TFT液晶

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能力やコントラストなどの画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ックスLCDであり、パッシブマトリックスLCDや、セグメントが数個しかない単純な直接駆動型（つまり、セグメントがLCD外部の電子機器に直接接続された）LCDとは対照 的です。

TFT LCDは、テレビ、コンピュータモニター、携帯電話、ビデオゲームシステム、パーソナルデジタルアシスタント、ナビゲーションシステム、プロジェクター、^[2]および一部の自動車や中高級オートバイ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・ウォールマークが薄膜MOSFETの特許を申請しました。同じくRCAのポール・K・ワイマーが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) を開発しました。これは標準的なバルク MOSFET とは異なるタイプの MOSFET です。これはセレン化カドミウムと硫化カドミウムの薄膜で作られました。

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Bernard Lechnerによって考案されました。1971 年に、Lechner、FJ Marlowe、EO Nester、J. Tults 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する 2 x 18 マトリックス ディスプレイを実証しました。^[3] 1973 年に、Westinghouse Research LaboratoriesのT. Peter Brody、JA Asars、GD Dixon はCdSe (セレン化カドミウム) TFT を開発し、こ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。^{[4] [5]} Brody と Fang-Chen Luo は、1974 年に CdSe TFT を使用した最初のフラットアクティブ マトリックス液晶ディスプレイ(AM LCD) を実証し、その後 Brody は 1975 年に「アクティブ マトリックス」という用語を作り出しました。^[3]

2013年までに、現代の高解像度・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ックスディスプレイを採用しました。^{[6] [7] [4] [8] [9] [10]}

2024年時点では、TFT LCDディスプレイが依然として優勢ですが、高輝度・高解像度ディスプレイではOLEDと競合し、低電力ディスプレイでは 電子ペーパーと競合することになります。

電卓や、同様に単純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、直接駆動される画像要素を備えているため、この種のディスプレイの 1 つのセグメントにのみ電圧を簡単に印加することができ、他のセグメントに干渉することはありません。しかし、大型ディスプレイでは (カラー) 画像要素 (ピクセル)の数が多くなり、各ピクセルの 3 色 (赤、緑、青) ごとに上部と下部に何百万もの接続が必要になるため、この方法は非現実的です。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、接続数を何百万から数千に減らします。列と行のワイヤは、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の電流通過特性により、各ピクセルに印加されている電荷が、ディスプレイの画像のリフレッシュ間で放電されるのを防ぎます。各ピクセルは、透明導電層であるインジウムスズ酸化物 (ITO)の間に挟まれた絶縁液晶層を持つ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、トランジスタを結晶シリコンウェハーに形成されたシリコンから製造するのではなく、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製造します。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。^[11]トランジスタは各ピクセルの面積のほんの一部を占め、シリコン膜の残りの部分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、圧倒的に最も一般的ですが、多結晶シリコンTFTはコストが高く、製造がはるかに困難です。^[12]

TN (ツイストネマティック) ディスプレイは、最も古く、多くの場合最も安価な液晶ディスプレイ技術の 1 つです。TN ディスプレイは、 IPS ディスプレイなどの他の種類の LCD よりもピクセル応答時間が速く、にじみが少ないという特徴がありますが、特に垂直方向で色の再現性が低く、視野角が限られているという欠点があります。ディスプレイに対して垂直でない角度で見ると、色がシフトし、完全に反転することもあります。現代のハイエンドの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。現代の 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よくなっていますが、全体的には IPS などの他の技術と比較すると視野角が悪く、色も劣っています。

ほとんどの TN パネルは、RGB チャネルごとに 6ビット、つまり合計 18 ビットのみを使用して色を表現でき、24 ビット カラーで利用できる 1670 万色の色合い (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合いをシミュレートするディザリング方法を使用して、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 コントロール(FRC)と呼ばれる時間的ディザリング形式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合いを循環させて、中間の色合いをシミュレートします。ディザリングを使用したこのような 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、多くの人に目立ち、一部の人には非常に煩わしいものです。^[13] FRC は暗い色調で最も目立ちますが、ディザリングでは LCD の個々のピクセルが見えるように見えます。全体的に、TN パネルの色再現と直線性は劣っています。ディスプレイの色域( NTSC 1953 色域のパーセンテージで表すことが多い)の不足も、バックライト技術によるものです。古いディスプレイでは、NTSC 色域の 10% ～ 26% の範囲になるのが一般的ですが、より複雑な CCFL または LED蛍光体配合物や RGB LED バックライトを使用する他の種類のディスプレイでは、NTSC 色域の 100% を超える場合があり、この違いは人間の目に簡単に確認できます。

