從iPad Air瘦身解析夏普IGZO液晶屏幕技術

液晶屏幕的構成

IGZO技術為什么可以讓液晶屏幕的功耗有如此大比例的下降？它還有怎樣的特點？而在前一代iPad上它的屏幕技術是否真的落后？IGZO屏幕是否會可以為智能手機的續(xù)航能力有所幫助？IGZO如何做到的高效節(jié)能，我們需要從TFT液晶屏幕的結構和工作原理談起。

什么是IGZO，它是Indium Gallium Zinc Oxide，翻譯成中文是銦鎵鋅氧化物，來自于日本夏普公司，它的中文名字似乎沒有去記憶的必要。IGZO材料是用于新一代薄膜晶體管技術中的溝道層材料，是一種全新的薄膜電晶體技術，是在原有的TFT液晶玻璃基板之上的主動薄膜層覆蓋的一層新材料，它的加入改善了原有TFT驅動的效率，而結合全新的設計可以帶來功耗上的降低。

常見液晶面板結構簡易示意圖

如第一張圖所示，這是我們常見的TFT液晶的結構圖。TFT是指Thin Film Transistor (薄膜場效應晶體管)，是指液晶顯示器上的每一液晶像素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅動。目前我們的手機、顯示器、電視機上使用的均為TFT型液晶，也是目前占絕對主流地位的液晶技術。為了更加便于大家簡單了解TFT-LCD的工作原理，我們來看第二張圖上簡易的TFT工作原理。液晶位于兩個玻璃基板之間，而附于玻璃基板上有與每一個液晶像素對應的薄膜驅動電路，基板之外有一對互相垂直關系的偏光片，通過向驅動電路附加調制過的不同相位、強度的信號讓液晶發(fā)生對應偏轉，配合偏光片的透光特性，從而得到我們想要的每個像素液晶組合出來的顏色、圖像組合。

液晶本身并不發(fā)光，所以一般也認為液晶面板整體產生的功耗與背光和驅動電路相關。而IGZO涂層直接解決了驅動電路效率的問題，而間接的又讓背光的效率有所提高。在傳統(tǒng)液晶屏幕中，玻璃基板上與液晶分子相連的半導體薄膜材料一般是非晶硅，簡寫為a-Si[amorphous silicon，無定型硅]，非晶硅的電子遷移率指標很差[注：電子遷移率的單位為cm2/Vs，即每秒鐘每伏電壓讓半導體材料電子遷移平方厘米的單位面積]，只有大概不到0.5cm2/Vs的水平。而優(yōu)化過的P-Si多晶硅的電子遷移率可以達到200cm2/Vs，相差400倍。如何提高半導體薄膜的效率一直是液晶發(fā)展的重要方向[其實這也是太陽能產業(yè)同樣在研究的技術]。

原本來說，獲得多晶硅的方法并不困難，只要在高溫燒結下就可以得到多晶硅薄膜［450度］，例如HTPS——高溫多晶硅。但是受限于玻璃基板耐高溫的問題，所以高溫多晶硅一般用于小尺寸的投影儀液晶中，它的尺寸只有1英寸左右，而只因為它能做成“高溫”多晶硅是因為它將玻璃材料改為了石英，生成的多晶硅帶來了明顯更高的效率，但它的尺寸也就僅限與此，做不大了。

是否只有多晶硅才能解決效率的問題？答案并不是絕對的。如果大家留意，在智能手機進入720p時代后，低溫多晶硅LTPS的屏幕就被越來越多的提起，其實在近兩年發(fā)布的所有手機、平板電腦[7英寸以下]，分辨率在720p、1080p的液晶屏幕，幾乎都是LTPS屏幕。看過前面知識介紹，大家應該清楚LTPS同樣是一種P-Si，多晶硅，它有著出色的薄膜性能。低溫多晶硅不再使用高溫燒結的辦法將非晶硅轉化為多晶硅，而是用激光照射的方式得到多晶硅。一般LTPS的電子遷移率平均在200cm2/Vs左右[100-300]，是非晶硅的400倍左右。

