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薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ（TFT LCD ）は、薄膜トランジスタ技術を使用してアドレス指定性やコントラストなどの画像品質を向上させる液晶ディスプレイの一種です。 [ 1 ] TFT LCDはアクティブマトリクスLCDであり、[ 2 ]パッシブマトリクスLCDや、セグメントが少数しかない単純な直接駆動（つまり、セグメントがLCD外部の電子回路に直接接続されている）LCDとは対照的です。
TFT LCDは、テレビ、コンピューターモニター、携帯電話、ビデオゲームシステム、 PDA 、ナビゲーションシステム、プロジェクター[ 3 ]、一部の自動車や中級から高級バイクのダッシュボードに使用されています。
1957年2月、RCAのジョン・ウォールマークは薄膜MOSFETの特許を出願した[ 4 ]。同じくRCAのポール・K・ワイマーはウォールマークのアイデアを実装し、 1962年に薄膜トランジスタ（TFT）を開発した。これは標準的なバルクMOSFETとは異なるタイプのMOSFETで、セレン化カドミウムと硫化カドミウムの薄膜で作られていた。
TFTベースの液晶ディスプレイ（LCD）のアイデアは、1968年にRCA研究所のバーナード・レヒナーによって考案されました。1971年、レヒナー、FJマーロウ、EOネスター、J.タルツは、LCDの動的散乱モードを使用したハイブリッド回路で駆動される2×18マトリックスディスプレイを実証しました。[ 5 ] 1973年、ウェスティングハウス研究所のT.ピーター・ブロディ、JAアサールス、GDディクソンは、 CdSe（セレン化カドミウム）TFTを開発し、それを使用して最初のCdSe薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ（TFT LCD）を実証しました。[ 6 ] [ 7 ]ブロディとファンチェン・ルオは1974年にCdSe TFTを使用した最初のフラットアクティブマトリクス液晶ディスプレイ（AM LCD）を実証し、その後ブロディは1975年に「アクティブマトリクス」という用語を作り出した。 [ 5 ]
2013年までに、最新の高解像度・高品質の電子視覚表示装置のほとんどはTFTベースのアクティブマトリクスディスプレイを使用していた。[ 8 ] [ 9 ] [ 6 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
2024年現在、TFT液晶ディスプレイは依然として主流だが、高輝度・高解像度ディスプレイでは有機ELディスプレイと競合し、低消費電力ディスプレイでは電子ペーパーと競合している。
電卓や同様のシンプルなディスプレイを備えた他のデバイスで使用される液晶ディスプレイは、直接駆動の画像要素を備えているため、これらのタイプのディスプレイの1つのセグメントに電圧を簡単に印加でき、他のセグメントに干渉することはありません。これは、多数の（カラー）画像要素（ピクセル）を持つ大型ディスプレイでは非現実的です。そのため、各ピクセルの3色（赤、緑、青）それぞれについて、上下に数百万の接続が必要になります。この問題を回避するために、ピクセルは行と列でアドレス指定され、接続数を数百万から数千に減らします。列と行のワイヤは、各ピクセルごとに1つずつトランジスタスイッチに接続されます。トランジスタの一方向電流通過特性により、ディスプレイの画像のリフレッシュの間に各ピクセルに印加されている電荷が放電されるのを防ぎます。各ピクセルは、透明な導電層である酸化インジウムスズ（ITO）の間に絶縁性液晶層が挟まれた小さなコンデンサです。
TFT-LCDの回路レイアウトプロセスは半導体製品のそれと非常によく似ています。ただし、トランジスタは結晶シリコンウェハに形成されたシリコンから製造されるのではなく、ガラスパネル上に堆積されたアモルファスシリコンの薄膜から作られます。TFT-LCDのシリコン層は通常、PECVDプロセスを使用して堆積されます。[ 13 ]トランジスタは各ピクセルの面積のごく一部しか占めず、残りのシリコン膜は光が容易に通過できるようにエッチングされます。
