蘋果作為一家不造顯示面板的企業(yè),，自iPhone初代問世之日起,，就實實在在地對顯示行業(yè)產(chǎn)生了很大的影響。手機普遍還在用MSTN,、CSTN或者半透反射式a-Si TFT顯示屏的時候,，iPhone初代就開始用傳送式TFT了。再比如,，蘋果率先在消費電子產(chǎn)品中采用FFS（Fringing Field） IPS顯示屏,，實現(xiàn)更低功耗和更好的可視角度……
當然畢竟蘋果不造屏幕，這些技術(shù)的研發(fā)主力也并非蘋果,，但現(xiàn)在很多電子產(chǎn)品中已經(jīng)普及的技術(shù),，不少還是有蘋果的身影的。而這兩年,，蘋果對面板行業(yè)最大的影響,，應(yīng)該就是一種名為LTPO的技術(shù)了——而且它可能在未來兩年內(nèi)會統(tǒng)治市場。
Apple Watch Series 4的顯示屏最早應(yīng)用了這種技術(shù)：早年的蘋果手表還無法做到屏幕常亮,，這是功耗限制決定的,；但近幾代的Apple Watch藉由LTPO技術(shù)，是真正做到了表盤顯示時間的常亮,，但續(xù)航不受影響的,；今年的iPhone 13幾乎也被分析師認定，會采用這類面板,。
而且LTPO技術(shù)的確是來自蘋果,，起初由LG Display借助蘋果的技術(shù)和IP制造這種顯示屏。有關(guān)蘋果采用LTPO屏幕的傳言最早出現(xiàn)在2018年,，IHS Markit當時提到iPhone很有可能會在未來長期內(nèi)采用一種名為LTPO的屏幕,，蘋果還為此申請了3項很重要的專利,。[1]
本文嘗試從市場和技術(shù)兩方面來談?wù)勥@種LTPO顯示面板。
降低屏幕功耗是重點
LTPO實際上是一種TFT backplane技術(shù),，主要脫胎自現(xiàn)在應(yīng)用相當廣泛的LTPS（低溫多晶硅）,，只不過其驅(qū)動TFT晶體管換用了IGZO（銦鎵鋅氧化物）材料。這部分的原理詳情會在本文的最后一部分做介紹,。
早年IHS Markit的一份文檔顯示,，LTPO相比現(xiàn)在廣泛采用的LTPS面板，能夠節(jié)約5-15%的功耗,。這應(yīng)該也是LTPO為當代顯示設(shè)備帶來最大的價值,。上面這張圖雖然不怎么清晰了，但它大致能夠總結(jié)LTPO是怎么回事,，以及帶來了什么價值,。
LTPO結(jié)合了LTPS與IGZO兩者的優(yōu)勢，LTPS電子遷移率高,，就用于operating（驅(qū)動TFT）,；IGZO漏電低，用于switching（開關(guān)TFT）,。所以LTPO的全稱就是帶有機TFT晶體管的LTPS（LTPS with Oxide TFT,，或Low-Temperature Polycrystalline Oxid低溫多晶氧化物）。上面柱狀圖標注了switching部分功耗下降5-15%（operating部分不變）,，就是這個意思,。不過IGZO TFT晶體管尺寸比較大，顯示屏的像素密度會受到一定的影響,，所以LTPO的TFT尺寸會比LTPS略大,；且LTPO制造成本會高于LTPS。
不管這些說法靠不靠譜,，近代Apple Watch的續(xù)航表現(xiàn)提升是實打?qū)嵉?。截止到目前為止，已?jīng)采用了LTPO面板的智能手機至少有6款,，包括Galaxy S21 Ultra,、一加9 Pro等。
