TFT LCDの広視野角技術

TFT液晶の構造

TFT LCD の構造や LCD 全般の詳細については、以下を参照してください。TFT液晶の基礎知識またはLCDの紹介.

のTFT LCD、または薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ、コンピュータのモニターやその他の一般的なデバイスの画面でよく使用される表示テクノロジの一般的な形式です。この表示モジュール、より具体的には液晶モジュール、3 つのキー レイヤーで構成されます。デバイスの背面に最も近い最も深い層は、表面に近いものから順に、第 1 の偏光子、ガラス基板、ピクセル電極、および TFT で構成されます。最表面層は、ガラス基板、偏光子、および (一部のマトリックスでは) 電極も備えているため、この層と似ています。ただし、これらのコンポーネントの順序は他の層に比べて逆転しており (偏光子が表面に最も近い)、この層には RGB カラー フィルターがあります。これら 2 つの層の間に液晶分子の層が存在し、TFT LCD の表面に向かって電荷とエネルギーを運びます。結晶分子はさまざまな方法で整列して、LCD 画面の表示特性を変えることができます。

アクティブ マトリックス LCD デバイスとして、TFT LCD の個々のピクセルは赤、緑、青のサブピクセルで構成され、それぞれがその下に独自の TFT と電極を備えています。これらのサブピクセルは個別かつアクティブに制御されるため、アクティブ マトリックスと呼ばれます。これにより、よりスムーズで高速な応答時間が可能になります。アクティブ マトリックスでは、アスペクト比が増加しても色、リフレッシュ レート、解像度の品質を維持し続ける、より大きな表示モードも可能になります。

TFT LCD ディスプレイを構成するピクセル内では、電極がピクセル間の回路を導通する役割を果たします。 2 枚のガラス基板の両面に積層すると、電極は TFT とともに液晶層内に電気経路を形成します。デバイスの表面と裏面以外にも、基板間の電気経路の効果を変化させる電極の配置があります (この記事で後ほど説明します)。この経路は、電場を通じて結晶に影響を与えます。これは、TFT の消費電力を低く抑えて最小限に抑える TFT コンセプトの 1 つであり、TFT を非常に効率的で魅力的なものにしています。

電場が液晶分子と相互作用すると、分子はさまざまな方法で整列し、液晶分子からの光の通過方法が変化します。バックライトデバイス (最後部の偏光子の後ろにあります) を表面に取り付けます。 LCD スクリーンはそれ自体を照明できないため、TFT LCD 複合体が操作する照明を提供するバックライトが必要です。液晶は光をさまざまな度合いに偏光させるため、表面偏光子はさまざまなレベルの光を通過させ、ピクセルの色と明るさを制御します。

TN（ツイステッドネマチック）方式TFT液晶

結晶分子を整列させるにはさまざまな方法がありますが、ツイステッド ネマチック (TN) を使用して整列させる方法は、LCD テクノロジの中で最も古く、最も一般的で、最も安価なオプションの 1 つです。液晶を操作するために、一方は表面基板層に、もう一方は背面基板層に配置された電極間の電場を使用します。

電場が結晶の構造に影響を与えない場合、配列には 90 度のねじれが生じます。このねじれにより、光が層内を移動できるようになり、光が通過するときに偏光して表面偏光子を通過します。

電場を加えると、分子の結晶構造のねじれがほどかれ、真っ直ぐになります。これが起こると、光は偏光されず、表面偏光子を通過できず、黒いピクセルが表示されます。完全に点灯したピクセルと完全に不透明なピクセルの間のピクセルを作成することもできます。光が部分的に偏光している場合（電界が結晶の配向を完全に真っ直ぐにしていない場合）、中間の輝度レベルの光が偏光子を通って LED バックライトから放射されます。

これはディスプレイ技術としては最も安価なオプションの 1 つですが、独自の問題があります。 TN TFT LCD は、他のタイプと比較して最高の応答速度を備えておらず、異なる配向方法を使用する他の TFT LCD ほど広い視野角を提供しません。視野角とは、表示された画像が光や色の観点から正しく見えなくなる前に画面を見ることができる方向です。 TN ディスプレイは主に垂直方向の視野角に問題がありますが、水平方向の角度も多少制限されています。この TN LCD の視野角制限は、グレースケール反転問題と呼ばれます。

グレースケール反転の問題を解決するには、いくつかの方法があります。

一般に、視野角が理想的でない場合、全体の画質が低下します。この問題により、コントラスト比 (最も明るい白と最も暗い黒の輝度比) や画面の読みやすさなどが維持されません。

液晶配向方法の中で、TN は LCD 技術の 1 つのオプションにすぎません。マルチドメイン垂直配向や面内スイッチングなど、広い視野角を実現するために結晶を配向させる一般的な方法は他にもさまざまあります。さらに、TN デバイスが豊富にあるため、ユーザーがまったく新しいデバイスを購入する必要がないように、TN スクリーンと組み合わせるために O フィルムと呼ばれるものも導入されました。