多結晶シリコンは、より高いTFT性能が求められるディスプレイに使用されることがあります。例としては、プロジェクターやビューファインダーなどに見られるような小型の高解像度ディスプレイが挙げられます。アモルファスシリコンベースのTFTは、製造コストが低いため圧倒的に一般的ですが、多結晶シリコンTFTはより高価で、製造もはるかに困難です。[ 14 ]
ツイステッドネマティック（TN）ディスプレイは、最も古く、最も安価な液晶ディスプレイ技術の一つです。TNディスプレイは、IPSディスプレイなどの他のタイプのLCDに比べてピクセル応答速度が速く、残像も少ないですが、特に垂直方向の色再現性と視野角が限られています。ディスプレイに対して垂直でない角度から見ると、色がずれて、場合によっては完全に反転してしまうこともあります。現代のハイエンド消費者向け製品では、RTC（応答時間補正／オーバードライブ）技術など、この技術の欠点を克服する方法が開発されています。最新のTNディスプレイは、数十年前の古いTNディスプレイよりも大幅に見栄えが良くなっていますが、全体的に見ると、TNはIPSなどの他の技術に比べて視野角が狭く、色再現性も劣っています。
ほとんどのTNパネルは、RGBチャンネルごとに6ビット、合計18ビットしか使用せずに色を表現できず、24ビットカラーで利用可能な1670万色の色調（24ビットトゥルーカラー）を表示できません。代わりに、これらのパネルは、隣接するピクセルを組み合わせて目的の色調をシミュレートするディザリング方式を使用して、補間された24ビットカラーを表示します。また、フレームレート制御（FRC）と呼ばれる一時的ディザリングの一種を使用することもできます。これは、新しいフレームごとに異なる色調を切り替えて中間色調をシミュレートします。このようなディザリングを備えた18ビットパネルは、「1620万色」と宣伝されることがあります。これらの色シミュレーション方法は、多くの人に気づかれ、一部の人にとっては非常に煩わしいものです。[ 15 ] FRCは暗いトーンで最も目立つ傾向があり、ディザリングはLCDの個々のピクセルを目立たせるように見えます。全体として、TNパネルの色再現性と直線性は劣っています。ディスプレイの色域（ NTSC 1953色域に対する割合として表されることが多い）の欠点は、バックライト技術にも起因しています。古いディスプレイではNTSC色域の10%から26%程度が一般的ですが、より複雑なCCFLやLED蛍光体、あるいはRGB LEDバックライトを採用したディスプレイでは、NTSC色域の100%を超える色域を実現できる場合があり、その違いは人間の目でも容易に判別できます。
LCDパネルのピクセルの透過率は通常、印加電圧に対して線形に変化しない[ 16 ]。また、コンピュータモニターのsRGB規格では、 RGB値の関数として放出される光量の特定の非線形依存性が要求される。
IPS（In-plane switching ）は、当時のTNパネルの視野角の狭さと色再現性の悪さを改善するために、1996年に日立によって開発されました。 [ 17 ] [ 18 ]その名前は、TNパネルとの主な違いである、結晶分子がパネル面に垂直ではなく平行に移動することに由来しています。この変更により、マトリックス内の光散乱量が減少するため、IPSは広い視野角と優れた色再現性という特徴を備えています。[ 19 ]
IPS技術の初期バージョンは応答速度が遅く、コントラスト比が低いという欠点がありましたが、その後の改良によりこれらの欠点は大幅に改善されました。広い視野角と正確な色再現性（斜めから見ても色ずれがほとんどない）により、IPSはプロのグラフィックアーティスト向けのハイエンドモニターに広く採用されていますが、近年価格が下がったことで一般市場でも見られるようになりました。IPS技術は日立からパナソニックに売却されました。
