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。