Kiedy w 2012 roku Sharp zaprezentował prototypowe egzemplarze ekranów wykorzystujących elementy IGZO, wielu obserwatorów było zachwyconych jakością i bardzo wysoką rozdzielczością obrazu generowanego przez demonstracyjne urządzenia. Warto jednak zdać sobie sprawę z tego, że opracowana przez ten koncern nowa technika nie jest nowym sposobem generowania obrazu.
Czym zatem jest IGZO? Co takiego rewolucyjnego jest w rozwiązaniu opracowanym przez japońską markę, skądinąd znaną z innowacji, zwłaszcza w branży elektroniki użytkowej? Ujmując rzecz najprościej, jak tylko się da, IGZO to określony typ tranzystora TFT, będący składnikiem matrycy stosowanej m.in. w różnego typu ekranach ciekłokrystalicznych (TFT nie oznacza typu ekranu!).
W wielu różnych publikacjach dotyczących technik wyświetlania obrazu można spotkać dziwne porównania, np. „ekranów TFT i OLED”. Takie ujęcie przedmiotu wynika z braku zrozumienia elementarnych reguł rządzących sposobem działania współczesnych płaskich wyświetlaczy różnego typu. Matryca TFT to nic innego jak gęsto upakowana sieć tranzystorów sterujących zapalaniem (i gaszeniem) poszczególnych pikseli (a dokładniej: subpikseli; każdy subpiksel odpowiada za jedną z barw podstawowych, z których później składany jest zestaw kolorów widoczny na ekranie). Cienkowarstwowe tranzystory TFT stosowane są zarówno w ekranach ciekłokrystalicznych różnego typu, jak i w najnowszych ekranach OLED.
Czym właściwie jest tranzystor? Zapoznaj się z naszym elementarzem.
Wyjaśnimy rzecz obrazowo. Wyobraźmy sobie pojedynczy tranzystor TFT jako kontakt włączający i wyłączający światło. Dla kontaktu nie ma znaczenia, z jakiej korzystasz żarówki, prawda? Bez względu na to, czy będzie to dioda LED czy świetlówka, zadaniem kontaktu jest wyłącznie dostarczenie odpowiedniej energii do elementu odpowiedzialnego za obserwowalny efekt (tu: światło). Tak samo jest w przypadku TFT: zadaniem matrycy tranzystorów jest dostarczenie energii do określonych punktów ekranu, co w dalszej perspektywie przekłada się na widoczny na ekranie obraz.
Skoro matryce TFT są używane zarówno w ekranach ciekłokrystalicznych (zainteresowanych szczegółami konstrukcyjnymi odsyłamy do ciekawego materiału dotyczącego różnych metod generowania obrazu), jak i OLED (polecamy lekturę artykułu poświęconego organicznym ekranom OLED), to na czym polega przewaga IGZO nad wcześniej stosowanymi tranzystorami krzemowymi?
Zaleta pierwsza – rozdzielczość
IGZO to skrót od anglojęzycznych nazw czterech pierwiastków: indu, galu, cynku (ang. zinc) oraz tlenu (ang. oxide). To podstawowe składniki związku zastosowanego w nowego typu tranzystorach TFT.
Po raz pierwszy kryształ IGZO udało się wyizolować naukowcom z japońskiego Narodowego Instytutu Badawczego Materii Nieorganicznej. Zespół kierowany przez dr. Noboru Kimizukę uzyskał kryształową strukturę związku IGZO już w 1985 roku.
Następny istotny etap w badaniu właściwości IGZO przyniósł rok 2004, kiedy to profesor Hideo Hosono z tokijskiego Instytutu Techniki opublikował w listopadowym numerze Nature artykuł, w którym udowodnił, że kryształy IGZO wykorzystane do konstrukcji tranzystorów i całych matryc TFT charakteryzują się kilkadziesiąt razy większą ruchliwością elektronów niż stosowane powszechnie w wyświetlaczach LCD tranzystory TFT z amorficznego krzemu.
Zanim jednak przejdziemy do ciekawych cech związanych z przepływem elektronów przez tranzystory IGZO, napiszemy o zalecie najłatwiejszej do zauważenia dla konsumentów: rozdzielczości.
