iPhone 13高刷屏背后的秘密:为什么它能让你的 iPhone 更香?

少数派·2021-09-17
「姗姗来迟」的 iPhone 高刷屏,藏着这些你可能想知道的秘密。

今年,iPhone Pro 系列的 OLED 屏幕又有了不小的升级,除了高达 1000nit 的屏幕亮度,还支持了不少 Android 旗舰已经支持了的 120Hz 的屏幕刷新率,让不少人直呼「十三香」。 

iPhone 13 Pro 系列宣传(图源:Apple) 

但是相信还是有不少人会困惑为什么今年 iPhone 上没有使用新款 iPad Pro 12.9 英寸上的 mini-LED 技术?为什么 OLED 的高刷新率也只有近两年才彻底铺开?以及 iPhone 上的高刷新率到底有什么不同? 这些问题你将能在这篇文章里得到回答。 

常见的显示面板技术

LCD

LCD 是我们身边最常见的显示面板,也有不少的 Apple 产品继续在使用 LCD。它的发光的基础是面板的背光光源,我们可以把背光光源理解为手电筒。当手电筒前放置不同颜色的灯罩便会散发不同颜色的灯光,这个灯罩就是 LCD 的彩色滤光片。当我们在灯罩和手电之间加入不同透明度的薄膜,就可以实现不同亮度的颜色效果。然后通过不同颜色的组合,就可以完成各种色彩的显示了。 

LCD 就像是手电筒+不同的滤光片 

mini-LED

目前 Apple 只有少数产品采用了 mini-LED 的面板,例如 Apple iPad。mini 的含义在于小间距的 LED,它仍然是以背光源发光作为基础。为了实现小间距的布局,那必定 LED 灯珠本身也需要足够小,目前 LED 灯珠已经做到了50 ~ 100 µm 左右的级别了。 

miniLED 远比 LCD 小得多 

但使用 mini-LED 依旧不能解决传统 LCD 在纯黑画面下背光漏光的问题,为了减少漏光对显示效果的影响我们需要加入了背光分区的控制技术,这个技术原先用于 LCD 上,但也同样可以用于 mini-LED 上。通过单独调整每个分区 mini-LED 的明亮程度,可以保证在画面需要显示不同的明暗效果时,合理的降低或熄灭区域内的光亮度,这样就能减轻传统整块背光导致的漏光问题。 

但是控光还是要依赖局部调光区 

mini-LED 最根本的核心便在于大幅增加面板的背光分区,给予了 LED 背光更加完美的画面展示性能。所以由于背光分区的增多,无论是漏光,还是对比度的问题都得到很好的改善;当然就目前而言 mini-LED 的漏光问题还是没有办法完全解决的,还需要等待分区背光技术的改进。 

局部调光还是会有不可避免的光晕区 

OLED

OLED 则是目前 iPhone 和 Apple Watch 产品中最常使用的面板技术,全称是有机发光二极管,它是一种「自发光」的器件结构,它能靠发光材料主动散发不同的颜色,自发光则意味着不会像分区背光一样会出现漏光问题。 

OLED 发光方式,有机材料发光层阳极和阴极的中间,紫色是发光方向 

OLED 发光主要依赖于 TFT 和有机材料发光层。而它的发光原理也并不复杂,和我们化学课上接触过的焰色反应很像。 

焰色反应中受热的金属原子会跃迁到较高的不稳定能级,因为不稳定所以需要释放能量回到稳定的基态,在这过程中会发光。 

首先,OLED 通过 TFT 给予发光回路电信号,此时阳极产生空穴(可以简单理解成带正电的电荷),阴极产生电子(电子一定是带负电荷的),空穴和电子需要分别通过各自的传输层,最后会一同抵达有机材料发光层。 

其次,当发光层的电子和空穴到达一定浓度后,会因为引力结合形成激子,同时激发有机发光层的有机分子。 

最后,因为有机分子跃迁到了不稳定的激发态,和焰色反应一样同样需要释放能量回到稳定的基态,并释放出光。 

不难看出整个过程里最基本的两个要素就是,作为开头的 TFT 薄膜晶体管和作为结尾的有机材料发光层了。 

主流的 TFT 技术

因此对于 OLED 来说,TFT 背板是除了发光材料以外,另一个面板显示的关键技术点。 

近年来随着市场对显示效果和能力要求的不断提升,为了满足消费者对刷新率、分辨率以及能耗等多个方面的需求,TFT 技术也不断从结构、材料以及工艺方面寻求突破,不断优化着尺寸、迁移率、漏电以及稳定性等参数。这样一来,才有了我们时常在新闻中听到的一些陌生英文 a-Si、IGZO、LTPS、LTPO 等等,这些便是目前显示领域的常出现 TFT 技术。 