LCDパネルのピクセルの透過率は、通常、印加電圧に対して直線的に変化しません。^[14]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ます。

インプレーンスイッチング（IPS）は、当時のTNパネルの視野角の悪さと色再現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。 ^{[15] [16]}その名前は、結晶分子がパネル面に対して垂直ではなく平行に動くというTNパネルとの主な違いに由来しています。この変化によりマトリックス内の光散乱の量が減り、IPSに特徴的な広い視野角と優れた色再現がもたらされます。^[17]

IPS 技術の初期バージョンは、応答時間が遅く、コントラスト比が低いという特徴がありましたが、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。IPS は、視野角が広く、色再現が正確 (角度による色の変化がほとんどない) であるため、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、最近価格が下がったため、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、^[21]高度なフリンジフィールドスイッチングはIPSやS-IPSに似た技術で、優れた性能と高輝度の色域を提供します。光漏れによる色ずれや偏差は白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 Task Force）によって開発されました。^[22]

2004 年、Hydis Technologies Co., Ltd は、AFFS 特許を日本の日立ディスプレイズにライセンス供与しました。日立は、自社の製品ラインでハイエンド パネルを製造するために AFFS を使用しています。2006 年、Hydis は、AFFS を Sanyo Epson Imaging Devices Corporation にもライセンス供与しました。

Hydis は 2007 年に屋外での読みやすさを向上させる AFFS+ を導入しました。^{[引用が必要]}

当時としては高速なピクセル応答、広い視野角、高コントラストを実現しましたが、明るさと色再現は犠牲になりました。^{[引用が必要]}現代の MVA パネルは、広い視野角 (S-IPS 技術に次ぐ)、優れた黒の深み、優れた色再現と深み、および RTC (応答時間補正) 技術の使用による高速応答時間を提供できます。^{[引用が必要]} MVA パネルを垂直から外して見ると、色が変わりますが、TN パネルの場合よりはるかに小さくなります。^{[引用が必要]}

MVA をベースにした「次世代」技術としては、AU Optronics 社のP-MVAやAMVA 、Chi Mei Optoelectronics 社のS-MVAなど、いくつかあります。

安価な PVA パネルではディザリングやFRC がよく使用されますが、スーパー PVA (S-PVA) パネルでは、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法は使用しません。^{[引用が必要]} S-PVA では、黒一色のオフアングルの輝きも大幅に解消され、オフアングルのガンマ シフトも軽減されました。一部の高級 Sony BRAVIA LCD テレビでは、Bravia X4500 シリーズなど、10 ビットおよび xvYCC カラー サポートが提供されています。S-PVA では、最新の RTC テクノロジを使用して高速応答時間も実現しています。^{[引用が必要]}

軸対称垂直配向とも呼ばれるアドバンストスーパービューはシャープによって開発された。^[23] 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。下のサブピクセルには連続的に覆われた電極があり、上のサブピクセルに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、液晶分子は電界の影響でサブピクセルの中心に向かって傾き始めます。その結果、連続的なピンホイール配列（CPA）が形成され、方位角が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。^[24]

サムスンが開発した技術はスーパーPLSで、IPSパネルに類似しており、視野角が広く、画質が良く、明るさが高く、生産コストが低い。PLS技術は、2011年9月にサムスンS27A850およびS24A850モニターが発売され、PCディスプレイ市場にデビューした。^[25]

TFT デュアル トランジスタ ピクセルまたはセル テクノロジは、電子棚札 (ESL)、デジタル時計、計測などの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 テクノロジです。DTP では、単一の TFT セルにセカンダリ トランジスタ ゲートを追加して、1 秒間、画像が失われることなく、また TFT トランジスタが時間とともに劣化することなく、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 60 Hz から 1 Hz に遅くすることで、電力効率を数桁向上できると主張しています。

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の大手OEMパネルベンダーはわずかです。ガラスパネルサプライヤーは次のとおりです。

TFT LCD などの外付けコンシューマー ディスプレイ デバイスには、1 つ以上のアナログ VGA、DVI、HDMI、またはDisplayPortインターフェイスが搭載されており、多くのデバイスにはこれらのインターフェイスから選択できる機能が搭載されています。外付けディスプレイ デバイス内には、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)を採用して、 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。ラップトップでは、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メカニズムは、通常、同じコントローラ ボードに含まれています。

