蘋(píng)果作為一家不造顯示面板的企業(yè)，自iPhone初代問(wèn)世之日起，就實(shí)實(shí)在在地對(duì)顯示行業(yè)產(chǎn)生了很大的影響,。手機(jī)普遍還在用MSTN、CSTN或者半透反射式a-Si TFT顯示屏的時(shí)候,，iPhone初代就開(kāi)始用傳送式TFT了,。再比如，蘋(píng)果率先在消費(fèi)電子產(chǎn)品中采用FFS（Fringing Field） IPS顯示屏,，實(shí)現(xiàn)更低功耗和更好的可視角度……

　　當(dāng)然畢竟蘋(píng)果不造屏幕,，這些技術(shù)的研發(fā)主力也并非蘋(píng)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(píng)果的身影的,。而這兩年,，蘋(píng)果對(duì)面板行業(yè)最大的影響，應(yīng)該就是一種名為L(zhǎng)TPO的技術(shù)了——而且它可能在未來(lái)兩年內(nèi)會(huì)統(tǒng)治市場(chǎng),。

　　Apple Watch Series 4的顯示屏最早應(yīng)用了這種技術(shù)：早年的蘋(píng)果手表還無(wú)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(pán)顯示時(shí)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(rèn)定,，會(huì)采用這類(lèi)面板,。

　　而且LTPO技術(shù)的確是來(lái)自蘋(píng)果，起初由LG Display借助蘋(píng)果的技術(shù)和IP制造這種顯示屏,。有關(guān)蘋(píng)果采用LTPO屏幕的傳言最早出現(xiàn)在2018年,，IHS Markit當(dāng)時(shí)提到iPhone很有可能會(huì)在未來(lái)長(zhǎng)期內(nèi)采用一種名為L(zhǎng)TPO的屏幕，蘋(píng)果還為此申請(qǐng)了3項(xiàng)很重要的專(zhuān)利,。[1]

　　本文嘗試從市場(chǎng)和技術(shù)兩方面來(lái)談?wù)勥@種LTPO顯示面板,。

　　降低屏幕功耗是重點(diǎn)

　　LTPO實(shí)際上是一種TFT backplane技術(shù)，主要脫胎自現(xiàn)在應(yīng)用相當(dāng)廣泛的LTPS（低溫多晶硅）,，只不過(guò)其驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dāng)代顯示設(shè)備帶來(lái)最大的價(jià)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(lái)了什么價(jià)值,。

　　LTPO結(jié)合了LTPS與IGZO兩者的優(yōu)勢(shì),，LTPS電子遷移率高，就用于operating（驅(qū)動(dòng)TFT）,；IGZO漏電低,，用于switching（開(kāi)關(guān)TFT）。所以LTPO的全稱(chēng)就是帶有機(jī)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(biāo)注了switching部分功耗下降5-15%（operating部分不變），就是這個(gè)意思,。不過(guò)IGZO TFT晶體管尺寸比較大,，顯示屏的像素密度會(huì)受到一定的影響,，所以LTPO的TFT尺寸會(huì)比LTPS略大；且LTPO制造成本會(huì)高于LTPS,。

　　不管這些說(shuō)法靠不靠譜,，近代Apple Watch的續(xù)航表現(xiàn)提升是實(shí)打?qū)嵉摹＝刂沟侥壳盀橹?，已?jīng)采用了LTPO面板的智能手機(jī)至少有6款,，包括Galaxy S21 Ultra、一加9 Pro等,。

　　三星實(shí)際上也開(kāi)發(fā)了自有專(zhuān)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(guó)外媒體tom's guide評(píng)價(jià)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(jìn)一步,，OLED顯示屏功耗比Galaxy Note 20（最早采用LTPO的三星手機(jī)）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(jī)依然有著不錯(cuò)的續(xù)航表現(xiàn)[2]。

　　2023年將統(tǒng)治市場(chǎng)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(shí)間時(shí)，其屏幕刷新率降到了1Hz,，即畫(huà)面一秒才刷新一次,。

　　一般像手機(jī)、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(lái)越火，現(xiàn)在一般高端手機(jī)的屏幕刷新率已經(jīng)達(dá)到了90Hz,、120Hz,。高刷新率屏幕給用戶(hù)帶來(lái)的價(jià)值在于動(dòng)態(tài)畫(huà)面更流暢的觀感，包括只是上下滑動(dòng)微博這樣的操作,，也能覺(jué)察到比60Hz更流暢的體驗(yàn)。

