从iPad Air瘦身解析夏普IGZO液晶屏幕技术
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21ic电子网讯：关于夏普的“IGZO屏幕”并不是一个陌生的话题，而且它的传闻恐怕要有2-3年时间，尤其是随着手机和平板电脑分辨率越来越高像素密度不断提升，传统技术已经无法支撑，所以最近一年多时间里关于IGZO讨论越来越多。大家对IGZO的渴望非常强烈，以至于在iPad 3发布之前就有传闻说它可能会使用这样的屏幕。而我们今天重新再来谈这个话题，也是因为使用IGZO屏幕的重要产品，iPad Air出现了。Pad Air的命名顾名思义，而它得以瘦身成功，屏幕技术的变化是最大功臣。IGZO到底起到了怎么样的作用？它与原有的液晶屏幕有什么差别呢？
苹果 iPad air平板电脑 - 和iPad 3比较
IGZO为iPad Air做了什么？
在了解最新的IGZO技术的液晶屏幕为iPad Air的瘦身做出贡献之前，我们先来回顾一下以往几代iPad发生的变化。iPad一直以来使用的是4：3比例的9.7英寸屏幕。在第一代和第二代iPad上，屏幕分辨率为1024x768，现在看起来第一代iPad的外形似乎有些笨拙。从iPad 2开始，它的外形发生了较大变化，同时这个外形一直在iPad3和iPad4上沿用。
Apple 苹果 iPad2Apple 苹果 iPad-浏览Soomal.com从iPad3开始，9.7英寸iPad开始配置2048x1536的Retina屏幕。受到屏幕功耗大增的影响，iPad3与iPad4的厚度要比iPad2多出0.6mm，重量也达到了652克，比iPad2的601克重了近10%。其中iPad3/4电池容量大大从iPad2的25Whr增加至43Whr，43Whr的电池容量甚至接近Macbook Air的水平。增加厚度的原因就是为了在屏幕功耗大增的情况下，仍然保证每一代iPad的续航能力基本一致——达到10小时网页和视频工作时间。虽然处理器性能也在不断提高，但随着半导体工艺进步并不是耗电大户。
苹果 iPad Air-SmartCase
第五代全尺寸的iPad产品却迎来了历史上最明显的“瘦身”，因此它也有了新的名字叫iPad Air，这与苹果Mac系列的Macbook Air产品命名方式对应。iPad Air此次大幅度的全面瘦身，它不仅仅是边框尺寸减小了43%，厚度减小了20%达到了7.5mm而重量只有464克，这样的重量几乎要比任何一款10英寸的平板电脑都轻不少，更何况iPad Air还是金属机身。苹果对新一代iPad Air的续航能力仍然保持了原有标准的10小时，电池容量却从原有的43Whr减少到32.9Whr。而从目前测试情况来看，大家普遍认为最新的A7处理器的功耗还是稍高于上一代A6X处理器，而瘦身能够成功的最大功臣就是最新的显示屏幕——采用IGZO技术的Retina IPS屏幕。
液晶屏幕的构成
IGZO技术为什么可以让液晶屏幕的功耗有如此大比例的下降？它还有怎样的特点？而在前一代iPad上它的屏幕技术是否真的落后？IGZO屏幕是否会可以为智能手机的续航能力有所帮助？IGZO如何做到的高效节能，我们需要从TFT液晶屏幕的结构和工作原理谈起。
什么是IGZO，它是Indium Gallium Zinc Oxide，翻译成中文是铟镓锌氧化物，来自于日本夏普公司，它的中文名字似乎没有去记忆的必要。IGZO材料是用于新一代薄膜晶体管技术中的沟道层材料，是一种全新的薄膜电晶体技术，是在原有的TFT液晶玻璃基板之上的主动薄膜层覆盖的一层新材料，它的加入改善了原有TFT驱动的效率，而结合全新的设计可以带来功耗上的降低。
常见液晶面板结构简易示意图
如第一张图所示，这是我们常见的TFT液晶的结构图。TFT是指Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管)，是指液晶显示器上的每一液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。目前我们的手机、显示器、电视机上使用的均为TFT型液晶，也是目前占绝对主流地位的液晶技术。为了更加便于大家简单了解TFT-LCD的工作原理，我们来看第二张图上简易的TFT工作原理。液晶位于两个玻璃基板之间，而附于玻璃基板上有与每一个液晶像素对应的薄膜驱动电路，基板之外有一对互相垂直关系的偏光片，通过向驱动电路附加调制过的不同相位、强度的信号让液晶发生对应偏转，配合偏光片的透光特性，从而得到我们想要的每个像素液晶组合出来的颜色、图像组合。
