクノロジーは、主に高解像度で高品質のディスプレイを作成するために使用されています。

2. TFT LCD構造

TFT LCDの構造は3つの主要な層で構成されています。ガラス基板は2つのサンドイッチ層を構成します。そのうちの 1 つは TFT を備え、もう 1 つは RGB (赤、緑、青) カラー フィルターを備えています。液晶層は、ガラス層の間の空間にあります。

デバイスの回路基板の最も深い層または最後尾の層は、TFT ガラス基板層です。非結晶構造を持つさまざまなシリコンであるアモルファスシリコンを使用して製造されます。次に、実際のガラス基板をシリコンの層で覆います。この層のTFTは、デバイスの他の基板層の各サブピクセルと個別にペアになり(以下のTFTピクセルのアーキテクチャを参照)、各サブピクセルに印加される電圧を調整します。この層には、基板と液晶層の間に、ピクセル電極もあります。導体は、電気が別の物体 (この場合はピクセル) に出入りできるようにするコンポーネントです。

もう一方のガラス基板は表面レベルにあります。RGBカラーフィルターを構成する実際のピクセルとサブピクセルは、このガラス基板の真下にあります。この表層には、液晶に最も近い側に対向電極(または共通電極)があり、前述の層の電極のバランスをとるために2つの層間を移動する回路を遮断します。透明性を可能にし、優れた導電特性を備えているため、酸化インジウムスズ (ITO) 電極は通常、これらの基板層の両方に使用されます。

偏光子フィルター層は、ガラス基板の外側に、前面または背面に最も近いかどうかにかかわらず、存在します。特定の方法で偏光された特定の光線、つまり幾何学的波がフィルターと互換性がある光ビームのみが、これらのフィルターを通過できます。偏光が正しくないと、光が偏光子を通過できなくなり、LCD 画面が不透明になります。

液晶は2つの基板層の間にあります。液晶を構成する分子は一緒になって液体のように動き、振る舞うかもしれませんが、結晶構造を維持します。この層で使用するために、さまざまな化学式が利用可能です。光波の偏光を通して光を通過させる特定の挙動を誘発するために、液晶は通常、分子を特定の方法で配置するように整列されます。これを達成するには、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、ディスプレイでは、磁場はディスプレイ自体に対して強力すぎるため、効果がありません。その結果、電力をほとんど使用せず、電流を必要としない電界が使用されます。

結晶の整列は、電極間の結晶に電界を印加する前に 90 度のねじれたパターンで行われ、適切に結晶偏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。この特定の方向に構造をねじる物質で特別にコーティングされた電極が、この状態を引き起こします。

電界が印加されるとねじれ、つまり再整列が壊れ、結晶がまっすぐになります。通過した光は背面偏光子を通過できますが、結晶層が表面偏光子を通過するために光を偏光できないため、光は表面に透過せず、不透明なディスプレイが作成されます。電圧が低下すると、一部の結晶のみが再調整され、一部の光が通過し、さまざまな灰色の色調 (光レベル) が生成されます。ツイストネマティックエフェクトは、このエフェクトに付けられた名前です。

LCDテクノロジーで最も安価なオプションの1つであるツイストネマチック効果により、ピクセルの応答時間が短縮されます。ただし、まだいくつかの制限があります。色再現の品質が優れていない可能性があり、画面が見える角度や角度が少なくなります。

液晶の面内スイッチング(IPS)により、これらの限界が克服されました。IPSは、結晶を電極に対して垂直に整列させるのではなく、結晶整列を平行化します。その後、マトリックスは光をより大幅に合理化します。応答時間が遅いという初期の問題は最近ほとんど修正されたため、視野角と色再現の向上という利点が欠点を上回るようになりました。ただし、ツイストネマチックデバイスと比較すると、より高価な技術です。

ディスプレイの側面または背面から光を投影できるデバイスのバックライトは、ディスプレイを通過する光の源です。LCD は光を生成できないため、LCD モジュールのバックライトを使用する必要があります。LED とも呼ばれる発光ダイオードは、最も頻繁に使用されるタイプの光源です。最近では有機LED(OLED)も人気が高まっています。適切に偏光されていれば、通常は白色であるこの光は、表面基板層のRGBカラーフィルターを通過し、TFTデバイスが指定した色を表示します。

3. TFT LCD

の駆動電界効果トラン

ジスタ(FET)については、前回の記事「薄膜トランジスタディスプレイの歴史」の「TFTの進化」の第1段落に基本的な説明があります。TFTはFETの一種であるため、FETの動作原理にも準拠しています。基本的に、TFT の信号電流は、ゲートに電圧を印加することで制御または変更できます。TFT ベースの LCD パネルでは、駆動電圧として知られるこの電流がソースからドレインに流れ、そのサブピクセルに信号を送信して光を通過させます。

4. TFT ピクセルのアーキテクチャ

LCD

の各ピクセルは、3 つのサブピクセルで識別できます。そのピクセル全体の RGB カラー化は、これら 3 つのサブピクセルによって生成されます。これらのサブピクセルは、前述のようにそれぞれ独自の独立した構造層と機能層を持ち、デバイス内のコンデンサまたは蓄電ユニットとして機能します。液晶の位置合わせにより、フィルターや偏光子を通過する光は、1画素あたり3つのサブ画素を使って、ほぼすべての色に混ぜることができます。