Frei geformte Displays werden erstmals 2017 in modernen Automobil-Interieurs erscheinen.

Bild: Sharp Devices Europe

Silizium-TFT-Displays Mehr Freiheit im Design

20.10.2016

Die Mehrzahl der aktuellen amorphen Silizium-TFT-Displays sind rechteckige Bildschirme, die außerhalb des aktiven Bereichs des Displays montierte Gate-Treiber benötigen. Ein neues Halbleiter-Material hat nun die Entwicklung frei geformter Bildschirme möglich gemacht.

Derzeit beherrschen aktive Matrix-Dünnschichttransistor-Displays das Feld der LCD-Bildschirme. Seit Jahrzehnten haben diese Geräte eine rechteckige Form mit einem Rahmen um den aktiven Bereich, aber ein streng eingerahmtes Rechteck stellt nicht unbedingt die beste Formgebung für jede Anwendung dar. Gerade die Hersteller von Unterhaltungselek-
tronik müssen darum kämpfen, eine maximal mögliche Bildschirmgröße in kompakten Außenmaßen unterzubringen.

Abkehr von der konventionellen Technologie

In einigen Anwendungsgebieten, wie etwa Fahrzeuginnenräumen, ist der verfügbare Platz von vornherein begrenzt. In komplexen Instrumententafeln sind runde oder unregelmäßig geformte Designs digitaler Anzeigen eine ansprechende Alternative zu herkömmlichen, analogen Anzeigegeräten. Die Möglichkeit, aktive Matrixdisplays mit gerundeten Formen und ohne Rahmen einzusetzen, wird auch etliche andere Gerätegruppen revolutionieren. Aktive Matrix-TFTs (AMTFT) beheben viele Nachteile der passiven Matrixschirme, wie Ghosting-Effekte, langsame Reaktionszeiten oder eingeschränkter Blickwinkel. Die wichtigsten Arten der in Flachbildschirmen verwendeten TFT-Technologien sind aus amorphem Silizium (a-Si) und Niedertemperatur-Polykristallinem Silizium (LTPS). In der Mehrzahl der Displays ist noch amorphes Silizium in Gebrauch, der derzeitige AMTFT-Standard für mittelgroße und große Bildschirme.

Das hochwertigste Silizium, das monokristalline Silizium, ist sehr durchlässig für Elektronen, aber der Herstellungsprozess ist wegen des niedrigen Schmelzpunktes des Glassub-
strats, das in Flachbildschirmen verwendet wird, schwierig. Das nächstbeste Silizium, das LTPS, ermöglicht es Elektronen, sich durch eine körnige Struktur frei zu bewegen, jedoch verbunden mit dem Risiko, am Rand der Struktur zu streuen. Das Material ermöglicht die Speicherung von Daten und die Einbindung der Gate-Treiber auf dem Glas und ermöglicht damit Displays mit hoher Auflösung und sehr schmalen Rändern. Das Fehlen der strukturellen Gleichmäßigkeit verhindert allerdings, dass p-Si in großen Bildschirmen verwendet wird, weshalb das Material normalerweise in Smartphones zu finden ist. Das amorphe Silizium, obwohl einfacher in der Herstellung, weist eine geringere Elektronenmobilität auf, da weder eine lang- noch eine kurzkettige molekulare Struktur vorliegt. Folglich benötigen a-Si-Displays Gate-Treiber-ICs, die in einem Chip-on-Glass(COG)-Verfahren direkt auf das Substrat im Bereich des Rahmens aufgebracht werden; sie erfordern einen höheren Platzbedarf an der vertikalen Seite des Bildschirms. Bei kleineren und mittelgroßen Displays können a-Si-TFTs auch genutzt werden, um die Gate-Treiber auf dem Glas aufzubringen. Diese monolithischen Gate-Treiber sind in der Regel auf beiden Seiten des Displays angebracht, um die Breite des Rahmens möglichst gering zu halten.