Cechą charakterystyczną nowych tranzystorów IGZO jest to, że są znacznie mniejsze od powszechnie wykorzystywanych w płaskich ekranach konwencjonalnych tranzystorów z amorficznego krzemu (a-Si TFT).
Pozwala to osiągnąć przy tych samych rozmiarach ekranu znacznie większą gęstość upakowania elementów sterujących poszczególnymi pikselami, co z kolei przekłada się na wyższą rozdzielczość. Na poprzedniej stronie zamieściliśmy zdjęcie przedstawiające prototypowy ekran o rozdzielczości Ultra HD (3840 × 2160 pikseli) i przekątnej o długości zaledwie 13,5 cala. Daje to gęstość rzędu 326 ppi. Według producenta to absolutnie nie jest szczyt możliwości tej techniki. Obecny proces produkcyjny pozwala konstruować ekrany o gęstości dochodzącej do 500 ppi.
Przykładem może być widoczny powyżej giętki ekranik CAAC-IGZO (C-axis aligned crystal IGZO) o przekątnej 6,1 cala, charakteryzujący się gęstością 498 ppi i rozdzielczością 2560 × 1600 pikseli. Prototyp zaprezentowano podczas specjalnego pokazu prasowego w Tokio, zorganizowanego przez Sharpa oraz współpracującą z japońskim koncernem firmę badawczą Semiconductor Energy Laboratory (współtwórcę matryc IGZO TFT). Pokaz odbył się jeszcze w 2012 roku.
Zaleta druga – mniejsze zużycie energii
To, że tranzystor IGZO jest mniejszy od analogicznego elementu wykonanego z krzemu, pozwala nie tylko konstruować matryce TFT (a tym samym całe ekrany) o bardzo wysokich rozdzielczościach. Wymiary tranzystora mają również olbrzymie znaczenie dla zużycia energii.
Nie będziemy tutaj szczegółowo przedstawiać konstrukcji ekranów LCD, zwłaszcza że sami już ją obszernie omówiliśmy. Chcemy tylko zwrócić uwagę na pewien istotny szczegół.
Warstwa ciekłokrystaliczna w ekranach LCD sama z siebie (w przeciwieństwie do np. ekranów OLED) nie umie wygenerować światła, dlatego każdy ekran LCD wymaga podświetlenia. Zapewnia się je na różne sposoby (lampy katodowe – CCFL, diody LED itd.), nie ma to jednak w tej chwili znaczenia. Warstwa sterująca pracą matrycy pikseli, czyli właśnie TFT, znajduje się pomiędzy warstwą ciekłokrystaliczną, na której powstaje obraz, a warstwą podświetlającą. Wspólną cechą wszystkich tranzystorów stosowanych w matrycy TFT jest to, że nie są, niestety, przezroczyste. A skoro wiadomo, że tranzystory IGZO są mniejsze, to nie trzeba geniuszu, by zrozumieć, który ekran: 4K z matrycą a-Si TFT czy 4K z matrycą IGZO TFT, będzie wymagał słabszego (a tym samym mniej energochłonnego) podświetlenia, by przed oczami pojawił się obraz o tej samej jasności.
Ze względu na mniejsze zużycie energii matryce IGZO wydają się idealne do wysokorozdzielczych paneli przeznaczonych do urządzeń przenośnych, w których jak wiadomo, efektywność energetyczna ma dużo większe znaczenie niż w stale zasilanym z gniazdka sprzęcie stacjonarnym.
Niższe zużycie energii w ekranach wykorzystujących matryce TFT IGZO wynika nie tylko z samych rozmiarów tranzystora, ale również ze specyficznych właściwości tego typu elementów.
Poniższa infografika pokazuje różnice stanów energetycznych dla tranzystorów IGZO, a-Si (amorficzny krzem) oraz LTPS (Low-Temperature Poly-Silicon – tranzystor z krzemu krystalicznego).
Sytuacją idealną byłoby, gdyby wykres po lewej stronie rzędnej pokrywał się z osią poziomą (zerowy upływ prądu). Niestety, w rzeczywistości w każdym tranzystorze – nie tylko w tranzystorach budujących matryce TFT – następują pewne straty energii wynikające z upływu elektronów. Elementy wykorzystujące związek IGZO odznaczają się najmniejszymi prądami upływu spośród obecnie znanych typów tranzystorów stosowanych do budowy matryc TFT.
