面板驅動IC設計目的簡介

[EE人專欄]

這禮拜我們邀請到從事 IC Design 的T大,跟大家閒聊一下面板驅動IC設計的基礎知識。這篇文章,也帶大家稍稍領略一下面板IC設計大概在做的事情~ 有志從事面板IC設計的同學不妨讀一讀!

  E.E.狂想曲會再陸續邀請產、學、研的大大們,跟大家分享他們在E.E.領域中打滾的心得或趣事哦!當然,本部落格也歡迎您的投稿!練肖話也可以哦!千萬不要害羞啊!!哈!

  以下就讓我們來欣賞一下T大的文章吧!

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  目前我從事driver ic製作,要弄懂driver ic之前,要先知道我們的客戶(面板廠)到底有什麼需求,在這邊我先簡介一下面板的基本架構。

  下圖是從群創首頁介紹那邊幹來的圖,這是其中一種顯示面板TFT-LCD的架構,目前市面上所用的手機面板大多是這種製程。而我們做的驅動積體電路只會控制薄膜電晶體、畫素電極、儲存電容這一層而已,因此我將對這部分做簡單介紹~。事實上我也不知道其他層在幹嘛的,我只是個EE,別為難我~~~


1. 薄膜電晶體、儲存電容、畫素電極

這部分的電路很像是積體電路的製程,大概只有3~4層layer,裡面埋的是簡單的邏輯電路,驅動面板的簡圖如下圖所示,去除掉一些複雜的通訊介面及訊號處理IP,只要有下列電路就能夠讓面板顯現出顏色,分別為Source driver、Gate driver、及pixel。


圖1、面板電路基本架構

註:由Gate driver決定儲存位址的Y軸,再將Source driver的類比電壓資料同時由X軸送入到電容裡儲存。當Gate driver由第一條線掃至最後一條線時,整個畫面的儲存資料也就完成。
在早期的面板還未如此複雜之前,Source driver及Gate driver都是由驅動IC廠所負責設計,畢竟整體的時序控制由一方所統一規劃會比較少溝通上的複雜。但是當面板的解析度越來越大之後,漸漸的Gate driver由面板廠用TFT製成做簡單的邏輯電路所控制,但是時序訊號還是由驅動IC廠所負責去控制面板電路,這類電路叫做GIP(Gate driver IC in panel)電路。


  TFT製程的元件特性大家有興趣的話可以上網搜尋,其中在手機上的TFT製程常見的NMOS導通電壓(使得電位可以經由薄膜電晶體傳至畫素電極)是+8~+15伏特左右,而截止電壓(使得漏電流最少,讓畫素電極維持電位)是在-8~-15伏特,因此這就是驅動IC廠所利用到的製程大概都是高壓製程的緣故。

  接下來介紹畫素電極所扮演的腳色,下方的圖可以看到三層,分別是畫素電極、液晶及VCOM電極,藉由Source driver給予畫素電極電壓後,就能改變液晶兩個端點的跨壓,如圖上跨壓將會使得液晶旋轉一個角度,藉以改變液晶的透光率。


圖2、液晶與跨壓電路示意圖

  面板上最小的單位就是以畫素電極來計算,包含一個NMOS、儲存電容。我們在更細的分析這個單位,如下圖所示。TFT製程裡的儲存電容本身是透明的,這是一個重要的特點!!!如果不是透明電極,那麼你的螢幕就是暗的!!!剛才一定有自以為聰明的人認為為什麼不用CMOS製程!!對吧!!!事實上,還真的有人是用CMOS製程,不過這個之後再說了。

圖3,畫素電容的佈局圖

  上圖裡,那個NMOS不是透明的,因此就會有所謂的透光率問題;當你的面板NMOS畫的越小、越密,那麼透光率就越高,整體亮暗的比例就越好;此外,當你的儲存電容越大,代表面板越不容易漏電、並且越不容易受到漏電或者其他訊號干擾而產生擾動,反正!!就是越好的意思!!!介紹到這邊,大概把薄膜電晶體、畫素電極及儲存電容的功用介紹完,這也是driver IC最主要控制的一個部分,其他的大概都跟我沒關係,更詳細的請找光電系的!!

2.畫素電極、液晶、VCOM電極

這部分剛剛已經說過,我們就是把電壓儲存至畫素電極的儲存電容,藉以改變與VCOM電極間的跨壓,產生不同的液晶透光率來控制亮暗。我大概就知道這樣,以下再多說的就是唬爛的了。

  液晶是很神奇的材料,介於固態與液態之間的第四態,你看下圖他分子彎彎的,就是因為彎彎的才可以控制光通過液晶後的角度,而根據材料的不同可以分成TN、VA mode液晶,TN mode是施加電壓是會躺平,讓光線轉90度;VA mode則是相反,當施加電壓時,光就會直線過去。在液晶的夾層中會有配向膜,會隨著光線的角度不同,而改變穿透率,因此光通過配向膜後就會有亮暗的差別。

  這些材料關鍵技術就是日本所掌握,人家這種基礎工業就是做得好,毛利才高…,更甚者就算用一樣的原料,他媽的日本的組裝就是能做的光對比比你高,真的很神。液晶材料的選用,會根據操作電壓、液晶反應時間、操作溫度或價格等因素來決定,因此光學部門必須掌握液晶的特性,去調整適合的操作電壓準位。至於要做到微米級的液晶特性,那就真的是另一個世界的學問了。


圖4、隨著不同跨壓產生的液晶彎曲角度

  VCOM電極也是蠻特別的一個電極,液晶所關係到的透光率,是由”跨壓”所決定,因此會有正、負極性的跨壓跨在畫素電極及VCOM電極,如下圖所示。若是只維持單一極性的跨壓,會使得液晶裡的帶電荷永久性的偏向某一側,這時候就會帶來不可回復的事情!!!很恐怖,又要花錢買一台手機了。也因為這個原因,液晶都會有所謂”壽命”的問題,假如VCOM沒調好,液晶就非常短命了。

圖5、相同跨壓時液晶的表現

3.彩色濾光片

就是彩色濾光片,如果你帶放大鏡看你的螢幕,就會看到RGB這三種顏色的彩色濾光片了。其實這層有趣的地方在於layout方法會根據液晶電場特性有所改變,或者是高解析度時一些編排顏色的方法都有所區別,這是每家面板廠所獨特的專利所在!!

後記

我的介紹就先到這邊,驅動IC設計的理念是完全根據面板廠設計面板時,所要的需求而設計的,因此可以說驅動IC最主要的功能,就是控制液晶,希望以上說明能讓你對驅動IC的”目的”能夠有初步的概念。



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