artykuły

Panele IGZO – ewolucja, rewolucja czy ślepa uliczka?

IGZO idealne do 4K?

35
27 stycznia 2014, 07:20 Marek Kowalski

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).

3