　　咨詢(xún)機(jī)構(gòu)DSCC預(yù)計(jì),，2021年Q2面板采購(gòu)份額中,，46%會(huì)是高分辨率面板（以采購(gòu)量計(jì)）,。在三星的AMOLED智能手機(jī)中，92%的營(yíng)收預(yù)計(jì)全部都來(lái)自高刷新率屏幕的智能手機(jī)——去年二季度這個(gè)值還只有22%,。[3]

　　去年iPhone 12還在用60Hz刷新率的屏幕,，被認(rèn)為是這代iPhone的重大槽點(diǎn)。但高刷新率也需以更高的功耗為代價(jià),。去年余承東在Mate40系列發(fā)布會(huì)上提到,，選擇90Hz刷新率是基于對(duì)功耗和體驗(yàn)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(wèn)題的關(guān)鍵,。基于并非所有使用場(chǎng)景都需要高刷新率這一特點(diǎn),，例如在用手機(jī)看小說(shuō)時(shí),，并不需要高刷新率；在手機(jī)上看視頻,，流播站點(diǎn)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(guò)渡動(dòng)畫(huà)播放,，才需要高刷新率。這也是“可變刷新率”實(shí)現(xiàn)省電的關(guān)鍵,。

　　供應(yīng)鏈消息幾乎確認(rèn),，今年的iPhone 13（或iPhone 12s）會(huì)采用LTPO屏幕。電子時(shí)報(bào)在近期的一份報(bào)告中提到,，iPhone 13會(huì)采用120Hz刷新率的屏幕,，而且因?yàn)長(zhǎng)TPO技術(shù)的采用，高刷新率屏幕對(duì)續(xù)航不會(huì)有任何影響,。報(bào)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(lái)源：DSCC

　　DSCC最近發(fā)布消息稱(chēng),，到2023年底美國(guó)智能手機(jī)市場(chǎng)，單就OLED屏幕而言,，LTPO屏幕手機(jī)市場(chǎng)份額會(huì)超過(guò)LTPS,。LTPO可實(shí)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(huì)優(yōu)先發(fā)展。加上蘋(píng)果iPhone 13推動(dòng)LTPO的采用,，預(yù)計(jì)到今年第四季度,，LTPO智能手機(jī)的銷(xiāo)售額會(huì)占到市場(chǎng)25%的份額,。

　　與此同時(shí)，三星會(huì)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(jiǎn)談（選讀）

　　如果你對(duì)LTPO這項(xiàng)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(gè)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(gè)像素,。所以TFT就像像素的明暗開(kāi)關(guān)一樣,。無(wú)論LCD還是OLED，都需要TFT做像素控制,。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō),，LCD和OLED都能采用LTPO技術(shù)。

　　當(dāng)代大部分手機(jī)OLED面板TFT層基于LTPS（低溫多晶硅）,。LTPS的特點(diǎn)就是電子遷移率高,，遠(yuǎn)高于最傳統(tǒng)的a-Si（非晶硅）；驅(qū)動(dòng)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(dāng)然成本也比a-Si之類(lèi)的方案要高很多,。

　　電視這種大面板常見(jiàn)IGZO（銦鎵鋅氧化物）,。其電子遷移率會(huì)顯著低于LTPS，但比a-Si還是要高出不少的,。相對(duì)而言,，IGZO在成本方面比LTPS有著更大的優(yōu)勢(shì)；但因?yàn)殡娮舆w移率低一些,，電路占地面積會(huì)大點(diǎn)兒,，可實(shí)現(xiàn)的像素密度就無(wú)法做到LTPS的程度。

　　這是我們一般人對(duì)于LTPS和IGZO的了解,。事實(shí)上LTPS還有一個(gè)比較顯著的問(wèn)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(huà)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(duì)畫(huà)面的影響問(wèn)題就無(wú)所謂了。當(dāng)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(huì)認(rèn)為這是個(gè)問(wèn)題。

　　而且因?yàn)橄M(fèi)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(shí)一般是更省電的。

　　但必須維持至少60Hz刷新率這一點(diǎn),，也就讓LTPS無(wú)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(duì)LTPS而言是沒(méi)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(dòng)電壓。

　　所以蘋(píng)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(shì)：針對(duì)LTPS的像素電路，采用IGZO開(kāi)關(guān)TFT,。開(kāi)關(guān)TFT通常在畫(huà)面的每一幀都開(kāi)啟一次,，即IGZO在此負(fù)責(zé)開(kāi)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(shí)現(xiàn)更低的刷新率,。