三星實際上也開發(fā)了自有專利的LTPO,，名為HOP（Hybrid-oxide and Polycrystalline），這是LTPO技術(shù)普及的基礎(chǔ),?？疵志椭溃琀OP和LTPO應(yīng)該是同一種東西,。國外媒體tom's guide評價已經(jīng)在用這種技術(shù)的Galaxy S21 Ultra在功耗表現(xiàn)上做到了更進一步,，OLED顯示屏功耗比Galaxy Note 20（最早采用LTPO的三星手機）低了16%,，令Galaxy S21 Ultra屏幕在6.8英寸3200x1400分辨率、1300nit峰值亮度的情況下,，手機依然有著不錯的續(xù)航表現(xiàn)[2],。
2023年將統(tǒng)治市場的LTPO
LTPO做到功耗降低，主要靠的是“可變刷新率”,。宣傳中的LTPO是可以做到屏幕刷新率在1Hz-120Hz之間的任意,、平滑切換的。比較典型的是Apple Watch,，在日常顯示時間時,，其屏幕刷新率降到了1Hz，即畫面一秒才刷新一次,。
一般像手機,、PC這樣的電子設(shè)備，屏幕刷新率是恒定在60Hz的：即每秒刷新60次,。這兩年高刷新率的屏幕越來越火,，現(xiàn)在一般高端手機的屏幕刷新率已經(jīng)達到了90Hz、120Hz,。高刷新率屏幕給用戶帶來的價值在于動態(tài)畫面更流暢的觀感,，包括只是上下滑動微博這樣的操作，也能覺察到比60Hz更流暢的體驗,。
咨詢機構(gòu)DSCC預(yù)計,，2021年Q2面板采購份額中，46%會是高分辨率面板（以采購量計）,。在三星的AMOLED智能手機中,，92%的營收預(yù)計全部都來自高刷新率屏幕的智能手機——去年二季度這個值還只有22%。[3]
去年iPhone 12還在用60Hz刷新率的屏幕,，被認為是這代iPhone的重大槽點,。但高刷新率也需以更高的功耗為代價。去年余承東在Mate40系列發(fā)布會上提到,，選擇90Hz刷新率是基于對功耗和體驗的權(quán)衡,。
LTPO的可變刷新率特性，恰好是解決高刷新率屏幕功耗高這一問題的關(guān)鍵,?；诓⒎撬惺褂脠鼍岸夹枰咚⑿侣蔬@一特點，例如在用手機看小說時,，并不需要高刷新率,；在手機上看視頻，流播站點視頻普遍也只有60fps的幀率,，屏幕因此匹配60Hz刷新率才更為合理,；唯有游戲,、關(guān)乎操作流暢度的過渡動畫播放，才需要高刷新率,。這也是“可變刷新率”實現(xiàn)省電的關(guān)鍵,。
供應(yīng)鏈消息幾乎確認，今年的iPhone 13（或iPhone 12s）會采用LTPO屏幕,。電子時報在近期的一份報告中提到,，iPhone 13會采用120Hz刷新率的屏幕，而且因為LTPO技術(shù)的采用,，高刷新率屏幕對續(xù)航不會有任何影響,。報告中提到，iPhone 13組件的功耗整體將比iPhone 12低大約15%,，部分源自LTPO更省電,。[4]
來源：DSCC
DSCC最近發(fā)布消息稱，到2023年底美國智能手機市場,，單就OLED屏幕而言,，LTPO屏幕手機市場份額會超過LTPS。LTPO可實現(xiàn)低功耗的特性,，也很大程度推升了高刷新率屏幕的應(yīng)用,。另外由于缺芯大環(huán)境的影響，LTPO作為高端產(chǎn)品會優(yōu)先發(fā)展,。加上蘋果iPhone 13推動LTPO的采用,，預(yù)計到今年第四季度，LTPO智能手機的銷售額會占到市場25%的份額,。
與此同時,，三星會將部分原LTPS TFT OLED產(chǎn)線轉(zhuǎn)往面向iPhone 13的LTPO OLED顯示面板生產(chǎn)。[5]