これは韓国のBoe-Hydis社がIPSから派生したLCD技術です。2003年まではフリンジフィールドスイッチング（FFS）として知られていましたが、[ 23 ]アドバンストフリンジフィールドスイッチングはIPSまたはS-IPSに似た技術で、高輝度で優れた性能と色域を提供します。光漏れによる色ずれや偏差は、白色域を最適化することで補正され、白/グレーの再現性も向上します。AFFSは韓国のHydis Technologies Co., Ltd（旧Hyundai Electronics、LCDタスクフォース）によって開発されました。[ 24 ]
2004年、ハイディス・テクノロジーズ株式会社は、AFFS特許を日本の日立ディスプレイにライセンス供与しました。日立は、自社製品ラインのハイエンドパネル製造にAFFS技術を採用しています。2006年には、ハイディスはサンヨーエプソンイメージングデバイス株式会社にもAFFS技術のライセンス供与を行いました。
Hydisは2007年に、屋外での視認性を向上させるAFFS+を導入した。
当時としては高速なピクセル応答速度、広い視野角、高コントラストを実現したが、明るさと色再現性は犠牲になった。最新のMVAパネルは、広い視野角（S-IPS技術に次ぐ）、優れた黒深度、優れた色再現性と色深度、そして応答時間補正（RTC）技術の採用による高速応答時間を実現している。MVA パネルを斜めから見ると色がずれるが、TNパネルに比べるとはるかに小さい。
MVAをベースとした「次世代」技術はいくつかあり、AU OptronicsのP-MVAやAMVA 、Chi Mei OptoelectronicsのS-MVAなどが挙げられる。
安価な PVA パネルはディザリングやFRC を使用することが多いのに対し、スーパー PVA (S-PVA) パネルはすべて色成分ごとに少なくとも 8 ビットを使用し、色シミュレーション方式は使用しません。[ 25 ] S-PVA は、ソリッドブラックの斜めからのグローイングを大幅に解消し、斜めからのガンマシフトも低減しました。ソニーのハイエンドBRAVIA LCD テレビの中には、例えば Bravia X4500 シリーズのように、10 ビットと xvYCC 色をサポートするものもあります。S-PVA は、最新の RTC 技術を使用して高速応答時間も提供します。
アドバンストスーパービュー（軸対称垂直配向とも呼ばれる）はシャープによって開発された。[ 26 ] これは、オフ状態で液晶分子が基板に対して垂直に配向するVAモードである。下側のサブピクセルは電極が連続的に覆われているが、上側のサブピクセルはサブピクセルの中央に小さな面積の電極がある。
電界がオンになると、電界によって液晶分子がサブピクセルの中心に向かって傾き始め、その結果、連続的なピンホイール配列（CPA）が形成されます。方位角は360度連続的に回転し、優れた視野角が得られます。ASVモードはCPAモードとも呼ばれます。[ 27 ]
サムスンが開発した技術であるSuper PLSは、IPSパネルに類似しており、視野角が広く、画質が良く、輝度が高く、製造コストが低いという特徴があります。PLS技術は、2011年9月に発売されたSamsung S27A850およびS24A850モニターでPCディスプレイ市場に初登場しました。[ 28 ]
TFTデュアルトランジスタピクセル（DTP）技術は、電子棚札（ESL）、デジタル時計、計測機器など、超低消費電力アプリケーションで使用される反射型ディスプレイ技術です。DTPでは、単一のTFTセルにセカンダリトランジスタゲートを追加することで、画像が途切れたり、TFTトランジスタが経年劣化したりすることなく、1秒間ピクセルの表示を維持します。DTPは、標準周波数のリフレッシュレートを60Hzから 1Hzに下げることで 、電力効率を数桁向上させるとされています。
TFT工場の建設コストが非常に高いため、大型ディスプレイパネル向けの主要なOEMパネルベンダーはごく少数です。ガラスパネルのサプライヤーは以下のとおりです。
