Pengantar substrat TFT di LCD
Panel layar LCD TFT-LCD lengkap dibagi menurut proses produksi dan secara kasar dapat dibagi menjadi tiga segmen proses, yaitu: segmen proses array array, segmen proses filter warna CF, dan segmen proses kotak. Bagian proses susunan susunan inilah yang sering kita sebut dengan produksi substrat kaca TFT.
Substrat TFT adalah komponen inti panel LCD-TFT dan menjalankan fungsi penting dalam mengontrol peralihan piksel dan menggerakkan arus. Artikel ini akan berfokus pada struktur dan komposisi substrat TFT-LCD Array, karakteristik TFT-Si, dan dampak substrat TFT terhadap kinerja LCD.
1. Struktur dan komposisi substrat TFT
Unit penggerak inti TFT-LCD adalah susunan transistor film tipis (TFT Array), dan setiap piksel dikontrol oleh saklar TFT independen. Untuk mencapai fungsi ini, substrat TFT mengadopsi desain struktur multi-lapisan, dengan setiap lapisan material dan elektroda memainkan peran berbeda.
Secara keseluruhan, TFT dapat dibagi menjadi dua kategori: struktur gerbang atas dan struktur gerbang bawah. Saat ini, solusi utama untuk panel LCD adalah TFT struktur gerbang bawah, yang memiliki proses matang dan stabilitas tinggi, serta cocok untuk-produksi massal skala besar.
Dalam proses 6 Masker pada umumnya, substrat TFT struktur gerbang bawah terutama berisi bagian-bagian berikut:
1. Substrat kaca
Sebagai platform pendukung fisik untuk keseluruhan susunan, ini memberikan fondasi yang datar dan transparan.
Hal ini diperlukan untuk memiliki dimensi yang stabil dan koefisien ekspansi termal yang kecil untuk memastikan keakuratan proses deposisi film tipis dan fotolitografi selanjutnya.
2. Gerbang elektroda (Gate elektroda)
Biasanya, bahan logam (seperti Mo, Al, atau paduannya) digunakan.
Dengan mengontrol voltase yang diberikan ke gerbang, status hidup- atau mati TFT ditentukan, yang setara dengan "terminal kontrol sakelar".
3. Isolator Gerbang
Menutupi pintu gerbang, material yang umum digunakan adalah SiNx atau SiO₂.
Fungsinya untuk mengisolasi secara elektrik, mencegah gerbang bersentuhan langsung dengan lapisan semikonduktor di atasnya, sekaligus memastikan medan listrik gerbang dapat secara efektif mengontrol pergerakan elektronik wilayah saluran semikonduktor.
4. Lapisan aktif (Lapisan aktif)
Inilah inti kinerja TFT, biasanya terdiri dari lapisan semikonduktor dan lapisan kontak ohmik:
Lapisan semikonduktor bertanggung jawab atas transmisi pembawa dan merupakan bagian utama wilayah saluran;
Lapisan kontak ohmik digunakan untuk mengurangi resistansi kontak antara elektroda sumber dan pembuangan serta semikonduktor.
Dalam industri TFT-LCD saat ini, a-Si (silikon amorf) adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan.
Proses TFT a-Si sudah matang dan berbiaya rendah. Ini paling umum digunakan pada panel layar LCD- kelas menengah-TFT-kelas bawah.
Meskipun mobilitas elektron a-Si relatif rendah, hasil prosesnya yang tinggi dan keserbagunaan yang kuat dalam peralatan produksi menjadikannya pilihan utama untuk TFT-LCD.
Diagram semikonduktor a-si silikon amorf
Selain a-Si, terdapat material baru seperti semikonduktor poli-Si dan oksida, namun lebih banyak digunakan pada panel tampilan-resolusi tinggi atau-tujuan khusus.
5. Sumber dan Saluran Air
Tersebar di kedua sisi lapisan aktif dan terdiri dari bahan logam.
