Das ED060KC1 ist ein E-Paper Display, das im Kindle Paperwhite 3 eingesetzt wird. Auf einer Fläche von 91mm x 122mm bietet es eine Auflösung von 1072 x 1448 Pixeln mit 16 Graustufen.
Auf dem vorliegenden Bruchstück des Displays wurde bereits das obere Abdeckglas entfernt. Auf der unteren Glasscheibe befindet sich die Steuerungslogik der Pixel und die Masse, die abhängig vom elektrischen Feld hell oder dunkel erscheint. In dem weißen Verguss befindet sich der Chip, an den das Display angebunden ist. Von unten erfolgt die Ansteuerung über einen Folienleiter.
Von der Rückseite aus sieht man durch das Glas hindurch die Leiterzüge, die auf der Vorderseite des Glaselements zuunterst aufgebracht sind.
Die von unten kommenden Zuleitungen zum Steuer-IC sind deutlich sichtbar. Nach oben führen die vielen Steuerleitungen, die die Zeilen und Spalten des Displays bedienen.
Im Detail kann man die vielen Kontaktflächen des Steuer-ICs erkennen.
A060KEN01 könnte die Typbezeichnung des Panels sein. Darunter sind die bei der Herstellung verwendeten Maskenrevisionen dargestellt. Demnach kamen acht Masken zum Einsatz, die anscheinend nach dem ersten Entwurf nicht mehr überarbeitet werden mussten.
Am rechten Rand finden sich Quadrate, die die korrekte Ausrichtung der Masken aufzeigen.
An der linken Kante des Displays befindet sich ein rundes Element, auf dem sich eine Masse befindet, die sich von der aktiven Masse des Displays unterscheidet. Höchstwahrscheinlich handelt es sich hier um die elektrische Anbindung der oberen Glasplatte. Die obere Glasplatte enthält üblicherweise keine komplexeren Strukturen, sondern stellt nur eine große Gegenelektrode für das gesamte Display dar.
Die auf dem Display verteilte Masse setzt sich aus Kügelchen zusammen, die verschiedene Durchmesser bis zu ungefähr 60µm aufweisen. In diesen Kügelchen befinden sich die Pigmente, die abhängig vom angelegten elektrischen Feld an die Oberseite transportiert oder in den Hintergrund verlagert werden. Je nachdem wo sich die Pigmente befinden, erscheinen die Kügelchen dunkel oder hell.
Die aktive Masse ist dünn auf der Glasscheibe verteilt. Auf der Oberfläche der Glasscheibe befindet sich die TFT-Matrix, die örtlich begrenzt die elektrischen Felder erzeugt, die wiederum die Helligkeit der Kügelchen bestimmen.
Der IEEE Artikel "An Electrophoretic Display, Its Properties, Model, and Addressing" zeigt den Aufbau eines E-Paper Pixels (IEEE Transactions on electron devices, Vol. ED-26, No. 8, August 1979). Typisch für ein TFT-Display besitzt jedes Pixel einen Transistor. Legt man an eine Zeile das gewünschte Steuerpotential an, so kann man über das Aktivieren einer Spalte das Steuerpotential in das Pixel laden. Ein parallel geschalteter Kondensator ermöglicht eine schnelle Ansteuerung der an sich trägen Pixel. Die Bewegung der Pigmente nimmt eine nicht unerhebliche Zeit in Anspruch. Üblicherweise wünscht man sich aber einen schnellen Bildaufbau. Die Ladung des Kondensators garantiert ein ausreichendes elektrisches Feld, um die Bewegung der Pigmente zu unterstützen, während der Display-Controller schon das nächste Pixel ansteuert.
Die Kantenlänge eines Pixels beträgt laut Datenblatt 84µm. Man sieht die helle, obere Elektrode, durch die sich die Strukturen der darunter liegenden Elemente abzeichnen. Die große Fläche, die sich von links oben nach rechts unten erstreckt, ist der Bereich des Speicherkondensators, der unter der Pixel-Elektrode integriert ist. Auf dem Panel befindet sich eine transparente, leitfähige Schicht, die die elektrischen Felder der Steuersignale abschirmt. Diese Schicht besitzt Ausschnitte, die ziemlich genau der Form der Speicherkondensatoren entsprechen. Nur dort kann das elektrische Feld des Pixels die darüber liegende aktive Masse beeinflussen. Innerhalb des Quadrats in der linken unteren Ecke befindet sich der Schalter des Pixels.
Zwischen den Pixeln verlaufen die
Ansteuerungs- und Versorgungsleitungen. Horizontal sind es zwei Leitungen je
Pixelreihe. Die obere Leitung dient als Bezugspotential für den integrierten
Kondensator. Die untere Leitung ist die Versorgungsleitung. Die Pixelreihe, bei
der die Versorgungsleitung aktiv ist, kann vom Steuer-IC beschrieben werden.