液晶本身并不发光，所以一般也认为液晶面板整体产生的功耗与背光和驱动电路相关。而IGZO涂层直接解决了驱动电路效率的问题，而间接的又让背光的效率有所提高。在传统液晶屏幕中，玻璃基板上与液晶分子相连的半导体薄膜材料一般是非晶硅，简写为a-Si[amorphous silicon，无定型硅]，非晶硅的电子迁移率指标很差[注：电子迁移率的单位为cm2/Vs，即每秒钟每伏电压让半导体材料电子迁移平方厘米的单位面积]，只有大概不到0.5cm2/Vs的水平。而优化过的P-Si多晶硅的电子迁移率可以达到200cm2/Vs，相差400倍。如何提高半导体薄膜的效率一直是液晶发展的重要方向[其实这也是太阳能产业同样在研究的技术]。
原本来说，获得多晶硅的方法并不困难，只要在高温烧结下就可以得到多晶硅薄膜［450度］，例如HTPS——高温多晶硅。但是受限于玻璃基板耐高温的问题，所以高温多晶硅一般用于小尺寸的投影仪液晶中，它的尺寸只有1英寸左右，而只因为它能做成“高温”多晶硅是因为它将玻璃材料改为了石英，生成的多晶硅带来了明显更高的效率，但它的尺寸也就仅限与此，做不大了。
是否只有多晶硅才能解决效率的问题？答案并不是绝对的。如果大家留意，在智能手机进入720p时代后，低温多晶硅LTPS的屏幕就被越来越多的提起，其实在近两年发布的所有手机、平板电脑[7英寸以下]，分辨率在720p、1080p的液晶屏幕，几乎都是LTPS屏幕。看过前面知识介绍，大家应该清楚LTPS同样是一种P-Si，多晶硅，它有着出色的薄膜性能。低温多晶硅不再使用高温烧结的办法将非晶硅转化为多晶硅，而是用激光照射的方式得到多晶硅。一般LTPS的电子迁移率平均在200cm2/Vs左右[100-300]，是非晶硅的400倍左右。
而在产业化的道路上，LTPS明显要比a-Si面板生产线落后，目前LTPS有6代线支持，产能、成本要比已经使用8、8.5代和10代线的a-Si差得远。这也使我们只能在一些智能手机上看到LTPS，而目前我们可以看到最好的LTPS屏幕恐怕是Amazon最新发布的Kindle Fire HDX 8.9，一块8.9英寸的2560x1600分辨率的LTPS IPS屏幕。而之前在iPad3\iPad4、大多数10英寸以上笔记本电脑、平板电脑上使用的均是a-Si 非晶硅屏幕。
夏普 IGZO材料位置示意图
IGZO为优化a-Si独辟蹊径，它在原有薄膜上增加了一层IGZO材料，这层氧化物材料可以改善半导体薄膜的电子迁移率性能，但它的性能有多好，其实要比LTPS差很多。IGZO目前的电子迁移率只能做到3-15cm2/Vs，而LTPS是可以达到200cm2/Vs的水平。也许大家奇怪，那为什么不使用LTPS，而要使用IGZO呢？这与它产业化的发展，生产线的适应性，产能的保证有很大关系。在IGZO设计之初，主要服务的对象还是下一轮液晶显示产品革命的主角——4K分辨率级的产品。在85寸甚至上百寸的4K分辨率的IGZO屏幕下，平均功耗可以达到几十W，只与目前50寸左右的a-Si液晶电视相当。而与LTPS一样，更小更薄的薄膜材料也让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显示屏。当然，在产业化的道路上IGZO几乎可以适合目前包括LGD、索尼、奇美、京东方等在内所有液晶生产线6代线以上所有生产线，产能会更有所保证。
IGZO和LTPS的高电子迁移率带来了什么？
我们再用一张小的表格来说明一下a-Si 非晶硅、LTPS 低温多晶硅、HTPS 高温多晶硅和IGZO的差别。
更高效的电子迁移率代表了在驱动电路中只要很少的动作时间就可以保证液晶分子处于我们想要的状态，以目前60Hz的液晶显示画面内容来算，如果在a-Si非晶硅时代，即便液晶画面的每秒60帧画面的每一帧内容没有变化，可是由于驱动可以保持状态能力太差，几乎每一秒钟都在工作。而对于LTPS或者IGZO来说，驱动电路可以有大量的时间处于暂停的状态。从这个角度来说，它为驱动液晶电路节省了功耗。
夏普 IGZO技术的三大优势
但这并不是LTPS或者IGZO节电最重要的部分，毕竟驱动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节能优势如何体现？这主要分两个方面。第一，无论LTPS还是IGZO，它们的优势都在高分辨率高像素密度的液晶屏幕上，例如目前5英寸以内1080p屏幕一般都会使用LTPS技术，不然使用非晶硅屏幕功耗不堪设想。这也是为什么在未来的4K分辨率显示屏幕上，IGZO将会更大程度体现节能优势的原因；第二，无论LTPS还是IGZO，正是因为它们电子迁移率的提升，所以薄膜单元相对非晶硅的驱动单元来说大大减小，变薄，这也使得它们更加适合制作高分辨率的液晶屏幕，同时，由于薄膜的变小变薄，周边电路的简化，让背光的透光率也大大增加，所以也影响了背光的工作效率。而更窄的边框，更薄的玻璃等等也都与IGZO核心技术改变带来的周边配套配件改变相关。
