TFT液晶とは？
TN,VA,IPS型の違い、TFT液晶モジュールについて

車載向けTFT液晶のディスプレイコントローラの特長について

TFT液晶とは

TFT液晶(英語:Thin Film Transistor Liquid Crystal)は、薄膜トランジスタを使ったアクティブマトリックス方式の液晶ディスプレイ　(=LCD(英語:Liquid Crystal Display))です。

アクティブマトリックス方式とは、LCDを動作させるための構造の一種です。LCDに表示されるグレーやカラーの濃淡は、LCD内部に充填されている液晶分子への印加電圧の強弱により制御されます。液晶分子が電圧の印加によりその向きを変え、光を通したり遮断したりすることで実現しています。アクティブマトリックス方式では、LCDの画素の1つ1つにTFTが配置されており、画素毎に印加電圧の制御ができるようになっています。

TFT液晶は、私たちの身の回りではスマートフォン、カーナビ、家電製品など、毎日見かけるものに使われています。

TFT液晶ディスプレイの構造

TFT液晶ディスプレイの断面図と表示のしくみ (1)明緑色表示の場合

TFT液晶ディスプレイの断面図と表示のしくみ(2) 赤色表示の場合

LCD液晶や有機EL、IPS液晶、LEDとの違い

“LCD液晶”という言葉をよく聞きますが、これは単にLCDのことを指しています。上記のとおり、LCDはバックライトが光源として用意されており、その光を通すか遮断するかで明るさや色の濃淡が制御されます。バックライトは、以前は冷陰極管(英語：Cold Cathode Fluorescent Lamp = CCFL)という蛍光灯の一種が主流でした。現在はLED(英語:Light Emitting Diode)が多く使われています。

一方、有機ELディスプレイ(英語:Organic Electro-Luminescence Display)は、バックライトは使わず、有機ELで構成されるディスプレイ自体が発光します。

また、IPS液晶(英語：In Plane Switching Liquid Crystal)もTFT液晶の一種です。

TFT液晶のメリット

TFT液晶は、従来のパッシブマトリックス方式と比べて応答速度が速く、コントラスト比が高いというメリットがあります。

TFT液晶の種類

TN型ディスプレイ

TN型ディスプレイ(英語：Twisted Nematic LCD)は、パソコンなど身の回りで多く採用されているTFT液晶ディスプレイの一種です。液晶分子が電圧の印加によりねじれることでバックライトの遮断と透過をコントロールします。TN型ディスプレイは応答速度が高いことが特長です。しかし、見る角度により色が変わってしまう難点があります。電圧を印加しない場合はバックライトを透過するため、ノーマリーホワイト(全点灯)です。

VA型ディスプレイ

VA型ディスプレイ(英語：Vertical Alignment LCD)は、液晶テレビなどに使われます。電圧を印加することで、液晶分子をパネルと垂直方向から水平方向に並び替えて、バックライトの遮断と透過をコントロールします。VA型ディスプレイはコントラストが高い特長があります。電圧を印加しない場合はバックライトを遮断するため、ノーマリーブラック(全消灯)です。

IPS型ディスプレイ

IPS型ディスプレイ(英語：In Plane Switching LCD)は、液晶分子が電圧印加でパネルと水平方向に回転することでバックライトの遮断と透過をコントロールします。IPS型ディスプレイは視野角が広いことが特長です。電圧を印加しない場合はバックライトを遮断するため、ノーマリーブラック(全消灯)です。

TN、VA、IPS型の違い

上記にあるとおり、TN型,VA型,IPS型ディスプレイは、液晶分子の制御の仕方が異なります。

夫々の特徴を下表にまとめます。

TFT液晶モジュールの使い方「Arduinoと組み合わせて使う方法」

LCDC（LCDコントローラ）・ディスプレイコントローラとは？

LCDコントローラ(LCDC)とは、液晶パネル(LCD)の制御をホスト(CPU)の代わりに行う専用の集積回路(IC)です。ディスプレイコントローラとも呼ばれます。