而在產業(yè)化的道路上，LTPS明顯要比a-Si面板生產線落后，目前LTPS有6代線支持，產能、成本要比已經使用8、8.5代和10代線的a-Si差得遠。這也使我們只能在一些智能手機上看到LTPS，而目前我們可以看到最好的LTPS屏幕恐怕是Amazon最新發(fā)布的Kindle Fire HDX 8.9，一塊8.9英寸的2560x1600分辨率的LTPS IPS屏幕。而之前在iPad3\iPad4、大多數(shù)10英寸以上筆記本電腦、平板電腦上使用的均是a-Si 非晶硅屏幕。

夏普 IGZO材料位置示意圖

IGZO為優(yōu)化a-Si獨辟蹊徑，它在原有薄膜上增加了一層IGZO材料，這層氧化物材料可以改善半導體薄膜的電子遷移率性能，但它的性能有多好，其實要比LTPS差很多。IGZO目前的電子遷移率只能做到3-15cm2/Vs，而LTPS是可以達到200cm2/Vs的水平。也許大家奇怪，那為什么不使用LTPS，而要使用IGZO呢？這與它產業(yè)化的發(fā)展，生產線的適應性，產能的保證有很大關系。在IGZO設計之初，主要服務的對象還是下一輪液晶顯示產品革命的主角——4K分辨率級的產品。在85寸甚至上百寸的4K分辨率的IGZO屏幕下，平均功耗可以達到幾十W，只與目前50寸左右的a-Si液晶電視相當。而與LTPS一樣，更小更薄的薄膜材料也讓液晶屏幕的像素密度可以更高，在2012年4月，夏普就表明可以提供10英寸2560分辨率和7英寸1080p分辨率的IGZO顯示屏。當然，在產業(yè)化的道路上IGZO幾乎可以適合目前包括LGD、索尼、奇美、京東方等在內所有液晶生產線6代線以上所有生產線，產能會更有所保證。

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IGZO和LTPS的高電子遷移率帶來了什么？

我們再用一張小的表格來說明一下a-Si 非晶硅、LTPS 低溫多晶硅、HTPS 高溫多晶硅和IGZO的差別。

更高效的電子遷移率代表了在驅動電路中只要很少的動作時間就可以保證液晶分子處于我們想要的狀態(tài)，以目前60Hz的液晶顯示畫面內容來算，如果在a-Si非晶硅時代，即便液晶畫面的每秒60幀畫面的每一幀內容沒有變化，可是由于驅動可以保持狀態(tài)能力太差，幾乎每一秒鐘都在工作。而對于LTPS或者IGZO來說，驅動電路可以有大量的時間處于暫停的狀態(tài)。從這個角度來說，它為驅動液晶電路節(jié)省了功耗。

夏普 IGZO技術的三大優(yōu)勢

但這并不是LTPS或者IGZO節(jié)電最重要的部分，畢竟驅動液晶像素所需要的能量要比照亮液晶的背光所消耗能量的比例低很多？那IGZO或者LTPS節(jié)能優(yōu)勢如何體現(xiàn)？這主要分兩個方面。第一，無論LTPS還是IGZO，它們的優(yōu)勢都在高分辨率高像素密度的液晶屏幕上，例如目前5英寸以內1080p屏幕一般都會使用LTPS技術，不然使用非晶硅屏幕功耗不堪設想。這也是為什么在未來的4K分辨率顯示屏幕上，IGZO將會更大程度體現(xiàn)節(jié)能優(yōu)勢的原因；第二，無論LTPS還是IGZO，正是因為它們電子遷移率的提升，所以薄膜單元相對非晶硅的驅動單元來說大大減小，變薄，這也使得它們更加適合制作高分辨率的液晶屏幕，同時，由于薄膜的變小變薄，周邊電路的簡化，讓背光的透光率也大大增加，所以也影響了背光的工作效率。而更窄的邊框，更薄的玻璃等等也都與IGZO核心技術改變帶來的周邊配套配件改變相關。

蘋果 iPad Air - 體積如何縮小的？

由于IGZO是目前夏普公司最新的顯示核心技術，當然它就不得不考慮到目前應用面最廣的手機和平板電腦等觸摸設備，得益于IGZO本身效率的提升和對觸摸功能的優(yōu)化。夏普公司還專門提到了使用IGZO技術的觸摸屏在觸摸功能方面要遠遠好于a-Si非晶硅液晶屏，其實最核心的原理很容易理解，由于驅動電路可以有大量時間處于暫停狀態(tài)，所以它對觸摸信號的干擾也變得少得多。如果大家注意蘋果在iPad Air的宣傳中的一些數(shù)據(jù)會發(fā)現(xiàn)，在iPad Air各個部件”瘦身“比例中，比例最大的就是觸摸層，它的厚度減小了70%。