LTPO電路結(jié)構(gòu)簡談（選讀）
如果你對LTPO這項技術(shù)感興趣,，可以繼續(xù)往下看,。前文已經(jīng)大致提到了LTPO的原理。LTPO屬于整個顯示面板上TFT（薄膜晶體管）層的技術(shù),。這一層上的電路,，用于控制每個像素。所以TFT就像像素的明暗開關(guān)一樣,。無論LCD還是OLED,，都需要TFT做像素控制。從這個意義上來說,，LCD和OLED都能采用LTPO技術(shù),。
當代大部分手機OLED面板TFT層基于LTPS（低溫多晶硅）。LTPS的特點就是電子遷移率高,，遠高于最傳統(tǒng)的a-Si（非晶硅）,；驅(qū)動電壓要求因此就不高，也就不需要占太大地方,，可用于高分辨率的屏幕,。當然成本也比a-Si之類的方案要高很多。
電視這種大面板常見IGZO（銦鎵鋅氧化物）,。其電子遷移率會顯著低于LTPS,，但比a-Si還是要高出不少的。相對而言,，IGZO在成本方面比LTPS有著更大的優(yōu)勢,；但因為電子遷移率低一些，電路占地面積會大點兒,，可實現(xiàn)的像素密度就無法做到LTPS的程度,。
這是我們一般人對于LTPS和IGZO的了解。事實上LTPS還有一個比較顯著的問題,，那就是其off-state關(guān)斷狀態(tài)的漏電流天然比較高——為了讓顯示畫面更穩(wěn)定,，LTPS屏幕需要將刷新率維持在至少60Hz。有了高刷新率,，漏電流對畫面的影響問題就無所謂了,。當然我們知道，現(xiàn)在大部分顯示屏基本都在60Hz的刷新率,，所以一般并不會認為這是個問題,。
而且因為消費電子產(chǎn)品普遍在追求高刷新率，LTPS有著比較出色的電子遷移速度,，所以相較其他主流的TFT方案,，LTPS在同樣高刷新率（及其他同等條件）時一般是更省電的。
但必須維持至少60Hz刷新率這一點,，也就讓LTPS無緣于下探更低的刷新率了,。如前所述，現(xiàn)在的可變刷新率屏幕,，刷新率能下探到1Hz——這對LTPS而言是沒戲的,。
而像IGZO這樣的金屬氧化物半導(dǎo)體，就有著很低的off-state漏電流（如上圖）,，所以IGZO可應(yīng)用低刷新率,。但如前所述，IGZO的電子遷移率低很多,，這就要求采用更大尺寸的GIP（Gate Integrated Peripheral）電路以及更高的驅(qū)動電壓,。
所以蘋果想到將金屬氧化TFT，也就是IGZO放到LTPS背板上,，算是結(jié)合了兩者的優(yōu)勢：針對LTPS的像素電路,，采用IGZO開關(guān)TFT,。開關(guān)TFT通常在畫面的每一幀都開啟一次，即IGZO在此負責(zé)開關(guān),。前文提到,，其關(guān)斷狀態(tài)下漏電流比較小，也就能夠讓像素亮更久,，以實現(xiàn)更低的刷新率,。
來看看Apple Watch Series 4之上，那塊屏幕的LTPO TFT電路是什么樣的：
來源：Ting-Kuo Chang et al., “LTPO TFT Technology for AMOLEDS”,， 2019 The Society for Information Display, Volume 50, Issue 1, June 2019, https://doi.org/10.1002/sdtp.12978
