液晶和OLED有什麼不同？螢幕顯示顏色的原理
螢幕上的畫面，是逐一改變紅、綠、藍小點的亮度做出來的。液晶是用液晶快門，讓背後照來的白光一點一點地通過或擋住。OLED則是每個點自己發光。這個差異，造成了黑色深淺與烙印難易度的不同。
這篇文章可以了解
- 螢幕上的1個點（像素），是由3種顏色更小的點組成
- 液晶讓光通過或擋住的原理，以及每個點的開關（TFT）
- OLED能顯示純黑的原因，以及烙印和閃爍的問題
- Mini LED、120 Hz、ppi等規格表用語的看法
先備知識：沒有特別需要。先讀過「電晶體是什麼？」「LED為什麼會發光？」，會更容易理解TFT和OLED的部分。
生活中的例子：規格表上的螢幕用語
手機和電視的規格表上，會寫著「液晶」「OLED」「Mini LED」等螢幕的方式。「120 Hz」「460 ppi」這類數字，也和螢幕的原理有關。
用放大鏡放大白色的畫面，可以看到紅、綠、藍的小點排在一起。我們就從這些點說起。
像素與子像素：用3種顏色的點組合出顏色
螢幕上的畫面，是縱橫排列的許多小點的集合。構成畫面的最小單位的點，稱為像素。
1個像素，通常由紅、綠、藍3個更小的點組成。這種小點稱為子像素。3種顏色都調亮，看起來是白色；全部熄滅，看起來是黑色。改變3種顏色亮度的組合，就能做出各種顏色。
因為點很小，眼睛會把3種顏色看成混在一起的1種顏色。每種顏色的亮度分成256階，組合就有約1,678萬種（256×256×256）。
例如採用液晶的iPhone 11，畫面是1792×828像素（Apple的規格），子像素約有445萬個。每一個的亮度，都是分別調整的。
原理1 液晶：決定光能不能通過的快門
液晶是一種像液體一樣會流動、分子方向卻會排得很整齊的物質。分子是細長的棒狀，加上電壓方向就會改變。利用這個性質的螢幕，就是液晶顯示器（LCD）。
液晶本身不會發光，所以要在螢幕背後放一片會發出白光的板子。這稱為背光，現在通常使用白光LED。
光是一種在和前進方向垂直的方向上振動的波。一般的光，混有各種方向的振動。只讓1個方向的振動通過的膜，稱為偏光板。把2片偏光板以通過方向互相垂直的方式疊起來，光幾乎就無法通過。
液晶就夾在這2片偏光板之間。依液晶分子的排列方式，穿過的光的振動方向會旋轉。方向轉過來，光就能通過第2片；沒有轉，光就被擋住。用電壓改變分子的方向，就能精細地調整亮度。也就是說，液晶的作用是一種用電壓開關的快門。
最上層還疊了一層膜，讓每個子像素只通過紅、綠、藍其中1種顏色。這稱為彩色濾光片。
這種結構，會讓很多光在途中損失。振動方向雜亂的光，在第1片偏光板就被擋掉大約一半。彩色濾光片也只讓3種顏色中的1種通過，所以射出去的最多只有約6分之1（本站的簡單計算）。
原理2 TFT：每個子像素的開關
為了對數百萬個子像素分別加上電壓，每一個都要裝上開關。這個開關，是用電壓讓電流通過或停止的電晶體（「電晶體是什麼？」）。
螢幕的電晶體，是在玻璃板上疊上非常薄的膜做成的。所以稱為薄膜電晶體（TFT）。這一點和做在矽晶體圓板（晶圓）上的一般晶片不同。
TFT排在縱橫細配線的交叉處。橫線負責讓一整列的TFT同時導通。縱線負責把配合亮度的電壓，送到各個子像素。一列一列依序寫入，到了最下面，再從上面重新寫一次。
TFT關閉後，寫入的電壓仍會留在儲存電荷的小零件（電容器）裡。所以在下次重寫之前，亮度都能維持。
TFT的材料：非晶矽、LTPS、IGZO
TFT膜的材料不同，電子在裡面移動的難易度也不同。這種容易移動的程度，稱為遷移率。遷移率越高，TFT就能做得越小，切換也越快。
長久以來廣泛使用的，是原子排列雜亂的矽膜。這稱為非晶矽。它能便宜地做在大片玻璃上，弱點是電子不容易移動。
對這層膜照射雷射，把它變成許多小晶體的集合，就是LTPS（低溫多晶矽）。電子容易移動得多（用雷射退火製作），常用在像素很細的手機螢幕上。
