車用液晶面板的設(shè)計(jì)技巧

前言

　　90年代內(nèi)置TFT屏幕的汽車導(dǎo)航儀問世至今歷經(jīng)20年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為生活中隨處可見的數(shù)字電子產(chǎn)品，日本地區(qū)超過70%的新車配備導(dǎo)航儀。

　　根據(jù)調(diào)查，多數(shù)日本人希望可以在車內(nèi)收看電視，特別是支持地面數(shù)字電視、數(shù)字音響等功能的硬盤型導(dǎo)航儀，已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)導(dǎo)航儀購買意愿的主要因素。

　　歐洲地區(qū)配備汽車導(dǎo)航儀的汽車低于10%，它與導(dǎo)航儀內(nèi)建各種娛樂功能的日系汽車截然不同，歐系汽車將人機(jī)界面(HMI)當(dāng)作行車支持接口，以高級(jí)汽車為中心配備液晶顯示器的車型非常多。

　　美國地區(qū)的情況又不一樣，由于美國的道路規(guī)劃非常有系統(tǒng)，只要依照街道名稱、號(hào)碼就可以到達(dá)目的地，因此對(duì)汽車導(dǎo)航儀的需求并不大，反而是全家長距離外出旅游時(shí)，在后座利用液晶顯示器觀賞DVD、電視游樂器的實(shí)時(shí)娛樂用途很發(fā)達(dá)。

　　肩負(fù)路徑導(dǎo)航、行車支持、游戲娛樂發(fā)展的車用液晶顯示器，在汽車嚴(yán)苛環(huán)境條件下，伴隨著汽車導(dǎo)航儀的普及推廣，目前正進(jìn)行重大的應(yīng)用蛻變，最近甚至跨越汽車導(dǎo)航儀，成為汽車儀表的警示與行車輔助用顯示器。

　　汽車廠商的可靠性評(píng)鑒與品管基準(zhǔn)的嚴(yán)苛，根本不是一般家電、計(jì)算機(jī)、數(shù)字電子機(jī)器等消費(fèi)性產(chǎn)業(yè)可以比較的，它涉及高可靠性液晶顯示器的開發(fā)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、日常的生產(chǎn)活動(dòng)，必須建立汽車專用的操作系統(tǒng)。以下本文要介紹車用液晶顯示器的開發(fā)技巧與今后的發(fā)展動(dòng)向。

要求特性

　　耐環(huán)境性
　　車用液晶顯示器最基本的要求特性就是耐環(huán)境性，表1是車用液晶顯示器的可靠性試驗(yàn)規(guī)范。隨著汽車廠商的不同，要求條件更嚴(yán)苛的耐環(huán)境試驗(yàn)，例如高溫+95℃、低溫-40℃，高溫高濕65℃、濕度90%，試驗(yàn)時(shí)間2000小時(shí)等特性，面臨這種情況，業(yè)者利用隨機(jī)抽樣樣品進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)使用上完全符合耐環(huán)境試驗(yàn)要求的特性。

　　畫面輝度
　　與其它用途截然不同的車用液晶顯示器特性首推畫面輝度，主要原因是車用液晶顯示器在室外強(qiáng)烈陽光下，要求很高的影像畫面可視度，一般手機(jī)可以在室內(nèi)或是室外強(qiáng)烈陽光下使用，手機(jī)改變方向或是利用手、身體都可以遮蓋陽光，然而固定在車內(nèi)的液晶顯示器卻無法任意改變方向，因此要求畫面輝度必須超過陽光。

　　類似汽車導(dǎo)航儀的觸控面板粘貼在畫面上，觸控面板會(huì)造成穿透率下降，此外觸控面板的表面會(huì)反射外部光線，導(dǎo)致液晶顯示器的可視度降低。

　　雖然日本SHARP公司將觸控傳感器制作在薄膜晶體管周圍，試圖以此改善觸控面板的光線穿透率與反射問題，不過這樣會(huì)使制程與制作成本變得更復(fù)雜、昂貴。

　　車用液晶顯示器的輝度通常都很高，某些液晶顯示器內(nèi)嵌(In-panel)穿透率低于50%的保護(hù)亞克力板，高級(jí)車配合整體設(shè)計(jì)，引擎未啟動(dòng)時(shí)液晶顯示器畫面呈全黑狀，這種情況汽車廠商特別需要高輝度的液晶顯示器。

　　一般液晶顯示器將450~500cd/m2的輝度當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)值，某些情況要求450~500cd/m2以上，甚至超過1000cd/m2以上的規(guī)格，主要原因是液晶顯示器的穿透率有一定極限，因此必須大幅提高背光照明模塊的輝度。車用液晶顯示器與手機(jī)、NB、PC的另外一個(gè)差異是輝度的角度特性，因?yàn)檐囉靡壕э@示器的配光特性非常特殊。手機(jī)、NB、PC與其它個(gè)人用電子設(shè)備大多將顯示畫面當(dāng)作正面使用，只要維持正面輝度作為商品就沒問題，不過車用的場(chǎng)合液晶顯示器大多固定在儀表板側(cè)面，從駕駛員與助手席大約30度的角度觀賞畫面，因此汽車與手機(jī)用途的配光特性截然不同，不過這些特性可以透過背光模塊構(gòu)成組件的光學(xué)膜片組合獲得。

　　車用液晶顯示器若與手機(jī)比較，即使相同畫面面積，光源要求的輝度大約是：

　　正面輝度的比大約2倍×配光特性構(gòu)成的比大約1.4倍=2.8倍

　　此處以7寸車用液晶顯示器與2.75寸手機(jī)用液晶顯示器為例，上述2.8倍需要再乘上兩者畫面顯示范圍的面積比大約8.6倍，接著再依此單純計(jì)算車用液晶顯示器的光源大約需要24倍，換句話說車用背光照明模塊的消費(fèi)電力、發(fā)熱、成本，都比小型攜帶用機(jī)器大非常多。

　　CCFL與LED輝度的顯示特性
　　車用液晶顯示器背光照明模塊的光源主要使用冷陰極燈管(CCFL)，低溫時(shí)特別是點(diǎn)燈后數(shù)分~數(shù)十分輝度才會(huì)體現(xiàn)，例如－20℃點(diǎn)燈開始的輝度是常溫穩(wěn)定狀態(tài)的10~20%左右，因此冷陰極燈管方式的液晶顯示器，低輝度一直被視為重大課題。到目前為止液晶面板廠商曾經(jīng)針對(duì)背光照明模塊設(shè)計(jì)各種對(duì)策，例如降低冷陰極燈管的氣體壓力、電流調(diào)節(jié)器(Boost)，不過一般認(rèn)為根本解決對(duì)策是背光照 明模塊LED化。

　　其實(shí)手機(jī)背光照明模塊的光源從開始就使用LED，車用背光照 明模塊遲遲未使用LED光源，主要原因分別如下:
　　·受到輝度、配光特性、畫面大小總合的影響，車用液晶顯示器要求的能量非常大，加上以往LED的發(fā)光效率很低，因此LED的消費(fèi)電力一直都比冷陰極燈管方式高。
　　·在車用的溫度條件下為確保可靠性，每個(gè)LED的最大容許電流、溫度必須大幅降低，亦即高溫時(shí)施加的最大電流值必須降至常溫的60~710%，輝度降低的部份則增加LED的使用數(shù)量維持輝度。
　　·惡化循環(huán)的結(jié)果，造成LED背光照明模塊的制作成本暴增。

　　最近幾年LED的發(fā)光效率大幅提升，2005年LED的消費(fèi)電力終于實(shí)現(xiàn)與冷陰極燈管相同水平，開始被當(dāng)作車用背光照明模塊的光源使用。

　　背光照明模塊的LED化，首先解除低溫時(shí)的輝度特性課題，此外變成環(huán)保負(fù)擔(dān)物質(zhì)的水銀也完全被排除，尤其是全球各大汽車公司一直向環(huán)保行動(dòng)融入、參與視為重要的課題。

　　基于LED背光照明模塊的制作成本限制，目前汽車導(dǎo)航儀與低價(jià)機(jī)型還未立即普及化，不過隨著LED的發(fā)光效率提升與高可靠性的落實(shí)，今后背光照明模塊會(huì)全部LED化。
　　
　　反應(yīng)速度
　　最近大型液晶電視的液晶顯示器反應(yīng)速度經(jīng)常成為話題的焦點(diǎn)，主要原因是大型液晶電視對(duì)運(yùn)動(dòng)等快速移動(dòng)的畫面容易發(fā)生殘影影響畫質(zhì)，不過這個(gè)問題只是單純室溫下的現(xiàn)象。

　　車用液晶顯示器爭(zhēng)論的是-20℃與-30℃時(shí)的反應(yīng)速度，液晶低溫時(shí)粘度會(huì)增加，反應(yīng)速度則急速降低。此外車用液晶顯示器的畫面尺寸比液晶電視小，而且不要求大型液晶電視的高畫質(zhì)化，因此常溫時(shí)無法成為討論的對(duì)象。

　　低溫時(shí)的反應(yīng)速度一旦低于150ms，例如電影中汽車突然碾過腳踏車時(shí)，就無法清楚識(shí)別該場(chǎng)景，某些場(chǎng)合還會(huì)發(fā)生液晶顯示器顯示的指針等行車數(shù)據(jù)模糊，無法識(shí)別讀取等危險(xiǎn)狀況。

　　為解決上述問題，要求液晶材料溫度特性范圍非常寬廣，車用液晶材料使用－40℃以下凝固溫度的材料，不過液晶一旦接近該凝固溫度時(shí)粘度會(huì)急速增加，因此液晶材料必須低粘度化，同時(shí)使挾持液晶材料的2片玻璃基板間隙變窄，因?yàn)檎壕чg隙化對(duì)液晶的反應(yīng)速度有很大的幫助，不過以窄液晶間隙控制方式生產(chǎn)液晶顯示器，對(duì)良品率也會(huì)發(fā)生一定的影響。