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IGZO在iPad Air上顯示效果如何

無論是LTPS或者是IGZO，它只是液晶驅動薄膜上改善半導體效能的一種技術，它與液晶分子本身排列是沒有關系的，所以它與IPS或者TN屏幕沒有關系。當然，在iPad Air上，蘋果仍然使用的是IPS屏幕，只不過得益于IGZO讓它的尺寸得到了大大的縮減，功耗也大大降低。那么它的顯示效果如何？從我們主觀使用來看，與iPad相比有所不同，但仍然保持了很高的水準，和很好的色彩準確性。

我們在這里也簡單引用displaymate.com網(wǎng)站的測試成績簡單說明一下，大家有興趣可以查閱原網(wǎng)站內容。在iPad3和iPad4上，玻璃觸摸層與液晶之間還存在一層粘合，所以反射率是比較高的，而這個問題已經在iPhone 5上解決，極低的反射率會讓屏幕顯得更加通透。在該網(wǎng)站測試中，iPad3的平均反射率為7.7%而iPad Air為5.5%，純鏡像角度反射率iPad3為9.9%，而iPad Air為8.5%，這套數(shù)據(jù)要比使用LTPS的iPhone 5或者Kindle Fire HDX 8.9要差。也許說明現(xiàn)階段，LTPS似乎要比IGZO真的要稍好一些。在對比度方面，似乎LTPS的Kindle Fire HDX 8.9也要更好[iPad3沒有測試該項目]。在色域方面，由于蘋果嚴格按照接近sRGB校正所有蘋果設備，所以色彩準確性等方面仍然是很好的水準，Gamma值的調校也有很好的一致性。而在功耗測試方面，iPad Air的屏幕功耗為4.5w，而iPad 3的屏幕功耗為7.6w，對于一臺平板電腦來說差別巨大。

總結

從TFT液晶發(fā)展乃至半導體材料發(fā)展的角度來看，讓電子遷移率達到更高的效率無疑可以使整個系統(tǒng)更加高效。而在現(xiàn)有處于絕對主流的TFT液晶中，通過基板上的薄膜電路驅動液晶分子的工作方式決定了大家必須去提高半導體薄膜的工作效率。傳統(tǒng)生產線已經有了很大的規(guī)模，而它們有很大部分仍然基于低效率的a-Si，它們不容易生產高ppi高精度的液晶屏幕，這對于1080p幾十寸的電視來說并沒有提出技術革新的迫切要求，而手機產品是推動液晶技術LTPS產業(yè)化的重要動力。單從技術來看，LTPS的效率其實要比IGZO更高，而且高得多，但由于生產線的限制或者考慮到整體成本原因，大家更愿意將LTPS用于小屏幕的手機，的確，在5英寸 1080p的密度下，LTPS是比IGZO有更大優(yōu)勢的。雖然IGZO相比LTPS并沒有絕對優(yōu)勢，但要比a-Si非晶硅的電子遷移率提升20-50倍，更大的作用在于作為新技術它不但考慮到了適用于移動設備的觸摸性能、同時由于夏普公司本身產品定位，更是推動未來4K顯示設備的重要技術。而從目前掌握的信息來看，IGZO的未來比LTPS更好，還是在產業(yè)化上可以適應更廣泛的生產線，未來的產能和產品要比LTPS有更好的表現(xiàn)。

夏普 IGZO技術講解－CES2013

從具體產品來看，4K顯示器或者電視仍然受到產能和成本影響，顯然并不會在短時間內成為大家消費得起的產品。而IGZO技術在小屏幕上其實并沒有LTPS表現(xiàn)的高效，理論上就不存在優(yōu)勢。但在7英寸以上的市場，IGZO也許可以乘著iPad Air和iPad mini with Retina起飛，如果不出意外，在大概半個月后上市的具有2048x1536分辨率的iPad mini同樣會使用IGZO屏幕，到時候我們再來看看在與前一代產品保持一樣身材的情況下，iPad mini如何做到續(xù)航能力仍然強勁的。

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來源：[db:出處]

作者：tee