LTPO技术全解析之前世今生
OLEDindustry · 2020-06-08
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这几天似乎被SAMSUNG Galaxy Note20和Note20+的新屏幕刷屏了，Note20+还被标定了LTPO的屏幕。其实LTPO这个概念被提出了很多年，笔者第一次听说是在2014年，但为什么直到今天它才被用在手机这个应用上？下面由笔者给大家细细道来。
LTPO的前世今生到底是个什么东西，它到底有什么可神奇的？
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LTPO——伟大的、艰难的、有些强求的、又很至关重要的技术迭代
笔者认为，这一切要从OLED这一生物被创造出来开始讨论，而谈到OLED这一生物，就不得不顺道儿的讨论它的驱动方式，LTPS背板技术。LTPS这一背板技术是由日韩派系的面板制造厂商优先提出，并且最先在LCD技术上发扬光大的。
在中国大陆，是天马点亮了中国大陆第一块LTPS-LCD的面板，那时的笔者研究生工作还未毕业。随后京东方在鄂尔多斯也点亮了LTPS面板，随后LTPS面板遍地开花，在OLED面板还没有成为主流时，充斥着手机产品用用的高端市场，JDI似乎是那个不可逾越的屏障。
在那个现在可以当作每天给孩子们的睡前床头故事的时代，JDI的LTPS屏幕被很多下游手机厂商誉为世界上最出色的显示屏。当然那都是很多年前的话题了，如今的JDI还在为资金断裂而苦恼于卖给谁而发愁。
LTPS背板技术的优势不用再多说了，它拥有目前在玻璃基板生态环境中泛半导体制程中最强大的迁移率。这就意味着以LTPS材料为核心功能层的TFT器件能够很轻松的释放超大的开态电流，这对TFT器件小型化带来了很大的优势——可以进一步提高开口率，提高充电速度而实现高刷新率，当然它最大的优势还是要和可以驱动OLED发光器件联系起来。
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作为电流驱动型器件，一个较大的开态电流值是OLED必须的启亮条件，非晶硅TFT必须要设计得很大才可以在极低的迁移率下，用沟道的特性去点亮OLED器件。在点亮OLED器件这一任务上，似乎没有人可以与LTPS相抗衡。但LTPS器件又有其不可或缺的缺点，制备工艺复杂，ELA退火工艺难且设备投入昂贵。在LTPS产线刚刚基建完成，进行工艺验证和良率爬坡时，经历的磨难和困苦足以让工程师们每天抽上3包烟。
而且LTPS器件的另一个窘境是，虽然它的开态电流大，但漏电似乎也比较大，这需要它不断的刷新来弥补电容漏电的情况，在低阶液晶显示面板的维度上，对比非晶硅技术的TFT器件，LTPS似乎并没有绝对的优势。只有在超高分辨率和高刷新率的情况下，才能逐步拉开自己和非晶硅技术的差距。
所以，对于LTPS技术来说，只能孤注一掷在OLED器件上了。而过去几年的历史告诉我们，LTPS的选择完全正确，OLED在手机等中小尺寸面板的应用上挤走了它昔日的竞争对手LCD。
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而对于OLED器件来说，LTPS驱动是必不可少的。上文中已经说到了，OLED作为电流器件，必须由高迁移率的TFT器件才能更好的驱动。且手机产品的ppi要求，也必须要保证驱动它的TFT器件必须做得足够小，才可以实现高分辨率。
最后，笔者要强调的是，OLED这个不争气的玩意，正是因为它的电流驱动特性，使得每一个OLED的像素内必须要进行内部补偿，才能够避免因为LTPS器件均匀性问题导致的发光不一致性。所以每一个OLED的像素内部，必须要有6-7个TFT器件做补偿电路设计。作为手机产品，每一个像素的面积是寸土寸金的，所以要在完成这一功能的前提下使每个TFT器件做的更小。那么，只有LTPS器件满足这样的要求。
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OLED器件与LTPS器件即使再天衣无缝的配合，也无法摆脱像素渲染算法的设计初衷，于是这也就导致了真实的ppi与物理ppi之间存在着差距。而LCD显示器可以实现真实的RGB像素排布。
后来，随着各大面板厂工艺能力的提升，OLED也可以实现WQHD甚至UHD的像素设计，但依旧没有摆脱像素渲染的设计理念。