第3種，是由銦、鎵、鋅、氧組成的氧化物IGZO。東京工業大學（現為東京科學大學）的細野秀雄等人，在2004年於Nature期刊發表了這種材料的TFT。夏普在2012年，開始生產使用IGZO TFT的液晶面板。
IGZO的遷移率是非晶矽的10倍以上（比LTPS低一些）。另一個特點是，關閉時電流不容易漏掉。寫入的電壓能維持很久，所以靜止的畫面可以減少重寫次數，節省電力。
原理3 OLED：子像素本身會發光
OLED是每個子像素都會自己發光的螢幕。OLED是英文organic light-emitting diode的縮寫，意思是有機發光二極體。「有機」指的是以碳為骨架的物質。日本等地也稱它為「有機EL」，EL指的是通電就會發光的現象（電致發光）。
發光的原理和LED很像。在2個電極之間，疊上好幾層非常薄的有機材料膜。通上電流，電子從一側進來，電子的空位（電洞）從另一側進來，兩者在膜中相遇就發光。紅、綠、藍分別用不同的材料發光。
現在OLED的起點，是1987年美國柯達公司的Tang和VanSlyke發表的元件，它疊了2層有機材料的膜。膜是用在真空中讓材料蒸發、附著上去的真空蒸鍍等方法製作。
OLED只有在通電流時才會發光。所以1個子像素裡，至少要放2個TFT。1個是寫入電壓的開關，另1個負責依寫入的電壓持續送出電流。液晶的話，通常1個就夠了。
黑色的深淺與對比度
液晶在顯示黑色時，背光也一直亮著。液晶快門無法完全擋住光，會漏出一點點。所以在暗的房間裡，黑色有時看起來偏灰。
OLED的黑色子像素是熄滅的，不發出光，所以黑色是真的暗。最亮的白和最暗的黑之間的亮度比，稱為對比度。
根據Apple的規格（標準值），液晶的iPhone 11是1400:1。OLED的iPhone 15是2,000,000:1，因為黑色幾乎是0，數字大了好幾個數量級。測量方法各家公司不同，不能和其他公司的數字直接比較。
OLED的弱點：烙印
OLED的材料，會依發光的時間和亮度一點一點劣化變暗。長時間顯示同一張明亮的畫面，只有那個部分會比周圍劣化得多。這樣一來，即使換成別的畫面，前一張畫面的痕跡也會淡淡地留下來。這稱為烙印。
根據Apple的說明，烙印可能發生在以高亮度長時間顯示明暗差異大的同一張畫面等情況。對策是記錄每個像素的使用情形，再修正亮度。液晶沒有每個像素各自發光的材料，所以不會發生這種烙印。
| 選擇時的參考 | 液晶 | OLED |
|---|---|---|
| 暗房間裡的黑色 | 容易稍微偏灰 | 深邃的黑 |
| 長時間顯示同一畫面 | 不太需要擔心烙印 | 要注意烙印 |
這是一般的傾向，產品之間的差異也很大。
Mini LED與Micro LED
Mini LED是把液晶的背光，分成許多小顆LED的做法。畫面暗的地方背後的LED就調暗，亮的地方就調亮。這樣一來，液晶也能顯示更深的黑色。根據Apple的說明，2021年的iPad Pro（12.9吋）把超過1萬顆LED分成超過2,500個區塊。
不過，區塊比像素大得多，方式仍然是液晶。在黑色背景上的明亮物體周圍，有時會看起來淡淡地發亮。
Micro LED則是每個子像素本身就是一顆非常小的LED。它和OLED一樣是點本身發光，但材料不是有機物，而是氮化鎵等無機半導體。要把數千萬顆LED一顆不缺地排好有多難，在「LED為什麼會發光？」中有計算。
更新率：每秒重畫幾次
螢幕每秒會重畫畫面幾十次。這個次數稱為更新率，單位是Hz（赫茲）。60 Hz就是每秒60次，每次約16.7毫秒。120 Hz是每約8.3毫秒一次，所以捲動看起來更流暢。
每重畫一次，都要花電力對所有TFT寫入電壓。因此出現了在畫面不動時減少次數的做法。為此設計的螢幕結構，稱為LTPO。它在同一個螢幕裡，分別使用切換快的LTPS TFT，和電流不易漏掉的氧化物TFT。
Apple在2019年宣布，Apple Watch Series 5的常時顯示螢幕採用了LTPO。2021年的iPhone 13 Pro，發表了次數可在10～120 Hz之間變化的螢幕。2022年的iPhone 14 Pro，讓更新率能降到1 Hz，加入了不關閉螢幕、持續顯示的功能。