苹果 iPad Air - 体积如何缩小的？
由于IGZO是目前夏普公司最新的显示核心技术，当然它就不得不考虑到目前应用面最广的手机和平板电脑等触摸设备，得益于IGZO本身效率的提升和对触摸功能的优化。夏普公司还专门提到了使用IGZO技术的触摸屏在触摸功能方面要远远好于a-Si非晶硅液晶屏，其实最核心的原理很容易理解，由于驱动电路可以有大量时间处于暂停状态，所以它对触摸信号的干扰也变得少得多。如果大家注意苹果在iPad Air的宣传中的一些数据会发现，在iPad Air各个部件”瘦身“比例中，比例最大的就是触摸层，它的厚度减小了70%。
IGZO在iPad Air上显示效果如何
无论是LTPS或者是IGZO，它只是液晶驱动薄膜上改善半导体效能的一种技术，它与液晶分子本身排列是没有关系的，所以它与IPS或者TN屏幕没有关系。当然，在iPad Air上，苹果仍然使用的是IPS屏幕，只不过得益于IGZO让它的尺寸得到了大大的缩减，功耗也大大降低。那么它的显示效果如何？从我们主观使用来看，与iPad相比有所不同，但仍然保持了很高的水准，和很好的色彩准确性。
我们在这里也简单引用displaymate.com网站的测试成绩简单说明一下，大家有兴趣可以查阅原网站内容。在iPad3和iPad4上，玻璃触摸层与液晶之间还存在一层粘合，所以反射率是比较高的，而这个问题已经在iPhone 5上解决，极低的反射率会让屏幕显得更加通透。在该网站测试中，iPad3的平均反射率为7.7%而iPad Air为5.5%，纯镜像角度反射率iPad3为9.9%，而iPad Air为8.5%，这套数据要比使用LTPS的iPhone 5或者Kindle Fire HDX 8.9要差。也许说明现阶段，LTPS似乎要比IGZO真的要稍好一些。在对比度方面，似乎LTPS的Kindle Fire HDX 8.9也要更好[iPad3没有测试该项目]。在色域方面，由于苹果严格按照接近sRGB校正所有苹果设备，所以色彩准确性等方面仍然是很好的水准，Gamma值的调校也有很好的一致性。而在功耗测试方面，iPad Air的屏幕功耗为4.5w，而iPad 3的屏幕功耗为7.6w，对于一台平板电脑来说差别巨大。
总结
从TFT液晶发展乃至半导体材料发展的角度来看，让电子迁移率达到更高的效率无疑可以使整个系统更加高效。而在现有处于绝对主流的TFT液晶中，通过基板上的薄膜电路驱动液晶分子的工作方式决定了大家必须去提高半导体薄膜的工作效率。传统生产线已经有了很大的规模，而它们有很大部分仍然基于低效率的a-Si，它们不容易生产高ppi高精度的液晶屏幕，这对于1080p几十寸的电视来说并没有提出技术革新的迫切要求，而手机产品是推动液晶技术LTPS产业化的重要动力。单从技术来看，LTPS的效率其实要比IGZO更高，而且高得多，但由于生产线的限制或者考虑到整体成本原因，大家更愿意将LTPS用于小屏幕的手机，的确，在5英寸 1080p的密度下，LTPS是比IGZO有更大优势的。虽然IGZO相比LTPS并没有绝对优势，但要比a-Si非晶硅的电子迁移率提升20-50倍，更大的作用在于作为新技术它不但考虑到了适用于移动设备的触摸性能、同时由于夏普公司本身产品定位，更是推动未来4K显示设备的重要技术。而从目前掌握的信息来看，IGZO的未来比LTPS更好，还是在产业化上可以适应更广泛的生产线，未来的产能和产品要比LTPS有更好的表现。
夏普 IGZO技术讲解－CES2013
从具体产品来看，4K显示器或者电视仍然受到产能和成本影响，显然并不会在短时间内成为大家消费得起的产品。而IGZO技术在小屏幕上其实并没有LTPS表现的高效，理论上就不存在优势。但在7英寸以上的市场，IGZO也许可以乘着iPad Air和iPad mini with Retina起飞，如果不出意外，在大概半个月后上市的具有2048x1536分辨率的iPad mini同样会使用IGZO屏幕，到时候我们再来看看在与前一代产品保持一样身材的情况下，iPad mini如何做到续航能力仍然强劲的。
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