Vertikal verlaufen drei Leitungen durch die Matrix.
Die Leitung links der Pixel schaltet den integrierten Transistor und steuert
darüber das Pixel. Je nachdem, ob an der Versorgungsleitung eine negative oder
eine positive Spannung anliegt, werden die Pigmente in den Kügelchen zur Ober-
oder zur Unterseite bewegt. Zwei der drei vertikalen Leitungen scheinen über runde Kontakte
mit allen horizontal verlaufenden Versorgungsleitungen verbunden zu sein. Eine
solche Durchverbindung wäre allerdings sinnlos, da man keine einzelne
Zeile mehr auswählen könnte. Auffällig ist, dass bei Bildern des vollständigen
ED060KC1 Displays seitlich keine größeren Kontaktbereiche zu erkennen sind.
Wahrscheinlich stellt in jeder Zeile nur eines der runden Elemente tatsächlich einen
Kontakt dar und die vertikalen Leitungen realisieren entsprechend neben der
Spaltenauswahl auch die Zeilenauswahl.
Durch das Glas kann man die Strukturen auch von unten analysieren. Dort ist gut zu erkennen, dass alle Gateelektroden einer Spalte an eine der drei vertikalen Leitungen angebunden sind. Jedes Pixel besitzt zwei unterschiedlich große Gateelektroden. Die Gateelektroden schalten eine Verbindung von der darunter liegenden horizontalen Leitung zum Kondensator und zur Elektrode des Pixels.
Die Serienschaltung von zwei MOSFETs ist notwendig, da sich die Versorgungsspannung üblicherweise im niedrigen zweistelligen Voltbereich bewegt. Mit dem Polaritätswechsel zur Umschaltung der Pixel verdoppelt sich die Spannung zwischen der Versorgungsleitung und eines invers geschalteten Pixels. Die nicht optimalen Eigenschaften von TFT-Transistoren lassen dann einen nicht unerheblicher Leckstrom fließen, der den Status des Pixels degradieren lässt. Weitere Informationen zu diesem Thema finden sich im IEEE-Artikel "Simulation of Active-Matrix Elektrophoretic Display Response Time Optimization by Dual-Gate a-Si:H TFT With a Common Gate Structure", erschienen im Journal of Display Technology, Vol. 4, No. 2, June 2008.
Auf der vorliegenden, linken Seite des Displays befinden sich zwei Sammelschienen. Die horizontal verlaufenden Leitungen kontaktieren abwechselnd direkt eine der Sammelschienen und über zwei als Widerstände agierende Transistoren die andere Sammelschiene. Vermutlich stellt die massivere Anbindung das Bezugspotential für den Speicherkondensator dar, während die Widerstände die inaktiven Spalten auf einem definierten Potential halten.
An der unteren Kante des Displays befinden sich drei breite, horizontale Leitungen, die an der linken Kante über Widerstände miteinander verbunden sind. Die Leitungen, die diagonal aus der Pixelmatrix zum Controller führen, sind jeweils über einen Widerstand mit den breiten horizontalen Leitungen verbunden. Höchstwahrscheinlich werden auch hier inaktive Leitungen auf ein definiertes Potential gelegt.
Auffällig ist, dass nicht jede Leitung des Panels mit dem Controller verbunden ist. Die Gate-Leitungen sind immer kontaktiert. Bei den anderen beiden, vertikal verlaufenden Leitungen werden immer wieder Potentiale ausgelassen. Das spricht für die Annahme, dass die vertikalen Leitungen auch die Ansteuerung der Zeilen übernehmen. Bei der Auflösung von 1072 x 1448 Pixeln benötigt man je Spalten-Steuerleitung 1,35 Zeilen-Steuerleitungen. Das würde erklären warum neben den Spalten-Steuerleitungen manchmal zwei Leitungen kontaktiert werden, etwas öfter aber nur eine Leitung angebunden ist.
Die unterste Pixelreihe wurde nicht sauber gefertigt. Die obere Metallisierung ist dort nicht vollständig. In einem Bereich erstreckt sich die Metallisierung dafür bis über die Widerstände nach unten. Bei außergewöhnlicheren Strukturen oder Prozessen kann man teilweise die Fertigungsqualität nicht bis in die Randbereiche garantieren. Aus diesem Grund wird dann ein Randstreifen mit inaktiven Elementen definiert. Etwas ähnliches findet sich bei dem DLP-Modul DMD1076 und bei der Wärmebildkamera Lepton 2.5.