ディスプレイコントローラとは？

Arduinoと組み合わせて使う方法

Arduino(アルディーノ)は、世界中で広く販売されているMCUの搭載されたボードです。このArduinoの一つであるArduino DueをエプソンのLCDC　S1D13781に接続して使用する場合の使用例を紹介します。

Arduino DueはARM Cortex-M3コアを搭載したAtmel SAM3X8Eを実装しているボードです。世界中で販売されていますが、国内でも多くの通販サイトで入手が可能です。

S1D13781はフルカラーでWQVGAまでの表示制御が可能なLCDCです。このS1D13781を搭載し、Aruduino Dueとの接続が簡単にできるボードとして用意したのがS5U13781R01C100ボードです。

このS5U13781R01C100ボードとArduino Due、そしてWQVGAのTFT液晶モジュールを組み合わせて簡単にLCDCの機能が確認できるリファレンスデザインを用意しました。詳細は下記URLをご覧下さい。

URL: https://www.epson.jp/prod/semicon/products/display_controllers/reference_design.htm

S5U13781R01C100ボード

 

TFT液晶の「カラー化と高解像度化」を実現する際の２つの課題

TFT液晶を使ったカラー化の場合

モノクロ液晶からカラーTFT液晶に変更し、ディスプレイをカラー化したい場合には、表示に必要なデータ量が増え、処理に必要なメモリ容量やハードウェアのパフォーマンスも上がります。

例えば、1枚の画像データの容量は、モノクロ16階調表示のQVGA(320x240ドット)パネルの場合
320x240x24=76800x4ビット=38400バイト

です。これに対し、フルカラー表示(1600万色、RGB夫々8ビット)のQVGAパネルでは、
320x240x224=76800x24ビット=230400バイト

となり、同じ解像度でもデータ容量は実に6倍となります。画像データの処理、転送を行うために必要なメモリ容量やパフォーマンスはモノクロとカラーで大きく異なるのです。

モノクロとカラーの画像データ量

TFT液晶を使った高解像度化の場合

カラーTFT液晶の解像度をQVGAからVGA(640x480ドット)に変更する場合を見てみましょう。フルカラー表示のQVGAパネルの場合、1枚の画像データのTFT液晶は230400バイトでした。同様にWVGAのパネルでは、

640x480x224=307200x24ビット=921600バイト となり、

WVGAはQVGAの4倍のデータ容量となります。ディスプレイを高解像度化するとカラー化と同様に処理に必要なメモリ容量やパフォーマンスが大きくなります。

解像度によるデータ量の比較

「カラー化と高解像度化」の課題をエプソンのLCDCで解決する方法

TFT液晶を使ってカラー化・高解像度化する場合には、上記のように必要なメモリ容量や処理・転送のパフォーマンス増大に対応するため、既存の表示システムに使っているCPUの見直しが必要になります。また、部品見直しに伴う安定供給に対する不安、さらに医療機器など製品の再承認のプロセスにかかる時間やコストの課題が出てきます。これらの課題を、エプソンのLCDCが解決します。

TFT液晶を使ったカラー化・高解像度化の課題を解決するエプソンのLCDCについては下記の資料に詳しい情報をまとめています。

エプソンのLCDCで実現するTFTの画面表示例「測定器の例」

エプソンのLCDCを活用することで、下記の動画のような画面表示が可能になります。下記は測定器の画面表現を動画でアイディアとしてご紹介したサンプルです。お客様のTFTでもカラー化・高解像度化が実現できる可能性があります。

この他の画面表示・表現のアイディア例をダウンロード

TFT液晶を制御するエプソンLCDCの主な用途

産業分野を中心に広く採用されているエプソンのLCDC

エプソンのLCDCは特に産業分野の用途で使用されるTFT液晶モジュールの主な解像度をカバーしています。エプソンのLCDCをホスト(CPU)にアドオンすることで、カラー表示を短時間で効率的に実現します。