圖示電路,，1個IGZO TFT作為開關(guān)晶體管（T3），另外5個都是LTPS TFT（T1,，T2,，T4，T5,，T6）,，以及一個儲存電容Cst。其中T2是驅(qū)動晶體管,，它負責(zé)產(chǎn)生電流來驅(qū)動OLED——N2節(jié)點處是已經(jīng)編程過的數(shù)據(jù)電壓,。T3則是控制N2節(jié)點編程的開關(guān)晶體管；T4,、T5主要控制發(fā)射階段（圖中（b）的E階段）,；T6執(zhí)行Cst的初始化，以及N1節(jié)點處的OLED電容,。
此電路用到2個電源信號Vdd和Vss,，1個數(shù)據(jù)信號Vdata，一個初始化信號Vini,，4個控制信號Vem1,，Vem2，Vscan1,，Vscan2——分別用于發(fā)射和掃描,。
這是個6T1C（6個晶體管，1個電容）的像素電路,，其中的開關(guān)晶體管換用了IGZO,。其工作流程這里就不說了。上圖（b）是控制信號時序圖,，I是初始化階段,，P為編程與閾值電壓補償階段，E為發(fā)射階段。詳細可參見蘋果發(fā)表的paper,。
為了獲得很低的刷新率,，必須以足夠長的時間，維持住Cst儲存電容中的電,，以保持N2節(jié)點的電壓,。如果做不到這一點，最終畫面就可能面臨閃爍問題了,。可以考慮把Cst電容做大,，但這樣一來像素就大了,，會影響到像素密度；而且還需要更多的像素編程時間,，影響到顯示表現(xiàn),。
所以通過T3減少Cst釋放出的漏電流，就成為不錯的選擇,。因此T3以IGZO的方式存在,，替換掉原本的LTPS開關(guān)晶體管。在發(fā)射階段（此階段會關(guān)閉T1,、T3,、T6），Vdd到Vss,，電流通往OLED——T3處于關(guān)閉狀態(tài),，能夠確保最小的漏電流。
以上就是LTPO的大致原理了,。實際上這其中還涉及到一些具體的問題,，是需要在實施過程中解決的。比如說,，在1Hz這樣的低刷新率之下,，驅(qū)動晶體管T2滯后問題會凸顯出來，可能存在畫面殘留或閃爍的問題,。
而且LTPS TFT和金屬氧化TFT工藝其實是不相容的：LTPS TFT需要大量氫原子來鈍化多晶硅內(nèi),、以及多晶硅與柵極絕緣層之間的懸掛鍵（dangling bonds）和缺陷。而過量的氫最終會導(dǎo)致IGZO閾值電壓產(chǎn)生偏移,，在較低的顯示驅(qū)動頻率下,，這個問題還會尤為顯著。這些問題在蘋果的paper中也都得到了解決,。
IHS Markit繪制的6T1C像素LTPO剖面圖,，這應(yīng)該是個Buttom-Gate結(jié)構(gòu)
最后值得一提的是，LTPO誕生之初，有關(guān)這種結(jié)構(gòu)是否真的能夠有效降低功耗的質(zhì)疑是始終存在的,。包括5-15%的功耗下降似乎是僅限TFT背板自身的,，而非整個面板。不過我們認為,，LTPO可令面板刷新率降低,，其帶來的功耗紅利是系統(tǒng)性的、相關(guān)具體使用場景的,，Apple Watch就是最好的例子,。如果一直拿手機來玩游戲，顯然LTPO并不會帶來什么續(xù)航的提升,，因為這無法凸顯其可變刷新率的價值,。
但即便是這樣，LTPO也仍然有價值,。一加9 Pro引入了一種名為“游戲超頻響應(yīng)”的機制：由于游戲畫面的幀率（即GPU進行圖形計算輸出的幀率）是動態(tài)變化的,，在屏幕刷新率固定的年代，游戲幀率與屏幕刷新率的不一致會帶來畫面撕裂的問題（垂直同步則會造成幀的延遲）,。在屏幕刷新率可變的情況下,，屏幕刷新率就可以與游戲畫面幀率同步變化了，這也算是LTPO一個不錯的附加價值——或許未來還有更多有潛力的應(yīng)用場景存在,。