STN、DSTN、または TFT ディスプレイ パネルの低レベル インターフェイスは、古いディスプレイではシングル エンド TTL 5 V 信号を使用し、やや新しいディスプレイでは TTL 3.3 V 信号を使用して、ピクセル クロック、水平同期、垂直同期、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 (AT070TN92 など) には、入力/ディスプレイ イネーブル、水平スキャン方向、および垂直スキャン方向の​​信号も備わっています。

新しい大型 (15 インチ超) TFT ディスプレイでは、多くの場合、パラレル インターフェイス (Hsync、Vsync、RGB) と同じコンテンツを送信する LVDS 信号方式が使用されますが、制御ビットとRGBビットは、ピクセル レートに等しいクロックに同期した複数のシリアル伝送ラインに送られます。LVDS は、データ ラインごとにクロックごとに 7 ビットを送信します。そのうち 6 ビットはデータで、1 ビットは DC バランスを維持するために他の 6 ビットを反転する必要がある場合に信号を送るために使用されます。低価格の TFT ディスプレイでは、多くの場合 3 つのデータ ラインがあるため、直接サポートされるのは 1ピクセルあたり 18 ビットのみです。高級ディスプレイでは、それぞれ 24 ビット/ピクセル (トゥルーカラー) または 30 ビット/ピクセルをサポートするために、4 つまたは 5 つのデータ ラインがあります。パネル メーカーは、差動ペアの数を 6 分の 1 に削減できる内部ディスプレイ ポートと組み込みディスプレイ ポートに徐々に LVDS を置き換えています。^{[引用が必要]}

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、または単純に固定することによって制御されます。これにより、高電圧 ( 1.3 kV ) 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 LED をパルス化することですが、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。^{[引用が必要]}

裸のディスプレイ パネルは、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 ビデオ信号のみを受け入れます。一部のスクリーン パネルは、一貫したインターフェイスを提供するために、色情報のLSBビットを無視します (8 ビット -> 6 ビ​​ット/色 x3)。^{[引用が必要]}

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アナログからデジタルへの変換も実行する必要があります。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、リスケーラに送る前にビットの簡単な並べ替えが必要です。

液晶は、あらゆる危険性について毒性および生態毒性の試験を継続的に受けています。その結果、次のようになりました。

• 製造業からの廃水は水生生物に対して急性毒性がある。^[28]
• しかし、まれに刺激性、腐食性、または感作性作用を示す場合があります。混合物に限られた濃度を使用することで、いかなる影響も回避できます。
• 細菌（エームス試験）でも哺乳類細胞（マウスリンパ腫試験または染色体異常試験）でも変異原性がない。
• 発がん性があるとは疑われていない。^[29]
• 水生生物（細菌、藻類、ミジンコ、魚類）に有害である^[28]
• 重大な生体蓄積の可能性はない。
• 容易に生分解されない。^[29]

この声明は、メルク KGaA だけでなく、その競合企業である 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工業) にも適用されます。3 社はいずれも、急性毒性または変異原性液晶を市場に投入しないことに合意しています。これらの 3 社は、世界の液晶市場の 90% 以上を占めています。液晶の残りの市場シェアは、主に中国で生産されており、世界有数の 3 社が製造する、特許を取得していない古い物質で構成されており、すでに毒性試験が行われています。そのため、これらも無毒であると見なすことができます。

完全なレポートはMerck KGaAのオンラインで入手可能です。^[29]

多くの LCD 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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ウィキメディア・コモンズには、 TFT 液晶ディスプレイに関連するメディアがあります。

• TFT Central – レビュー、ニュース、記事、パネル検索データベースを含む
• 「モニターパネル検索」。FlatpanelsHD.com。– 液晶モニターパネル検索データベース
• 3Mによるアニメーション LCD チュートリアル
• 応答時間補正機能付き LCD パネル、X-bit labs、2005 年 12 月 20 日
• 「現代の LCD モニターのパラメータと特性」 。X -bit labs。2004年 10 月 26 日。2005 年 1 月 14 日時点のオリジナルからアーカイブ。
• TFT LCD ディスプレイのゲーム問題、Digital Silence、2004 年 8 月 10 日
• TFT LCD とは何か、Plasma.com – TFT LCD 内部の技術の詳細な説明
• モニター購入ガイド – CNETレビュー