主流 TFT 技术对比 

a-Si:简单成熟但不合适

a-Si 是曾经显示领域的龙头技术,以往的 TFT-LCD ,也就是 LCD 的背光层几乎均以 a-Si 作为集成电路基底。它是一个比较成熟的方案,因此基于 a-Si 的 TFT 可以在维持高质量产出的同时,成本也相对很低。 

经典的 a-Si TFT LCD 屏幕示意图 

但 a-Si 弊端也比较明显,其电子迁移率约为 0.5 cm^2/Vs,电子迁移率可以简单理解成空穴和电子穿过传输层的效率;而 0.5 cm^2/Vs 单说这一个数值可能大家没有任何概念,可以和目前 OLED 中较为常见的 LTPS 进行对比,LTPS 的电子迁移率约为 100~200cm^2/Vs,比较之下就会发现 a-Si 的电子迁移率小了几百倍。 

电子迁移率从根本上来说决定的是 TFT 器件的响应速度,迁移率越小,空穴和电子传输的速度也就越慢,响应速度自然越慢。这里可以简单打个不太准确的比方,我们可以把电子迁移率比作公路等级,空穴和电子比作汽车,等级越高的公路,在保证安全的前提下车可以开的速度自然也就越快。 

为了保证器件的响应性能让用户可以接受,可以增大晶体管尺寸以提高迁移量,也就是增加车道数可以让同一时间又更多的车开过去。但是这将导致多出来的 TFT 器件会占据了显示区域像素的区域。 

简单来说,单位区域内晶体管占的面积越大,单个像素占有面积越小(像素开口率),导致亮度越低。其次,因为体积无法做小的缘故,导致单位面积的像素个数也受到限制,即为像素密度过小,也就是我们所说的 ppi 过低。 

虽然目前 a-Si 的市场占有率还是可观的,但因技术规格的限制和成本较低,主要是面向大尺寸以及低端手机面板领域。当然,目前仍有企业在尝试有关 a-Si 在 OLED 中的应用研发,例如 Matrix Technologies 近期展示 WOLED 技术便采用了 a-Si 作为基底,大幅降低背板成本。 

WOLED 工作原理其实和 LCD 很像(图片来自 UNIVERSAL DISPLAY) 

IGZO:性价比高但不足以支撑高刷新率

IGZO 它首次提出可以追溯到 1985 年,但是首次量产已到了 2012 年(夏普),它的出现提高了 TFT 技术的水平上限。相较于最开始的 a-Si 来说,晶体管的体积大幅缩小,一个 a-Si TFT 的占位至少可以容纳 4 组 IGZO TFT ,虽然减小了器件体积,但是电子迁移率相较于非晶硅来说有显著的提升,约为 25cm^2/Vs,而且在漏电率上也是几种 TFT 技术中最为理想的,这样以来在像素无需工作的时候,IGZO 可以最大程度的节省能源损耗。 

上文提到漏电率是指的即使在开关断开的时候,在施加电压后依然会出现较小的电流,简单来说就是出现了意外的电力损耗,在移动设备上会因此导致续航不佳。 

iPad Pro 1 代中的 LCD 背光 TFT 就用了这个材质 

由于 IGZO 在面板布局中的占用面积大幅减少,让发光像素的开口率以及布局区域面积获得了提高,这样以来,就很好的解决 a-Si 的各项弱点,实现了高亮度、高像素密度等等,所以 IGZO 的高分辨率面板产品直到现在也是非常的常见的。除此之外,因为全透明以及良好的弯曲性能,让它不仅可以用在 OLED 面板中,LCD 面板同样适用。 

除此之外,IGZO 的工艺制成并不复杂,可以利用现有非晶硅线体简单改造即可投入运营。从商业角度、良率以及原材料损耗等多个方面综合考虑,IGZO TFT 应该是本文中性价比最高的一个。但 IGZO 也有自己的缺点,对于水氧的敏感度更高,长时间使用下来稳定性来说偏弱一些,从寿命来说没有其他 TFT 好。其次,受到电子迁移率的限制,导致刷新率很难持续提升(当然 IGZO 首席推广者夏普,还是成功的将 IGZO 提升至 120Hz 刷新率,并供货给雷蛇)。 

LTPS:高刷新率但也更加耗电

LTPS 是目前市场占有率较大的背板技术,不仅适用于 LCD,对于 OLED 一样适用。这种背板技术的最大优势便在于我们前面所提及的电子迁移率,它的电子迁移率可以高达 200cm^2/Vs,相较于 a-Si 来说,一个是小溪,一个便是大江大河。 

比起 a-Si,LTPS 天生电子迁移率就很高 

这样看来,OLED 显示的基本要素电流驱动,在 LTPS 的辅助下很简单就可以实现。因为非常可观的电子迁移率,面板非常容易就可以实现的高效的传输效率。这样面板不用再因为驱动的需求,而去扩大晶体管的占有面积,而可以更方便的设计小型器件,并配合大开口率像素。简单来说,LTPS 让像素在面板中的「地位」得到了跨越式的升级。更加直白一点说,面板的显示效果也得到了质的飞跃,在分辨率和高刷新率上迎来了自己的突破。 

但不得不说的是,LTPS 的弊端也是比较明显的。首先,这种器件结构的漏电比较大。前面我们也说了 OLED 的基本要素是电流驱动,电流驱动的稳定性会直接影响画面。为了避免漏电的影响,LTPS 会不断的进行刷新供电,以维持稳定的电位情况。需要持续的刷新,也注定了 LTPS 在低频供电显示的严重短板,以及 LTPS OLED 的刷新率不敢做太高,这些问题也会直接反应在设备的电能损耗上。 

什么是 LTPO

正因为的 LTPS OLED 的高功耗无法支持高频刷新,综合 IGZO 和 LTPS 的特性,便迎来了所谓的 LTPO 背板技术。 

Apple LTPO 专利 

1+1>2 的组合

LTPO 的器件结构综合了 IGZO 和 LTPS 技术,简单一点来形容的话,就是将部分的 LTPS 晶体管(TFT T3/4)管替换为 IGZO 晶体管,这就是 Samsung Display 的经典 LTPO 结构。通过合理利用 IGZO 的低漏电特性,延长了电信号在 TFT 晶体管中的维持时间,进而满足在低频刷新时的信号供给问题,变相解决了 LTPS OLED 的弱点。LTPS TFT 负责高分辨率以及高刷新率,IGZO TFT 负责稳定的低频显示,两者各司其职,但又在背板电路中相辅相成,一同实现了 LTPO TFT 技术。 

Apple 第一个使用 LTPO 的设备是 Apple Watch S5 

这样以来,在用户使用静态画面或低频需求时,OLED 可以通过驱动来调整部分像素进入低频工作状态,减少了 OLED 对设备电能的损耗。而在游戏以及影音环境中,也可以调整进入高频刷新模式,以满足画面高刷新率的显示需求。 

不做动态刷新率的 LTPO 未必节能

LTPO 作为新型技术来说,最大的优势就在于针对不同显示环境下的针对性控制,既可以保证低频静态画面的稳定输出,又能满足画面高动态需求。 

但需要注意的是,LTPO 的节能并不是绝对的,LTPO 的节能仅体现在变频的使用环境中。当用户在持续高频刷新率使用的情况下,如果面板采用同等级发光材料并达到相似的亮度,LTPO 的能耗是高于 LTPS 的。这主要源于 LTPO 的电路结构相比 LTPS 要复杂一些,最直观来看 LTPO 比 LTPS 起码多了一组控制驱动,因此也会消耗更多的电力。 

为此 Apple 也针对 OLED 设计了 ProMotion 技术,使其可以在 10 fps 到 120 fps 之间自动自动调整,使手机又能享受到高刷的流畅体验也能节省下更多的电力。 

Apple 对于 ProMotion 的解释说明(图片来自 Apple) 

一般的事情都是有两面性的,LTPO 的技术因为技术的复杂性,在工业制成上对于各大生产厂商来说都是巨大的挑战。无论是从原材料还是制成工艺来讲,相较于传统 LTPS 生产来有更多的困难点,在不新建生产线的条件下,想要实现 LTPO 的量产供应,并不是一件容易的事情,所以直至目前 LTPO 的主要供应商仍是行业龙头 Samsung Display。 

未来显示技术可能的方向还有很多

其实从上说到下,a-Si 到 LTPO,每一种 TFT 技术其实都前一代技术成果的迭代更新。并没有哪一个晶体管是横空出世的,因为用户需求质量不断的提高,促使技术不断发展创新或是融合,不断探索着显示领域的优质答案。 

就面板现状市场来说,LTPO OLED 一定是一个短期的热点,不仅是刚刚发布的 iPhone 13 系列,对于其他厂商来说,也会是不错的卖点。但是 LTPO 技术并不能说是绝对的未来,因为综合 LTPS 的生产良率以及稳定性来说,LTPS 在接下来的时间中一定仍会占据面板的大量市场。除此之外,mini-LED 以及 micro-LED 技术的不断革新,对传统 OLED 显示技术也是具有一定的冲击性的。 

或许这就是科技的魅力,你永远无法猜测它们究竟是昙花一现,还是恒久流传。我们能做的,只是保持一颗好奇和充满期待的心,迎接科技给大家带来的便利和美好。 

本文来自微信公众号 “少数派”(ID:sspaime),作者: WATERS、广陵止息,36氪经授权发布。

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