Die nicht vollständige Metallisierung der untersten Pixelreihe ermöglicht es auch von oben einen Blick auf die MOSFETs der Pixel zu werfen.
Innerhalb einer Teststruktur kann man über vier Testpads ein einzelnes Pixel vermessen. Von unten werden die enthaltenen MOSFETs angesteuert, von links wird das Pixel versorgt. Die obere Metallelektrode ist mit dem rechten Testpad verbunden. Das obere Testpad kontaktiert die Bezugselektrode des integrierten Speicherkondensators.
Am Rand des Displays finden sich drei Teststrukturen, die jeweils ein 4x4-Pixelarray in unterschiedlichen Ausbaustufen enthalten und es so ermöglichen den Aufbau genauer zu analysieren.
M1 und M2 stellen wahrscheinlich zwei Metalllagen dar, die sich hier hellgrau und lila darstellen. TH scheint für die Durchkontaktierungen zu stehen (through hole). 10x10µm würde einigermaßen zu den schwarzen Löchern zu passen. Das Kürzel BP lässt sich nicht zuordnen.
Gut erkennbar sind die zwei Bereiche, die als in Serie geschaltete MOSFETs agieren. Die untere Metalllage M1 stellt die zwei Gate-Elektroden dar. Die MOSFETs verbinden die untere, horizontale Leitung mit dem oberen Bereich, wo sich auch die Durchkontaktierung befindet. In diesem Bild ist gut zu erkennen, dass die Metalllagen M1 und M2 den Speicherkondensator darstellen.
Auch hier kann man von der Unterseite der Glasscheibe zusätzlich einen Blick auf die Rückseite der Strukturen werfen. Die großen Durchkontaktierungen haben Löcher in der untersten Metalllage hinterlassen.
Die zweite Teststruktur ist der ersten sehr ähnlich. Den Kürzeln nach zu urteilen, kam der Prozess AS dazu, dafür fehlt der Prozess BP. Innerhalb der MOSFETs sind nun dunklere Bereiche zu erkennen. Man kann davon ausgehen, dass AS für amorphes Silizium steht, das den aktiven Bereich der Transistoren darstellt.
Die Durchkontaktierungen sind hier weniger ausgeprägt. Dazu passt die Angabe TH_5x5um.
M2_10um steht höchstwahrscheinlich für eine andere Art von Transistoren. Die Verbindungsleitung der beiden MOSFETs, die aus der zweiten Metalllage besteht, ist hier dünner. Die Breite kommt 10µm nahe.
Hier erstreckt sich die Durchkontaktierung nicht bis zur Glasfläche hindurch.
In der dritten Teststruktur ist nach den obigen Erkenntnissen das amorphe Silizium der MOSFETs enthalten (AS). Passend dazu sind von unten rötliche Elemente zu erkennen, die anscheinend die aktiven Bereichen der MOSFETs darstellen.
M3 bezeichnet die dritte Metalllage, die die oberste Elektrode abbildet. Diese Metallfläche scheint sich zum Teil in einer Vertiefung zu befinden, was von unten gut zu erkennen ist. Dieser Aufbau erhöht wahrscheinlich die Kapazität zwischen den Metalllagen M2 und M3 und damit des Speicherkondensators. Das mittlere Element des Kondensators (M2) führt das Bezugspotential. Die Metallflächen darunter (M1) stellt die zweite Elektrode dar. Da die Elektrode auf der Oberseite (M3) das gleiche Potential führt wie die Metalllage M1 kann man sie vorteilhaft nutzen, um die Kapazität des Kondensators zu erhöhen.
Das Kürzel PL lässt sich nicht zuordnen. ITO steht für Indium Tin Oxide. Indiumzinnoxid wird in Displays genutzt, um transparente, leitfähige Schichten zu generieren. Passend dazu ist die komplette Struktur mit einer transparenten Schicht überzogen. Der Teil der oberen Elektrode, der sich auch über dem Speicherkondensators befindet ist ausgespart. Das ist sinnvoll, da so nur das gewünschte elektrische Feld nach oben hin wirksam wird, während die Indiumzinnoxidschicht das elektrische Feld der Steuerleitungen abschirmt. Die Maskierung garantiert, dass sich die aktive Masse nicht durch die Steuersignale beeinflussen lässt.
Zwischen den Pixeln sind jeweils zwei blaue Punkte zu erkennen, die sich dort befinden, wo die Durchkontaktierungen von M2 zu M1 erfolgen. Vielleicht wird darüber ausgewählt, welche der Durchkontaktierungen keine elektrischen Verbindungen darstellen sollen. Wie beschrieben, ist es nicht sinnvoll die vertikalen Leitungen mit allen horizontalen Leitungen zu verbinden.