Z kolei kształt wykresu po prawej stronie osi pionowej określa tzw. ruchliwość elektronów. Choć matryce TFT z krzemu krystalicznego (LTPS) charakteryzują się jeszcze większą ruchliwością elektronów niż matryce IGZO, to mają tę wadę, że w stanie wyłączonym tracą więcej energii niż tranzystory IGZO.
Bramka z amorficznego krzemu odznacza się różnicą energetyczną pomiędzy stanem wyłączonym a włączonym rzędu miliona do jednego. W przypadku krzemu krystalicznego różnica ta jest jeszcze większa: 107 : 1, ale choć ruchliwość elektronów jest znacznie większa niż w pozostałych typach tranzystorów, w TFT z krzemu krystalicznego znacznie większy jest również poziom wycieków elektronów.
Z kolei tranzystor IGZO, choć ruchliwość elektronów jest w nim mniejsza niż w tranzystorze LTPS, wyróżnia się znikomym ich upływem w stanie wyłączonym, dzięki czemu stosunek energii pomiędzy stanem wyłączonym a włączonym jest w tym przypadku najwyższy i sięga miliarda do jednego.
Mniejsze zużycie energii w przypadku matryc TFT IGZO wynika również z tego, że mniejsza jej ilość jest potrzebna do zmiany stanu piksela za sprawą mniejszych prądów upływu. Tranzystor IGZO wymaga mniejszej liczby impulsów zasilających, by utrzymać pożądaną jasność piksela. Powyższa infografika pokazuje różnicę.
Jaki jest faktyczny zysk energetyczny wynikający z użycia matryc IGZO w stosunku do rozwiązań krzemowych? Jeżeli wierzyć informacjom publikowanym przez firmę Sharp, podczas wyświetlania statycznych obrazów ekran z IGZO TFT będzie zużywał od 80% do 90% mniej energii od a-Si TFT. Uwaga: należy pamiętać, że to wyliczenie nie uwzględnia wydatków energetycznych niezbędnych do podświetlenia matrycy, co jest konieczne w ekranach ciekłokrystalicznych (ale już zbędne w ekranach OLED).
Zaleta trzecia – mniejszy szum, czulszy dotyk
Matryce IGZO mają jeszcze jedną istotną cechę, która przekłada się na użyteczność w czasach, gdy ekrany dotykowe stają się coraz bardziej powszechne: niższy poziom szumu.
Nieco odmienny sposób działania matrycy IGZO TFT daje jej przewagę, jeżeli chodzi o czułość ekranu na dotyk. W przypadku stale zasilanych tranzystorów a-Si TFT zwiększanie czułości warstwy dotykowej ekranu napotyka barierę w postaci elektrycznego szumu generowanego przez matrycę. Aby ekran dotykowy zareagował, impuls dotykowy musi być silniejszy od szumu tła. W przypadku matryc IGZO nie dość, że szum jest znacznie mniejszy, co wynika z fizycznych właściwości tranzystorów IGZO, to jeszcze dzięki rzadszemu przekazywaniu impulsów w momencie pauzy impuls z warstwy dotykowej jest praktycznie niczym niezakłócony, a to z kolei pozwala budować superczułe ekrany dotykowe, rozróżniające znacznie więcej poziomów nacisku od ekranów starszych typów.
Mniejszy rozmiar tranzystorów IGZO przekłada się na większą rozdzielczość, a mniejszy poziom szumu pozwala budować bardziej czułe warstwy dotykowe. Połączenie tych obu cech ma umożliwić konstruowanie paneli dotykowych, które zapewnią identyczne poczucie dokładności jak tradycyjna kartka papieru, na której kreśli się coś ołówkiem. Jednak na razie to wyłącznie teoria. Dotąd na rynku nie pojawił się ekran IGZO, który dawałby wyraźnie inne odczucia podczas korzystania z warstwy dotykowej.
Zero wątpliwości?