而功耗问题，也是LTPS在驱动OLED器件时所面临的一大难题。作为自发光器件，OLED的全白模式必须让所有的像素全部开启，这也就增加了逻辑功耗和因亮度而引起的功耗。而LTPS器件的漏电问题，也使得正常的工作的LTPS器件要不断充电，才能维持住电容中的电位，避免面板画质的不良。这就意味着LTPS无法实现低频驱动，这对面板功耗节省是大大不利的。特别是OLED所倡导的Always on Display的友好交互模式。
而随着面板刷新率要求的不断提高和面板分辨率的不断提高，这也就意味着OLED面板中每一行的充电时间在不断缩短，而每一行的像素个数却又在不断提高。这也就意味着OLED面板的驱动能力必须要达到在一个更短的时间内，为每一行中更多的像素进行充电的水平。
这就必须进一步提高LTPS器件的充电能力，才能够满足在有限的时间内为每一行中的每个像素进行充电，这些都是要以额外增加很大的功耗作为代价的。
这也是为什么在LTPO技术在手机上成功量产之前，OLED在WQHD加120Hz刷新率的配置上只有OnePlus 7Pro。
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通过上文的内容，你们应该能够明白，驱动OLED非LTPS莫属，但LTPS又有诸多的问题，最严重的问题莫过于漏电问题，这个问题既不能让它实现低频驱动，也不能让他来面对高分辨率高刷新率的手机的更高规格。
看呐，那些LCD永不为奴的人们又在用120Hz的刷新率来笑话我们了。有没有谁能帮帮我们呢？那么，这个时候，氧化物半导体TFT登场了。
插叙：其实早在LTPS刚刚登上历史舞台的那些年，业内一些人士始终认为LTPS只是过度，因为它太昂贵，制作起来又非常麻烦。他们认为未来的显示世界是氧化物半导体的天下，因为氧化物可以完美实现G5.5到G11的飞跃，而LTPS只能干到G6.5。而且氧化物半导体的制备工艺与非晶硅的工艺十分相似，产线不用重新投入新的设备，只需要对靶材进行更换即可，迁移率虽然没有LTPS高，但也比非晶硅高出不少。
但氧化物半导体这个不争气的玩意这么多年来似乎让人们看走了眼，器件的问题更多，始终没有真正的登上历史的舞台，夏普曾经出过一款氧化物-LCD的手机之后，便把自己卖给了富士康，氧化物背板的电视机技术也没有坚持下来，恐怕只有做大尺寸OLED电视机的那帮人还在坚持这项技术了吧。笔者在此就不必多说了。
曾经针尖对麦芒的两种技术，如今联手起来建立了神圣同盟。由于OLED的驱动是分为三个阶段——复位、补偿、发光。其实，我们只要围绕着最后的发光阶段来展开问题就好了，我们可以对发光阶段之外的那些阶段进行TFT器件的设计改进，让它们满足在发光阶段的TFT器件实现低频、高刷就可以了。
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所以，LTPO技术根本不是一种新的技术，笔者非常不同意将其直译为“低温多晶氧化物”技术，给人们一种错觉，好像氧化物半导体的形态是多静态的。其实真正科学的叫法应该是——低温多晶硅和氧化物杂合TFT驱动技术：Hybrid TFT Technology contains LTPS TFT and Oxide TFT。
现在我们来对比一个三星早期产品的OLED像素设计图来解释LTPO设计的优势所在。虽然这是三星在早期的一款产品，现在的新产品也许不是这个像素结构，但它依然可以作为我们认识LTPO的典型设计模型。
由于中美贸易战的原因，笔者自己用WPS画了一个像素设计图，而不是用美国的EDA软件画的。我们可以看到这个像素内部电路采用了6个TFT一个电容的设计思路。（如果读者觉得复杂，这段可以跳过，可以直接死记硬背结论，因为笔者当年学习OLED背板知识时也是从这里开始就放弃了——从入门到放弃，生活才能如此美好。）
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在第一个阶段复位阶段，上图的TFT T4开启，其他TFT都不开启，由于与电容Cst连接的Vin是较低的电位，这样Cst电容顺利放空，器件得以复位。
在第二阶段，即补偿阶段，上图的SCAN[N]呈低电位，T2与T3开启。三极管T1实现二极管连接状态。同时DATA信号写入，经过T2与T3在A点进行积累，直到A点的点位满足T1这个二极管的截止条件，即Va-Vdata=Vth时，二极管T1截止，A点的电位即Vdata+Vth，被写入到电容Cst中。
在第三个阶段，即发光阶段，EM[N]处于低电平，T5与T6打开，TFT T1处于饱和通路状态，ELVDD信号写入到T1的源极。当T1处于饱和状态时，T1的IDS源漏电流的数值是TFT T1的Vgs-Vth的函数。T1的Vg，即为上一个阶段写入到Cst电容中的A点电位，Vs即为ELVDD，则T1的源漏电流IDS是Vdata+Vth-ELVDD-Vth的函数，即T1的IDS电流，即驱动发光二极管器件的电流与T1这个TFT的Vth无关。
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也就是说，OLED的像素补偿电路在第二阶段的补偿阶段，就已经把最终驱动OLED器件发光的TFT T1的Vth提前写入到了Cst电容中。即便另一个像素的OLED的T1的Vth与这个T1的Vth不同，它们的不同也不会影响这两个OLED发光亮度的均匀性，因为不和谐的Vth因素已经被补偿掉了。
那么，让我们来想一想，在这三个环节中，其实最重要的一个环节就是将A点的电位写入Cst，且一直在Cst中完美无缺的保存起来，直到第三个阶段，发光阶段到来的时候，Cst中的上一个阶段中被存储起来的A点电位被释放出来，才能够真正的对OLED的驱动进行补偿。所以我们要做到的事情是，A点的电位在Cst中很好的保存。
所以，我们要把与Cst相连的，并且在发光阶段直接联系到TFT T1的栅极电位的T3和T4更换成氧化物TFT，就可以实现TFT T1的低频驱动功能了。
因为一旦在补偿阶段写入到Cst中的A点电位信号，与T3和T4的从T3和T4中漏掉以后，就要为Cst再充电，来重复这一繁琐的过程。所以当T3与T4为LTPS TFT时，由于T3和T4漏电水平较高，Cst中的信号损失较快，便不能实现低频驱动。
是，除了T3和T4之外，其他的TFT还要继续配合Data信号写入，和发光的功能，它们在完成任务后，不直接参与TFT T1对发光二极管OLED的驱动控制，所以它们还要时刻准备着战斗，时刻准备被唤醒去进行下一帧的操作，所以它们不可以被更换为氧化物TFT器件，以免丧失整个TFT工作小组的驱动能力！
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而对高刷新率高分辨率而言，LTPO的好处是显而易见的。电容中的信号在氧化物半导体的维持下，可以持续很长时间。当下一帧又刷新过来时，对于那些不需要做太多调整的像素，电容中的信号可以继续保留，或者做稍稍的弥补就好。这样就减轻了SCAN信号和Data信号的压力。
对于那些距离面板两端GOA源头较远的面板中心区域的像素区域，可以有针对性的进行控制。随着分辨率和刷新率的提高，这种优势就更加明显了。家里有余量，不给政府添麻烦！
可见，氧化物TFT加入到这一驱动TFT的大组织中，无论在低频驱动还是在高分辨率高刷新率的硬性指标要求下，都可以配合Driver IC来完美的完成工作。节省了功耗的同时，又丰富了用户的使用场景。
在用户浏览小说，或让Display处于Always on Display的状态时，LTPO的驱动发案可以实现极低刷新频率的静态显示。在电竞游戏场景中，又可以实现WQHD的120Hz刷新率，并更好的满足HDR的高动态要求。
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但是，事物都是存在两面性的，LTPO的好处显而易见，但它的缺点也是确切存在的。首先就是制备工艺的复杂性。本身LTPS的工艺就已经很复杂了，在产线中再加入氧化物半导体的制程，不仅背板的设计难度有很大的挑战，也对产线的设备布局，工艺流程的优化提出了高要求。是引入新的设备，还是共用制备ITO的设备来制备IGZO氧化物功能层，tact时间会不会受影响？新的设备搬入到哪里？还有没有足够的设备空间？产线已经在建厂的时候就设计好了设备布局，新来的设备放在哪里？引入了新的设备，那整个产线满产LTPO的产品，还是LTPO和LTPS背板的产品混做？这些问题有没有深思熟虑过？
第二个问题在上文中也提到了，氧化物的漏点小的优势在LTPO中得到了证实，但它迁移率低，和其他LTPS器件一起工作时候会不会拖后腿，如果不想拖后腿，那么它们的面积就要做大，来实现与LTPS一样的能力，但这对像素的开口率是不利的。目前大家都在为提升工艺能力而努力着，努力通过工艺能力的提升，来提升氧化物半导体的特性，争取把它做小，不在整个驱动系统中托大家的后腿，也不会为手机产品的像素开口率拖后腿。
虽然各家面板厂都在进行LTPO的技术验证，但只有三星在手机上第一个吃了螃蟹，这离不开三星对整个面板技术生态的引领，是技术能力领先别的追赶着很多年的不争事实，能第一个开发出WQHD 120Hz的LTPO面板，已经不用去讨论三星的技术能力。但笔者认为，与其是技术能力不突破与飞跃，LTPO更是一次成功的营销行为！
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LTPO——比起技术的进步，这更是一次营销学上的巨大成功。
手机面板从2009年开始进入OLED面板至今，经历了10年的LCD与OLED的彼此进步和成长，终于在2017年开始的全面屏时代，让OLED屏幕一步一步的统治着世界。如果说刘海和水滴不足以来区分OLED与LCD的优劣势，那么屏下指纹、屏幕打孔、屏幕这些等纯固态显示范畴上技术的变化，足以让OLED与LCD拉开很大的差距。
并且三星从2016年开始逐步把OLED的独供政策变为大家一起玩大家一起用的政策以后，随着Tie2Tie3等面板供应商京东方、CSOT、天马、维信诺、EDO等等的后来居上。三星正在逐渐失去对手机品牌厂商中旗舰机型OLED面板100%的市占率的地位。即便是三星最拿手的Youm OLED面板，在面对不是其真正的朋友的华为时，也面临过把一供拱手让给京东方的窘境。何况时不时还有LG这个隔壁的不是真正的朋友的竞争社过来搅局。
所以，三星需要继续以产品技术的迭代作为其在营销学理论上的武器，继续开发更新更牛的屏幕技术，来继续巩固品牌手机厂商中高端旗舰机的机型适配率，而且还必须是100%市占率。
同时，对于手机品牌厂商来说，从全面屏之后的同质化产品中可以看出，最新技术5G和折叠屏并没有激发起消费者更新的购买欲望。5G太早，折叠屏太弱。而5G手机仅仅依靠高通865平台和更高的DRAM和Flash就可以把价位拉到4000+，5000+甚至7000+的价位，这让消费者是无法理解的。消费者不情愿去体会一个他们短期内不会看到价值的东西去消耗他们口袋中本不富裕的可支配资金。
而随着高通、华为、MTK、展讯在5G芯片上新的布局和技术迭代，5G手机SOC产品可以继续向下渗透到2000元左右的水平，那个时候，又有哪些内容可以支撑品牌手机旗舰机型价位段的硬件基准呢？
多摄像头？人们已经审美疲劳了，更高的DRAM和Flash？用户的审美也疲劳了，NPU IP的进一步迭代？AI都成泡沫了！可见，能让差异化进一步展现的就在屏幕了。
作为手机中最为夺目最为重要的屏幕，在柔性打孔折叠的趋势上，各家厂商都可以拿出像样的产品来充斥市场。所以在这个白热化的时间点，三星需要把LTPO这张牌打出来，只有LTPO才能救三星，继续巩固它在智能手机市场上的话语权。当LTPO巩固了其在4000+价位段的地位时，旧的技术继续向下渗透，依靠良率和成本的优势，继续去打压tie2tie3面板供应商，从而才真正的有可能把LCD踢出整个智能手机的生态圈。
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当然，对于LTPO这一事物来说，它并不是凭空从天空中没有一丝征兆地掉落在这个世界上的，作为全球最会做产品的公司，苹果不会让这个全新的技术在从自己的手边溜走。
苹果最先在apple watch中就引入了这一技术，上文中我们分析过了，这种技术由于引入了氧化物TFT器件，所以在工艺能力没有得到优化的时候，在高分辨率和开口率了上的不足是明显的。但这种缺点刚刚好被智能手表的产品形态所弥补。用户不会care手表的分辨率，也不会在手表上看电影打游戏。仅仅是抬腕亮屏，看个时间，记一下步数，找一下手机而已。
而手表的动态显示几率较小，也正好迎合了低频驱动，超级省电的需求。LTPO与手表的结合，是这个世界拥抱新技术的一次完美的邂逅。（其实笔者当时就想写一篇关于LTPO的文章，可是由于犯懒一直拖到了现在）
而在手机应用中，三星将LTPO推上了量产的步伐，为苹果苦苦研发LTPO手表的LG不知现在有何感想。如今苹果面对三星对LTPO的控制权，也不得不喊出在没有拿到LTPO屏幕之前，不会考虑开120Hz的新产品。
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可见，三星在LTPO这个技术的推进节奏上，既迎合了技术迭代吊打技术追赶者的任务，又诠释了自己在营销哲学上的胜利。在装逼秀技术把别人踩在脚下让别人叫爸爸的同时，又把高端面板供应的节奏攥在了自己的手里。所以说这不仅是技术的艰苦变革，也是营销学上的巨大成功。
来源：真屏时据
