2023年將統治市場的LTPO
LTPO可做到功耗降低，主要靠的是「可變刷新率」。宣傳中的LTPO是可以做到螢幕刷新率在1Hz-120Hz之間的任意、平滑切換。比較典型的是Apple Watch，在日常顯示時間時，其螢幕刷新率降到了1Hz，即畫面一秒才刷新一次。
一般像手機、PC這樣的電子裝置，螢幕刷新率是恆定在60Hz的：即每秒刷新60次。這兩年高刷新率的螢幕越來越夯，現在一般高階手機的螢幕刷新率已經達到了90Hz、120Hz。高刷新率螢幕給使用者帶來的價值在於動態畫面更流暢的觀感，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。
諮詢機構DSCC預計，2021年第二季面板採購比重中，46%會是高解析度面板(以採購量計)。在三星的AMOLED智慧型手機中，92%的營收預計全部都來自高刷新率螢幕的智慧型手機——去年第二季這個值還只有22%。
去年發佈的iPhone 12還在用60Hz刷新率的螢幕，被認為是這代iPhone的重大問題。但高刷新率也需以更高的功耗為代價，去年華為消費者業務CEO餘承東在Mate 40系列發佈會上提到，選擇90Hz刷新率是基於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螢幕功耗高這一問題的關鍵。基於並非所有使用場景都需要高刷新率這一特點，例如在用手機看小說時，並不需要高刷新率；在手機上看視訊，串流網站視訊普遍也只有60fps的影格率，螢幕因此匹配60Hz刷新率才更為合理；唯有遊戲、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」實現省電的關鍵。
供應鏈消息幾乎確認，今年的iPhone 13 (或iPhone 12s)會採用LTPO螢幕。DSCC最近發佈消息稱，到2023年底美國智慧型手機市場，單就OLED螢幕而言，LTPO螢幕手機市佔會超過LTPS。LTPO可實現低功耗的特性，也很大程度推升了高刷新率螢幕的應用。另外，由於晶片缺貨大環境的影響，LTPO作為高階產品會優先發展，加上蘋果iPhone 13推動LTPO的採用，預計到今年第四季，LTPO智慧型手機的銷售額會達到市場25%。
與此同時，三星會將部分原LTPS TFT OLED產線轉往針對iPhone 13的LTPO OLED顯示面板生產。
(來源：DSCC)
LTPO電路結構簡談
如果你對LTPO這項技術感興趣，可以繼續往下看。前文已經大致提到了LTPO的原理。LTPO屬於整個顯示面板上TFT層的技術，這一層上的電路，用於控制每個畫素，所以TFT就像畫素的明暗開關。無論LCD還是OLED，都需要TFT做畫素控制。從這個意義上來說，LCD和OLED都能採用LTPO技術。
當代大部分手機OLED面板TFT層基於LTPS。LTPS的特點就是電子遷移率高，遠高於最傳統的a-Si，因此驅動電壓要求不高，也就不需要佔太大空間，可用於高解析度的螢幕，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，其電子遷移率會顯著低於LTPS，但比a-Si還是高出不少。相對而言，IGZO在成本方面比LTPS有著更大的優勢；但因為電子遷移率低一些，電路佔位面積會大點，可實現的畫素密度就無法做到LTPS的程度。
這是一般人對於LTPS和IGZO的瞭解。事實上LTPS還有一個比較顯著的問題，那就是其off-state關斷狀態的漏電流先天比較高——為了讓顯示畫面更穩定，LTPS螢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就無所謂了，當然我們知道，現在大部分顯示器基本都在60Hz的刷新率，所以一般並不會認為這是個問題。
而且因為消費性電子產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。但必須維持至少60Hz刷新率這一點，也就讓LTPS無緣於下探更低的刷新率了。如前所述，現在的可變刷新率螢幕，刷新率能下探到1Hz——這對LTPS而言是沒戲可唱的。
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，這就要求採用更大尺寸的GIP (Gate Integrated Peripheral)電路，以及更高的驅動電壓。
所以蘋果想到將金屬氧化TFT，也就是IGZO放到LTPS背板上，算是結合了兩者的優勢：針對LTPS的畫素電路，採用IGZO開關TFT。開關TFT通常在畫面的每一影格都開啟一次，即IGZO在此負責開關。前文提到，其關斷狀態下漏電流比較小，也就能夠讓畫素亮更久，以實現更低的刷新率。
來看看Apple Watch Series 4的LTPO TFT螢幕電路：
(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)
圖中電路顯示，1個IGZO TFT作為開關電晶體(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是驅動電晶體，它負責產生電流來驅動OLED——N2節點處是已經程式設計過的資料電壓；T3則是控制N2節點程式設計的開關電晶體；T4、T5主要控制發射階段(圖中(b)的E階段)；T6執行CST的初始化，以及N1節點處的OLED電容。
此電路用到2個電源訊號VDD和VSS，1個資料訊號VDATA，一個初始化訊號VINI，4個控制訊號VEM1、VEM2、VSCAN1、VSCAN2——分別用於發射和掃描。
這是個6T1C (6個電晶體、1個電容)的畫素電路，其中的開關電晶體換用了IGZO。上圖(b)是控制訊號時序圖，I是初始化階段，P為程式設計與閾值電壓補償階段，E為發射階段，詳細可參見蘋果發表的報告。
為了獲得很低的刷新率，必須以夠長的時間，維持住CST儲存電容中的電，以保持N2節點的電壓。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，但這樣一來畫素也會跟著變大，會影響到畫素密度；而且還需要更多的畫素程式設計時間，影響到顯示表現。
所以透過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開關電晶體。在發射階段(此階段會關閉T1、T3、T6)，VDD到VSS，電流通往OLED——T3處於關閉狀態，能夠確保最小的漏電流。
以上是LTPO的大致原理。實際上這其中還涉及到一些具體的問題，是需要在實做過程中解決的。比如說，在1Hz這樣的低刷新率之下，驅動電晶體T2滯後問題會凸顯出來，可能存在畫面殘留或閃爍的問題。
而且LTPS TFT和金屬氧化TFT製程其實是不相容的：LTPS TFT需要大量氫原子來鈍化多晶矽內，以及多晶矽與閘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閾值電壓產生偏移，在較低的顯示驅動頻率下，這個問題還會尤為顯著。不過，這些問題在蘋果的報告中也都得到了解決。
IHS Markit繪製的6T1C畫素LTPO剖面圖，應該是Buttom-Gate結構。(來源：IHS Markit)
最後值得一提的是，LTPO誕生之初，有關這種結構是否真的能夠有效降低功耗的質疑始終存在。包括5~15%的功耗下降似乎是僅限TFT背板自身，而非整個面板。不過我們認為，LTPO可讓面板刷新率降低，其帶來的功耗紅利是系統性的、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遊戲，顯然LTPO並不會帶來什麼續航的提升，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「遊戲超頻回應」的機制：由於遊戲畫面的影格率(即GPU進行圖形運算輸出的影格率)是動態變化的，在螢幕刷新率固定的年代，遊戲影格率與螢幕刷新率的不一致會帶來畫面撕裂的問題(垂直同步則會造成影格的延遲)。在螢幕刷新率可變的情況下，螢幕刷新率就可以與遊戲畫面影格率同步變化了，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。
本文原刊登於EE Times China網站
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