MVA（マルチドメイン垂直配向）TFT LCD

簡単に言えば、この方法は各ピクセルの下のセルを複数のドメインに分割します。分割により、同じセル内の分子が異なる方向を向く可能性があるため、ユーザーがディスプレイの視点を移動すると、異なる結晶の方向の配向が生じ、これらの角度にわたって高輝度や高コントラストなどのディスプレイ特性を維持できるようになります。 。これにより、いわゆるモノドメイン垂直配置の問題が解決されます。

ほとんどの場合 TN に似ていますが、MVA には TN セルにはない注目すべき特徴が 1 つあります。それは、ガラスの突起です。挟み込まれた電極の間で、角度を付けたガラスの突起が層内を進む光の方向を変え、表面偏光子を出るときに光がさまざまな方向に進み、広い視野角のニーズを満たすことができます。

最近の MVA TFT LCD の開発では、コントラスト比、輝度、応答時間のすべてが品質向上しました。 1997 年の開発当初は 300:1 だったコントラスト比は 1000:1 に向上しました。同様に、立ち上がり (黒から白) と減衰 (白から黒) の時間によって特徴付けられる応答時間は、人間の目で処理できる最速の時間に達しており、MVA ベースのディスプレイが動画に適切であることが実証されています。

IPS (パネル内スイッチング) TFT 液晶ディスプレイ

TN によって引き起こされるグレースケール反転問題のもう 1 つの解決策は、IPS液晶。 IPS の利点という点では、MVA に似ています。ただし、構造的に、IPS は表面電極と裏面電極を持たせるのではなく、両方の電極を裏面基板上に配置します。これにより、電場がオンになると、分子が面スイッチングとして知られる向きを切り替え、TN デバイスのように基板に対して垂直ではなく平行に整列するようになります。この場合、TN がより少ない光源からの光で実現できるのと同じ表示輝度を生成するには、より多くの電力が必要となるため、より明るいバックライトが必要になります。

このタイプの配置では、TN と比較して、視野角がはるかに広い方向に保たれます。最近、IPS ディスプレイは応答時間などの品質が向上し、消費者にとって IPS スクリーンがより望ましいものになりました。ただし、このタイプの TFT LCD は TN デバイスよりもコストが高くなる傾向があります。

TN vs O-Film vs MVA vs IPS TFT LCD

TN TFT LCD はコストが最も低いですが、これには理由があります。 O フィルム、MVA、および IPS TFT LCD は、解像度と一般的な表示品質を維持するために視野角を改善する、より複雑なテクノロジーによりコストが高くなります。

特に O フィルムは、液晶配向技術を変更するのではなく、比較的低コストで TN デバイスの表面偏光子を特殊なフィルムに交換して視野角を広げることができるため、ユニークです。 TNとの組み合わせなので視野角は若干しか改善できません。

IPS は視野角を向上させる可能性が最も高く、他のすべてのオプションよりも高い角度に到達できます。ただし、IPS では、このデバイスではより明るいバックライトが必要になるため、通常の TN デバイスよりも消費電力が高くなります。

MVA は角度的には IPS TFT LCD に近いですが、わずかに小さいだけです。ただし、前述したように、応答時間がはるかに高速になっています。

これらすべてのテクノロジーは、消費者の要望と価格帯に応じて実行可能な選択肢となります。 MVA および IPS TFT LCD は、LCD モニターや電話画面などの民生用製品でより実用的な傾向にありますが、TN および O フィルム LCD は産業用途に応用できます。それにもかかわらず、IPS および MVA LCD の成長に伴い、その用途は拡大しています。

AFFS (アドバンスト フリンジ フィールド スイッチング) TFT LCD

AFFS は概念としては IPS に似ています。どちらも結晶分子を基板に対して平行に整列させ、視野角を改善します。ただし、AFFS はより高度であり、消費電力をより適切に最適化できます。最も注目すべき点は、AFFS が高い透過率を持っていることです。これは、液晶層内で吸収される光エネルギーが少なく、表面に向かってより多くの光が透過されることを意味します。 IPS TFT LCD は通常、透過率が低いため、より明るいバックライトが必要になります。この透過率の違いは、AFFS の各ピクセルの下にあるコンパクトで最大化されたアクティブ セル スペースに根ざしています。

2004 年以来、AFFS を開発した Hydis は、AFFS を日本企業の日立ディスプレイズにライセンス供与し、そこで複雑な AFFS LCD パネルを開発しています。 Hydis は、屋外での画面の読みやすさなどのディスプレイ特性を改善し、主なアプリケーションである携帯電話のディスプレイでの使用をさらに魅力的にしました。

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