Die neue TFT-Technik IGZO (Indium-Gallium-Zink-Oxid) hat Sharp mit Semiconductor Energy Laboratory entwickelt. IGZO-TFTs nutzen eine neue molekulare Anordnung in einer einzigartigen kristallinen Struktur. Die optimierte IGZO-Kristallinstruktur erlaubt eine 50-mal höhere Elektronenmobilität als in herkömmlichem amorphem Silizium. Das bedeutet, dass IGZO-Schaltkreise im Vergleich zu a-Si-TFTs in wesentlich geringeren Dicken geätzt werden können. Ein kleinerer Dünnfilmtransistor im aktiven Bereich bedeutet bessere Öffnungsverhältnisse, eine um bis zu 20 Prozent höhere Durchlässigkeit, verbesserte Anzeige und eine höhere Pixeldichte. Weiterer Vorteil eines IGZO-TFTs: ein niedrigerer Leckstrom im Vergleich zu einem a-Si- oder einem LTPS-TFT. Dadurch können die Pixel ihre Ladung besser halten und intermittierend gesteuert werden, was Strom spart. a-Si-TFT-Displays dagegen benötigen zur Pixelsteuerung permanent Strom, um die Bildschirmdarstellung mit einer Frequenz von typischerweise 60 Hz zu aktualisieren.

Form der kommenden Geräte

Eine neue Systemarchitektur integriert die Gate-Treiber direkt im aktiven Displaybereich. Indem die Gate-Treiber jetzt direkt in die Transistormatrix des Displays integriert werden – auch als In-Pixel-Gate-Treiber-Modul oder IP-GDM bezeichnet –, benötigen sie keinen Platz am Rand des aktiven Bereichs mehr. Bauarten ohne auffällig sichtbare Rahmen sind so möglich. Und es ist auch nicht mehr nötig, die Seiten in gerader Linie zu formen. Die gekrümmten Ränder der Free-Form-Displays (FFD) lassen sich in einem konventionellen Produktionsverfahren herstellen.

Da die Schaltung des Gate-Treibers in den aktiven Bereich des Displays selbst integriert ist, muss das Display nicht mehr auf eine Reihe von Gate-Treibern begrenzt werden. Es ist möglich, Innenausschnitte zu machen, indem mehrere
Gate-Line-Bereiche integriert werden. Damit wird ein breites Spektrum an Displayformen vorstellbar. Bei frei geformten LCDs allerdings wird diese Technologie möglicherweise in manchen Fällen durch die Notwendigkeiten der Hintergrundbeleuchtung eingeschränkt werden. Denn es könnte bei unregelmäßigen Formen schwierig werden, eine gleichmäßige Ausleuchtung bis an die Ränder zu erreichen. Frei geformte Displays sind jedoch nicht die einzige Produktgruppe, die durch die IGZO-TFT-Technik Impulse erhält. IGZO-Dünnfilmtransistoren sind auch ideal für OLED-Displays inklusive High-ppi(pixels per inch)-Anwendungen (Smartphones).
IGZO-TFTs sind auch geeignet zur Implementierung auf ultradünnen Kunststoffsubstraten, da sie nur sehr geringe Verarbeitungstemperaturen erfordern.

Blick in die Zukunft der Bildschirme

Frei geformte Displays werden erstmals 2017 in Automobil-Interieurs erscheinen. Die auffälligsten Designimpulse werden Aussparungen für analoge Geräte im Instrumentenpanel sein sowie abgerundete Displays in der Mittelkonsole. Wenn die ersten FFDs von den Fließbändern rollen, wird es künftig kaum Grenzen für weitere Anwendungsarten mehr geben. Ihre hohe Effizienz sowie die flexibel gestaltbaren Formen machen sie zur ersten Wahl für Smartwatches und Wearables. Sogar Head-Mounted-Displays mit mehr als 1.000 ppi sind vorstellbar. Abgerundete oder komplett runde Formen inspirieren auch Geräte wie Thermostate oder Spielekonsolen. Durch die Vorteile der höheren Pixeldichte, den geringeren Leckstrom sowie die hohe Durchlässigkeit werden frei geformte IGZO-Displays zur ersten Wahl, wenn es um innovative Formgebung geht. Diese neue Generation von LCD- und OLED-Displays wird weniger Strom verbrauchen und sich in Umgebungen einfügen, in die kein Display je zuvor gepasst hat. Sie bieten außerdem eine hohe Schärfe und Brillanz, wodurch sie ideal für weiße Ware und Unterhaltungselektronik geeignet sind. Frei von allen bisherigen Einschränkungen im Design nimmt unsere digitale Bildschirm-Zukunft Form an.

Bildergalerie

  • Eine von Sharp entwickelte Systemarchitektur integriert die Gate-Treiber direkt im aktiven Displaybereich, ohne dabei die Leistung des Displays zu beeinträchtigen.

    Bild: Sharp Devices Europe

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel