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,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,應該就是一種名為LTPO的技術了——而且它可能在未來兩年內(nèi)會統(tǒng)治市場。
Apple Watch Series 4的顯示屏最早應用了這種技術: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,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技術的確是來自蘋果,起初由LG Display借助蘋果的技術和IP制造這種顯示屏。有關蘋果采用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兩方面來談談這種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,主要脫胎自現(xiàn)在應用相當廣泛的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。這應該也是LTPO為當代顯示設備帶來最大的價值。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技術普及的基礎??疵志椭?,HOP和LTPO應該是同一種東西。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)省電的關鍵。
供應鏈消息幾乎確認,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。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。
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體,就有著很低的off-state漏電流(如上圖),所以IGZO可應用低刷新率。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TFT。開關TFT通常在畫面的每一幀都開啟一次,即IGZO在此負責開關。前文提到,其關斷狀態(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??梢钥紤]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開關晶體管。在發(fā)射階段(此階段會關閉T1、T3、T6),Vdd到Vss,電流通往OLED——T3處于關閉狀態(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,這應該是個Buttom-Gate結(jié)構(gòu)
最后值得一提的是,LTPO誕生之初,有關這種結(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”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用場景存在。