TFT LCDなどの外部コンシューマーディスプレイデバイスには、VGA、DVI、HDMI、またはDisplayPortのアナログインターフェースが1つ以上搭載されており、多くの場合、これらのインターフェースが複数搭載されています。外部ディスプレイデバイス内部には、カラーマッピングと画像スケーリングを使用してビデオ信号を変換するコントローラボードがあり、通常は離散コサイン変換（DCT）を使用して、 CVBS、VGA、DVI、HDMIなどのビデオソースをディスプレイパネルのネイティブ解像度でデジタルRGBに変換します。ノートパソコンでは、グラフィックチップが内蔵TFTディスプレイへの接続に適した信号を直接生成します。バックライトの制御機構も通常は同じコントローラボードに搭載されています。
STN、DSTN、またはTFTディスプレイパネルの低レベルインターフェースは、古いディスプレイではシングルエンドTTL 5V信号、やや新しいディスプレイではTTL 3.3V信号を使用し、ピクセルクロック、水平同期信号、垂直同期信号、デジタル赤、デジタル緑、デジタル青を並列に送信します。一部のモデル（例えばAT070TN92）では、入力/表示イネーブル信号、水平走査方向信号、垂直走査方向信号も備えています。
新しく大型の (>15 インチ) TFT ディスプレイでは、パラレル インターフェースと同じ内容 (Hsync、Vsync、RGB) を伝送するLVDSシグナリングがよく使用されますが、制御ビットとRGBビットは、ピクセル レートと同じレートのクロックに同期した複数のシリアル伝送線に送られます。LVDS は、クロックごとにデータ ラインごとに 7 ビットを伝送し、そのうち 6 ビットがデータで、残りの 6 ビットを反転して DC バランスを維持する必要があるかどうかを示すために 1 ビットが使用されます。低価格の TFT ディスプレイは、通常 3 本のデータ ラインを備えているため、ピクセルあたり 18 ビットしか直接サポートしません。高価格帯のディスプレイは、ピクセルあたり 24 ビット (トゥルー カラー) またはピクセルあたり 30 ビットをサポートするために、それぞれ 4 本または 5 本のデータ ラインを備えています。パネルメーカーは、差動ペアの数を 6 分の 1 に削減できる Internal DisplayPort および Embedded DisplayPort で LVDS を徐々に置き換えています。
バックライトの輝度は通常、数ボルトの直流電圧を変化させるか、PWM信号を生成するか、ポテンショメータを調整するか、あるいは固定することで制御されます。これにより、高電圧（1.3kV）のDC-ACインバータまたはLEDマトリックスが制御されます。LEDの輝度を制御する方法は、PWMでパルス信号を送ることですが、これは高調波フリッカーの原因となる可能性があります。
ディスプレイパネル単体では、製造時に設計されたパネルピクセルマトリックスによって決定される解像度のデジタルビデオ信号しか受け付けません。一部のスクリーンパネルは、一貫したインターフェースを表示するために、カラー情報の最下位ビット(LSB ) を無視します(8 ビット -> 6 ビット/色 x3)。[ 31 ]
VGAのようなアナログ信号の場合、ディスプレイコントローラは高速なアナログ-デジタル変換を行う必要があります。DVIやHDMIのようなデジタル入力信号の場合、入力解像度がディスプレイパネルの解像度と一致しない場合は、リスケーラに入力する前にビットの順序を単純に並べ替える必要があります。
液晶は、あらゆる危険性の可能性について、常に毒性試験および生態毒性試験を受けています。その結果は以下のとおりです。
この声明は、メルクKGaAだけでなく、競合他社であるJNC株式会社（旧チッソ株式会社）およびDIC（旧大日本インキ化学株式会社）にも適用されます。これら3社は、急性毒性または変異原性のある液晶を市場に投入しないことに合意しました。3社は世界の液晶市場の90%以上を占めています。残りの市場シェアを占める液晶は、主に中国で生産されており、世界トップ3のメーカーが製造する特許切れの旧来の物質で構成され、既に毒性試験が実施されています。そのため、これらも無毒とみなすことができます。
完全な報告書はMerck KGaAのウェブサイトで入手可能です。[ 33 ]
多くの液晶モニターで使用されているCCFLバックライトには 、有毒な水銀が含まれています。
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