Sumber terhubung ke jalur data dan mentransmisikan tegangan sinyal masukan ke area saluran;
Elektroda pembuangan dihubungkan ke elektroda piksel dan mentransmisikan tegangan sinyal ke unit piksel kristal cair.
6. Lapisan isolasi menengah (Lapisan pasivasi, PVX)
Meliputi struktur TFT, ia memainkan peran perlindungan dan isolasi.
Cegah kelembapan, oksigen, atau tekanan mekanis yang menyebabkan kerusakan pada perangkat TFT, sekaligus menghindari korsleting dari elektroda sumber dan pembuangan ke elektroda piksel atas.
7. Elektroda piksel (ITO pertama)
Terbuat dari bahan konduktif transparan (umumnya ITO, indium timah oksida).
Terhubung ke saluran pembuangan, menerapkan tegangan sinyal data ke lapisan kristal cair, dan secara langsung mengontrol keadaan optik titik piksel.
8. Elektroda umum (ITO ke-2, elektroda COM)
Berlawanan dengan elektroda piksel, biasanya terletak di substrat kaca bagian atas.
Medan listrik terbentuk antara elektroda umum dan elektroda piksel, dan gaya aksi diterapkan pada molekul kristal cair untuk mengubah susunannya, sehingga mencapai modulasi cahaya.
Prinsip tampilan TFT-LCD
Di seluruh substrat TFT, jutaan unit TFT disusun dalam matriks baris-kolom. Garis gerbang pada arah baris bertanggung jawab untuk pemindaian progresif, dan jalur data pada arah kolom bertanggung jawab untuk mentransmisikan tegangan sinyal. Di perpotongan keduanya, terdapat TFT dan piksel kristal cair yang sesuai. Ketika semua tegangan piksel ditulis dan dipertahankan baris demi baris, seluruh panel LCD dapat menampilkan gambar lengkap.
2. Prinsip kerja substrat TFT di LCD
1. Fungsi TFT sebagai saklar
Setiap piksel dilengkapi dengan TFT, yang setara dengan saklar elektronik.
Ketika sinyal pemindaian bekerja pada gerbang, TFT dihidupkan, dan tegangan pada sumber ditransfer ke saluran pembuangan, dan kemudian diterapkan ke elektroda piksel.
Ketika sinyal gerbang dihilangkan, TFT dimatikan dan tegangan pada elektroda piksel dipertahankan untuk jangka waktu tertentu, sehingga mempertahankan keadaan orientasi molekul kristal cair.
2. Perubahan orientasi molekul kristal cair
Bahan kristal cair memiliki efek elektro-optik, dan molekulnya akan disusun ulang akibat pengaruh medan listrik.
Tegangan yang berbeda sesuai dengan sudut kemiringan molekul yang berbeda, yang pada gilirannya mengubah kemampuan modulasi lapisan kristal cair menjadi cahaya.
3. Transmisi dan pengendalian cahaya
Lapisan kristal cair diapit di antara substrat kaca atas dan bawah, dan polarizer juga disusun di sisi atas dan bawah.
Ketika orientasi molekul kristal cair berubah, keadaan polarisasi cahaya juga berubah, dan transmitansi juga berubah setelah melewati polarizer.
Dengan cara ini, penyesuaian terang dan gelap piksel dapat dicapai dengan mengontrol besaran tegangan.
4. Kombinasi dengan lampu latar dan tampilan warna
LCD itu sendiri tidak memancarkan cahaya, dan sumber cahaya yang diperlukan untuk tampilan berasal dari modul lampu latar.
Substrat TFT menentukan seberapa banyak cahaya latar yang ditransmisikan dengan mengontrol transmitansi piksel kristal cair.
Pada saat yang sama, setiap piksel ditutupi dengan filter warna merah, hijau, dan biru (RGB). Dengan menyesuaikan transmisi cahaya dari tiga sub-piksel, ketiganya dapat dicampur untuk menghasilkan gambar-penuh warna.