Już w 2011 roku na targach IFA Sharp pokazał ekran oparty właśnie na tranzystorach IGZO, zapewniający rozdzielczość znacznie większą od dopiero wchodzącej na rynek konsumencki 4K (Ultra HD). Prototypowy ekran, który demonstrował możliwości IGZO, miał rozdzielczość 8192 × 4608 pikseli. Szacuje się jednak, że na rynku konsumenckim tak wysoka rozdzielczość pojawi się nie wcześniej niż w 2018 roku. Rodzą się jednak wątpliwości, czy do tego czasu po prostu nie zabraknie surowców. O ile bowiem materiały niezbędne do budowy elementów krzemowych można znaleźć praktycznie na każdej plaży – krzem jest drugim (po tlenie) co do częstości występowania pierwiastkiem na Ziemi – o tyle ind, będący istotnym składnikiem tranzystorów IGZO, to metal dość rzadki. Globalna produkcja indu w 2011 roku wyniosła tylko 1800 ton. Dla porównania: roczna produkcja srebra to ponad 20 tys. ton, a złota – ok. 2,5 tys. ton. Również pozostałe pierwiastki składowe tranzystorów IGZO, z wyjątkiem tlenu, nie są szczególnie powszechne.
Armin Reller, chemik z Uniwersytetu w Augsburgu, ocenia, że znajdujące się w skorupie ziemskiej złoża galu (w ogóle niewystępującego w postaci rodzimej; pierwiastek ten uzyskuje się w reakcjach chemicznych lub przez wytapianie) oraz indu wystarczą nam zaledwie do 2017 roku. Również cynk, którego złoża są znacznie bogatsze od złóż pozostałych składników IGZO, intensywnie wykorzystywany w przemyśle, kiedyś się skończy. Szacuje się, że ostatnie zasoby tego metalu mają się wyczerpać około roku 2037.
Z drugiej strony wielu ekspertów uważa, że prognozy mówiące o wyczerpaniu się złóż już w 2017 roku są mocno naciągane. Interesujący tekst na temat „straszenia” wyczerpaniem się złóż metali (w tym właśnie indu) opublikował w 2012 roku Tom Worstall na łamach magazynu „Forbes”. Zwrócił w nim uwagę na pewne istotne fakty ekonomiczne rządzące gospodarką w skali globalnej. Otóż nie ma czegoś takiego jak całkowite wyczerpywanie się złóż. Po prostu cena danego dobra przy coraz większej różnicy między popytem a podażą zaczyna rosnąć i kwestią czasu pozostaje, kiedy przemysł zaczyna poszukiwać alternatywnych metod, dóbr i środków.
Obecnie nie ma komercyjnej alternatywy dla tranzystorów IGZO. Ale tak jak znamy inne metody wytwarzania energii niż oparte na tradycyjnych surowcach, których zasoby powoli się wyczerpują, na przykład węglu czy ropie naftowej, tak i pomysłów na zastąpienie indu nauka ma w zanadrzu kilka, np. użycie grafenu. Zawsze zresztą pozostaje krzem, którego jeszcze długo nam nie zabraknie, a który w elektronice okazuje się pierwiastkiem wyjątkowo elastycznym.
Co z trwałością? W listopadzie 2013 roku pojawiły się pogłoski o problemach z dostawami wysokorozdzielczych wyświetlaczy do iPadów Mini Retina (których ekrany mają przekątną o długości 7,9 cala i rozdzielczości 2048 × 1536 pikseli), ponoć wynikłych z niepotwierdzonej oficjalnie niewydolności produkcyjnej zakładów Sharpa (warto dodać, że Apple korzysta również z matryc produkowanych przez LG; matryce koreańskiego producenta działają w innej technice niż IGZO, a nabywca iPada mini z ekranem Retina tak naprawdę nie wie, w jaki ekran sprzęt jest wyposażony, bo Apple w żaden sposób nie oznacza dostawcy).
Zdaniem Apple ekrany IGZO nie tylko są mu dostarczane w zbyt małych ilościach, ale też nie spełniają norm jakościowych. Okazało się, że część wyświetlaczy Sharpa miała wadę ujawniającą się w postaci szybkiego wypalania pikseli. Zgodnie z informacjami opublikowanymi przez serwis Etnews.com wada nie była, co prawda, widoczna dla konsumentów, ale część dostarczonych ekranów nie spełniała wyśrubowanych norm jakościowych narzuconych przez Apple.
Na koniec jeszcze krótkie wideo reklamowe producenta. Wygląda ładnie, ale pamiętajmy: rzeczywistość jest nieco bardziej szara.