　　來(lái)看看Apple Watch Series 4之上,，那塊屏幕的LTPO TFT電路是什么樣的：

　　來(lái)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(gè)IGZO TFT作為開(kāi)關(guān)晶體管（T3）,，另外5個(gè)都是LTPS TFT（T1，T2,，T4,，T5，T6）,，以及一個(gè)儲(chǔ)存電容Cst,。其中T2是驅(qū)動(dòng)晶體管，它負(fù)責(zé)產(chǎn)生電流來(lái)驅(qū)動(dòng)OLED——N2節(jié)點(diǎn)處是已經(jīng)編程過(guò)的數(shù)據(jù)電壓,。T3則是控制N2節(jié)點(diǎn)編程的開(kāi)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(diǎn)處的OLED電容,。

　　此電路用到2個(gè)電源信號(hào)Vdd和Vss，1個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)Vdata,，一個(gè)初始化信號(hào)Vini,，4個(gè)控制信號(hào)Vem1，Vem2,，Vscan1,，Vscan2——分別用于發(fā)射和掃描。

　　這是個(gè)6T1C（6個(gè)晶體管,，1個(gè)電容）的像素電路,，其中的開(kāi)關(guān)晶體管換用了IGZO。其工作流程這里就不說(shuō)了,。上圖（b）是控制信號(hào)時(shí)序圖,，I是初始化階段，P為編程與閾值電壓補(bǔ)償階段,，E為發(fā)射階段,。詳細(xì)可參見(jiàn)蘋(píng)果發(fā)表的paper。

　　為了獲得很低的刷新率,，必須以足夠長(zhǎng)的時(shí)間,，維持住Cst儲(chǔ)存電容中的電，以保持N2節(jié)點(diǎn)的電壓,。如果做不到這一點(diǎn),，最終畫(huà)面就可能面臨閃爍問(wèn)題了?？梢钥紤]把Cst電容做大,，但這樣一來(lái)像素就大了，會(huì)影響到像素密度,；而且還需要更多的像素編程時(shí)間,，影響到顯示表現(xiàn)。

　　所以通過(guò)T3減少Cst釋放出的漏電流,，就成為不錯(cuò)的選擇,。因此T3以IGZO的方式存在，替換掉原本的LTPS開(kāi)關(guān)晶體管,。在發(fā)射階段（此階段會(huì)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(shí)際上這其中還涉及到一些具體的問(wèn)題,，是需要在實(shí)施過(guò)程中解決的。比如說(shuō),，在1Hz這樣的低刷新率之下,，驅(qū)動(dòng)晶體管T2滯后問(wèn)題會(huì)凸顯出來(lái)，可能存在畫(huà)面殘留或閃爍的問(wèn)題,。

　　而且LTPS TFT和金屬氧化TFT工藝其實(shí)是不相容的：LTPS TFT需要大量氫原子來(lái)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(guò)量的氫最終會(huì)導(dǎo)致IGZO閾值電壓產(chǎn)生偏移,，在較低的顯示驅(qū)動(dòng)頻率下，這個(gè)問(wèn)題還會(huì)尤為顯著,。這些問(wèn)題在蘋(píng)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(gè)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(gè)面板,。不過(guò)我們認(rèn)為，LTPO可令面板刷新率降低,，其帶來(lái)的功耗紅利是系統(tǒng)性的,、相關(guān)具體使用場(chǎng)景的，Apple Watch就是最好的例子,。如果一直拿手機(jī)來(lái)玩游戲,，顯然LTPO并不會(huì)帶來(lái)什么續(xù)航的提升，因?yàn)檫@無(wú)法凸顯其可變刷新率的價(jià)值,。

　　但即便是這樣,，LTPO也仍然有價(jià)值。一加9 Pro引入了一種名為“游戲超頻響應(yīng)”的機(jī)制：由于游戲畫(huà)面的幀率（即GPU進(jìn)行圖形計(jì)算輸出的幀率）是動(dòng)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(huì)帶來(lái)畫(huà)面撕裂的問(wèn)題（垂直同步則會(huì)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(huà)面幀率同步變化了,，這也算是LTPO一個(gè)不錯(cuò)的附加價(jià)值——或許未來(lái)還有更多有潛力的應(yīng)用場(chǎng)景存在。