5. Metode penggerak keseluruhan
Garis gerbang dipindai secara progresif, dan garis sinyal diisi dengan tegangan kolom demi kolom.
Saat memindai ke jalur tertentu, semua TFT di jalur tersebut diaktifkan secara bersamaan, dan voltase jalur sinyal ditulis ke piksel yang sesuai.
Setelah baris ini selesai, baris pemindaian berpindah ke baris berikutnya hingga seluruh layar disegarkan.
Proses siklus-kecepatan tinggi ini dapat membentuk tampilan gambar dinamis yang berkesinambungan.
3. Pengaruh substrat TFT terhadap kinerja LCD
Sebagai lapisan penggerak inti panel LCD, substrat TFT adalah material, struktur, dan karakteristik listrik yang secara langsung menentukan kinerja utama perangkat layar seperti resolusi, kecerahan, kontras, konsumsi daya, dan masa pakai. Berikut penjelasannya dari beberapa aspek utama.
1. Resolusi
Substrat kaca: Semakin tinggi kerataan permukaan, semakin baik akurasi grafis dari elektroda piksel dan susunan TFT, sehingga kondusif untuk mencapai unit piksel yang lebih kecil dan dengan demikian mendukung resolusi yang lebih tinggi.
Lapisan aktif (a-Si): Mobilitas elektron a-Si rendah (0,3–1 cm²/V·s), sehingga membatasi kemampuan mengemudi TFT. Ketika kepadatan piksel meningkat, a-Si sulit diisi dengan cepat, dan peningkatan resolusi menjadi terbatas. Jika LTPS atau Oxide TFT digunakan, mobilitas lapisan aktif lebih tinggi dan tampilan PPI lebih tinggi dapat dicapai.
Jejak logam (gerbang, sumber dan elektroda pembuangan): Lebar jejak dan resistivitas secara langsung mempengaruhi laju pembukaan piksel. Logam dengan resistansi tinggi memaksa jejak melebar, sehingga menempati area piksel dan mengurangi resolusi; resistansi rendah Cu dapat mengirimkan sinyal pada lebar garis yang lebih kecil dan meningkatkan pemanfaatan piksel.
2. Kecerahan dan transmisi
Pixel Electrode (ITO): Transmisi cahaya dan resistivitas ITO menentukan tingkat pemanfaatan lampu latar. Transmisi cahaya yang tinggi dapat meningkatkan efisiensi cahaya yang melewati piksel, sementara konduktivitas yang tinggi memastikan distribusi sinyal yang seragam pada-area piksel yang luas.
Sumber dan pembuangan jejak logam: Jika jejak terlalu lebar, area piksel akan diblokir, area transmisi cahaya akan berkurang (kecepatan pembukaan berkurang), dan kecerahan akan berkurang. Cu digunakan sebagai pengganti Al, yang dapat mengurangi lebar jejak sekaligus mengurangi hambatan, sehingga meningkatkan laju pembukaan.
Lapisan isolasi (SiNx, SiO₂): Kerataan permukaan dan karakteristik tegangan lapisan isolasi mempengaruhi orientasi molekul kristal cair. Jika permukaannya tidak rata, maka akan menyebabkan susunan kristal cair yang tidak normal, sehingga mengurangi transmitansi optik.
3. Performa kontras dan skala abu-abu
Lapisan aktif (a-Si): Rasio peralihan TFT dipengaruhi oleh material. Rasio peralihan a-Si relatif rendah, yang rentan menghasilkan arus bocor yang besar, menyebabkan sejumlah kecil cahaya bocor dalam keadaan medan hitam, sehingga mengurangi kontras.
Lapisan isolasi (SiNx, SiO₂): Lapisan isolasi-berkualitas tinggi dapat mengurangi jalur kebocoran dan meningkatkan retensi tegangan piksel, sehingga mempertahankan tampilan skala abu-abu yang stabil.
