蘋果作為一家不造顯示面板的企業，自iPhone初代問世之日起，就實實在在地對顯示行業產生了很大的影響。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品中采用FFS（Fringing Field） IPS顯示屏，實現更低功耗和更好的可視角度……
當然畢竟蘋果不造屏幕，這些技術的研發主力也并非蘋果，但現在很多電子產品中已經普及的技術，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會統治市場。
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在2018年，IHS Markit當時提到iPhone很有可能會在未來長期內采用一種名為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，主要脫胎自現在應用相當廣泛的LTPS（低溫多晶硅），只不過其驅動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相比現在廣泛采用的LTPS面板，能夠節約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LTPO是怎么回事，以及帶來了什么價值。
LTPO結合了LTPS與IGZO兩者的優勢，LTPS電子遷移率高，就用于operating（驅動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的續航表現提升是實打實的。截止到目前為止，已經采用了LTPO面板的智能手機至少有6款，包括Galaxy S21 Ultra、一加9 Pro等。
三星實際上也開發了自有專利的LTPO，名為HOP（Hybrid-oxide and Polycrystalline），這是LTPO技術普及的基礎。看名字就知道，HOP和LTPO應該是同一種東西。國外媒體tom's guide評價已經在用這種技術的Galaxy S21 Ultra在功耗表現上做到了更進一步，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航表現[2]。
2023年將統治市場的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，現在一般高端手機的屏幕刷新率已經達到了90Hz、120Hz。高刷新率屏幕給用戶帶來的價值在于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。
咨詢機構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。基于并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，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。另外由于缺芯大環境的影響，LTPO作為高端產品會優先發展。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產線轉往面向iPhone 13的LTPO OLED顯示面板生產。[5]
LTPO電路結構簡談（選讀）
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，遠高于最傳統的a-Si（非晶硅）；驅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關斷狀態的漏電流天然比較高——為了讓顯示畫面更穩定，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，其關斷狀態下漏電流比較小，也就能夠讓像素亮更久，以實現更低的刷新率。
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是驅動晶體管，它負責產生電流來驅動OLED——N2節點處是已經編程過的數據電壓。T3則是控制N2節點編程的開關晶體管；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個電源信號Vdd和Vss，1個數據信號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為發射階段。詳細可參見蘋果發表的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。
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，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、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閾值電壓產生偏移，在較低的顯示驅動頻率下，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結構
最后值得一提的是，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。