顯示驅動IC：把數字變成電壓的晶片
哪個子像素要多亮，是由手機運算核心的晶片（SoC）用數字決定的。接收這些數字，轉換成每條縱線的電壓再送出去的，就是顯示驅動IC。其他晶片在「手機裡有哪些半導體？」中有介紹。
iPhone 15 Pro的畫面有2556列，每秒最多重畫120次（Apple的規格）。這樣算來，每一列能用的時間約3.3微秒（百萬分之3.3秒）。這是省略休息時間的估計，但TFT確實需要這麼快的切換。
亮度調整與閃爍
OLED的亮度，可以靠通過的電流來改變。但電流變得非常小時，TFT特性的細微差異就會變明顯，亮度和顏色容易變得不均勻。
所以許多OLED，特別是調暗的時候，會以眼睛察覺不到的速度快速點亮和熄滅。用點亮時間所佔的比例，來調整亮度。這種方法稱為PWM，LED照明的調光也會用到。
大多數人不會察覺這種閃爍。另一方面，也有人表示眼睛疲勞或不舒服。閃爍的速度和眼睛疲勞的關係還在研究中，目前沒有明確的結論。
解析度與ppi：用數字看細緻程度
像素的細緻程度，用1吋（2.54公分）長度上排列的像素數來表示。這稱為ppi（pixels per inch）。像素數相同時，螢幕越小，ppi就越大。
用iPhone 15來算算看。畫面是2556×1179像素，以長方形測量的對角線是6.12吋（Apple的規格）。對角線上排列的像素數，用畢氏定理求出。2556的平方加上1179的平方，再開根號，約為2,815個。除以6.12約為460，和規格的460 ppi相符。
那麼，要多細才夠呢？視力1.0的人，能分辨相隔1分（1度的60分之1）角度的點。在30公分外觀看，1分約相當於0.087毫米的寬度。把這種寬度的點排在1吋裡，約為290個（本站計算）。
也就是說，從30公分外觀看，超過約300 ppi的差異，視力1.0的人就不太看得出來。不過這是簡化的計算，視力好的人或靠近看的人，能分辨更細的差異。
能顯示的顏色範圍（色域），也依螢幕而不同。iPhone 15支援比網頁標準sRGB更廣的P3色域（Apple的規格）。P3是以電影用的DCI-P3為基礎的範圍。
常見的誤解
誤解：「LED電視」是像素用LED發光的電視，OLED電視也是其中一種
實際上，稱為「LED電視」的產品，多半是使用LED背光的液晶電視。發光的是背後的LED，顏色和亮度由液晶和彩色濾光片決定。OLED是像素本身發光的另一種方式。OLED和LED只差一個字母，這也是容易混淆的原因。
誤解：解析度越高，看起來一定越清晰
實際上，觀看距離和眼睛的分辨能力有極限。如上面的計算，從30公分外看手機，約300 ppi就是參考值。原本的影像像素少的話，即使增加螢幕的像素，也不會變得更細緻。因為這是規格表上容易比較的數字，大家常以為越大越好。
誤解：1個像素就是1個光點
實際上，1個像素通常由紅、綠、藍3個子像素組成。OLED手機也常用一種排列方式：綠色子像素的數量是紅、藍的2倍，並和相鄰像素共用。因為點太小，平常看起來是混在一起的1種顏色，所以容易以為是1個光點。
從數字來看
| 數字 | 代表什麼 |
|---|---|
| 約445萬個 | 液晶iPhone 11的子像素數（1792×828像素×3。本站計算） |
| 約290 ppi | 視力1.0的人在30公分外能分辨的細緻程度參考值（本站計算） |
| 約3.3微秒 | 以120 Hz重寫2556列時，每一列能用的時間（本站計算） |
深入學習
- 相關文章：「LED為什麼會發光？」、「觸控螢幕為什麼能感應手指？」（疊在螢幕上的另一個零件）
- 用圖來看：nMOS通道的圖解（TFT也是用閘極的電壓，做出電流的通道）
- 用表格看差異：濺鍍與真空蒸鍍的差異（製作OLED膜層所用的蒸鍍）
- 用數字試試看：影像、聲音、影片資料量計算工具