Pixel Electrode (ITO): Keseragaman resistansi lapisan film ITO akan mempengaruhi konsistensi tegangan piksel yang berbeda. Jika nilai resistansi tidak merata, hal ini akan menyebabkan perbedaan performa skala abu-abu lokal, sehingga mengurangi keseragaman tampilan dan kontras keseluruhan.
4. Pengaruh kecepatan respon
Lapisan aktif (a-Si): Mobilitas a-Si rendah dan kecepatan pergerakan elektron lambat, mengakibatkan waktu pengisian dan pengosongan piksel yang lama dan umumnya pada tingkat milidetik, sehingga tidak cocok untuk aplikasi kecepatan refresh tinggi. Mobilitas tinggi LTPS atau Oxide TFT dapat mempersingkat waktu respons secara signifikan.
Jejak logam: Resistensi jejak yang terlalu tinggi akan menyebabkan penundaan transmisi sinyal dan mempengaruhi respons piksel. Penggunaan material-resistansi rendah dapat mengurangi penundaan sinyal dan meningkatkan kecepatan respons.
Kapasitor Parasit (ditentukan oleh tata letak logam dan isolasi gerbang): Jika Kapasitor parasit terlalu besar, dibutuhkan waktu lebih lama untuk mengisi daya piksel, sehingga mengurangi efisiensi respons skala abu-abu. Desain struktur yang masuk akal dan optimalisasi ketebalan lapisan insulasi membantu mengurangi kapasitansi parasit.
5. Dampak konsumsi daya
Logam sumber dan pembuangan (Al, Mo, Cu): Bahan dengan resistansi rendah dapat mengurangi kehilangan transmisi sinyal dan mendorong konsumsi daya. Karena resistivitasnya yang rendah, Cu mempunyai keunggulan nyata dalam mengurangi konsumsi daya.
Lapisan aktif (a-Si): Arus bocornya besar, tegangan piksel mudah dilemahkan, dan frekuensi penyegaran yang lebih tinggi diperlukan untuk mempertahankan gambar yang stabil, sehingga meningkatkan konsumsi daya secara keseluruhan.
Elektroda piksel (ITO): Elektroda transmisi cahaya tinggi dapat meningkatkan efisiensi pemanfaatan cahaya. Dengan persyaratan kecerahan yang sama, daya lampu latar bisa lebih rendah, sehingga mengurangi konsumsi energi.
6. Dampak keandalan dan masa pakai
Logam gerbang (Al): Hilllock (tonjolan kecil) mudah terbentuk pada suhu tinggi, sehingga mengakibatkan korsleting atau kegagalan sirkuit terbuka, sehingga memengaruhi stabilitas-jangka panjang.
Logam Cu: Meskipun resistansinya rendah, ia memiliki difusi yang kuat. Jika tidak ada lapisan penghalang, lapisan semikonduktor akan mudah terkontaminasi dan menyebabkan penurunan kinerja.
Lapisan isolasi (SiNx): secara efektif dapat memblokir penetrasi ion Na⁺, uap air dan oksigen. Jika massanya tidak mencukupi maka akan menyebabkan kinerja perangkat menurun dengan cepat.
Lapisan aktif (a-Si): Penyimpangan tegangan ambang batas terjadi selama jam kerja yang panjang, mengakibatkan peningkatan kebutuhan tegangan penggerak, penurunan kecerahan dan kontras tampilan, serta memperpendek masa pakai.
Dalam pengoperasian LCD, media TFT tidak hanya menentukan efek tampilan gambar, namun juga secara langsung memengaruhi resolusi, kecerahan, kontras, konsumsi daya, dan keandalan. Secara keseluruhan, substrat TFT tidak hanya menjadi dasar teknologi LCD, namun juga kunci peningkatan kinerja panel dan evolusi proses.