　　液晶顯示器的反應(yīng)速度隨著液晶的顯示模式有很大的差異，以往車用液晶顯示器以TN液晶主流，TN液晶的低溫反應(yīng)速度非常優(yōu)秀，設(shè)計(jì)上比較容易實(shí)現(xiàn)低成本化，相較之下追求高畫質(zhì)的ASV(Advanced Super View)液晶，黑白之間的反應(yīng)速度媲美TN液晶，不過黑與灰色等中間色級(jí)的反應(yīng)速度卻很遲緩，解決對(duì)策例如追加過驅(qū)動(dòng)(Overshoot drive)電路，就可以克服色級(jí)之間的差異。

　　其它液晶顯示器廠商高畫質(zhì)面板使用的IPS(In Plane Switching)液晶，并無類似ASV液晶中間色級(jí)遲緩問題，而且任何色級(jí)都沒有明顯差異，不過液晶整體在低溫時(shí)還稱不上高速反應(yīng)，一般認(rèn)為IPS液晶未來勢(shì)必采用與ASV液晶+過驅(qū)動(dòng)相同的技術(shù)，才能夠有效改善液晶顯示器的反應(yīng)速度。

車用LCD的發(fā)展動(dòng)向

　　高畫質(zhì)化
　　汽車導(dǎo)航儀開始普及逐漸成為所謂的日常性商品，普及機(jī)型除了維持原本的特性之外，成本反而變得最為重要。

　　高級(jí)機(jī)型卻持續(xù)高畫質(zhì)化發(fā)展，主要理由第一是家用液晶電視不斷向高畫質(zhì)進(jìn)化，造成高級(jí)汽車持有者也希望追求高畫質(zhì)的車用顯示器，第二是高畫質(zhì)的根本手段是提高影像的對(duì)比使黑色畫面更黑，即使夜間顯示黑色畫面，背光模塊的光線也不會(huì)漏光，可以完全融入周圍環(huán)境與設(shè)計(jì)(圖1)。

圖1  高對(duì)比的汽車儀表板設(shè)計(jì)范例

　　所謂對(duì)比特性是以“白色輝度”/“黑色輝度”百分比的方式計(jì)算，換句話說無限制使對(duì)比的數(shù)值變大，可以使黑色顯示的影像無限接近黑色。

　　國外液晶顯示器業(yè)者曾經(jīng)在2007年發(fā)表2500:1，全球最高對(duì)比車用液晶顯示器，業(yè)者為實(shí)現(xiàn)高對(duì)比除了采用ASV液晶之外，同時(shí)還大幅抑制彩色濾光膜片與偏光膜片中變成漏光原因的光散亂現(xiàn)象，才能實(shí)現(xiàn)如此高的影像對(duì)比值。

　　高對(duì)比以外的高畫質(zhì)化，視角范圍的寬闊化也很重要，特別是車用液晶顯示器，大多設(shè)置在駕駛者與助手席中間的中央控制臺(tái)，從左右大約30度的角度觀賞畫面。此外考慮座位的前后與身體左右的移動(dòng)，設(shè)計(jì)上大多以左右45度鎖定顯示畫面的畫質(zhì)(對(duì)比)，因此高對(duì)比與視角范圍的擴(kuò)大，同樣都是高畫質(zhì)化的重要原因之一。

　　色再現(xiàn)范圍的擴(kuò)大也是重要的原因，家用液晶電視為追求高精細(xì)鮮艷的影像畫面，不斷提升NTSC比，即色再現(xiàn)范圍，其實(shí)車用液晶顯示器也有同樣的發(fā)展趨勢(shì)，例如高級(jí)車系使用的車用液晶顯示器，已經(jīng)從以往50%左右的NTSC比，逐漸向65%、75%進(jìn)化，一般認(rèn)為今后NTSC比還會(huì)持續(xù)提升。

　　這些高畫質(zhì)化技術(shù)通常都與面板穿透率有關(guān)，例如高畫質(zhì)化會(huì)使面板的穿透率降低，如果維持相同面板輝度，相對(duì)的必須提高背光照明模塊的輝度，不過如此一來卻會(huì)引發(fā)發(fā)熱增加、系統(tǒng)厚度與邊緣寬度變大、成本上升等一連串問題。

　　冷陰極燈管式背光照明模塊的場(chǎng)合，以相同既定外形實(shí)現(xiàn)高輝度有其極限，相形之下LED背光照明模塊發(fā)光效率的提升還有很大的發(fā)揮空間，因此液晶顯示器廠商普遍認(rèn)為LED背光照明模塊今后的發(fā)展很值得期待。

　　大型化
　　以上介紹的內(nèi)容大多集中在汽車導(dǎo)航儀的液晶顯示器，最近幾年汽車廠商提出，利用液晶顯示器取代傳統(tǒng)機(jī)械式行車信息指針儀表。

　　過去某些車型曾經(jīng)使用液晶、真空熒光管等組件做數(shù)字式行車信息顯示，這類顯示器主要特征不論是顏色、顯示內(nèi)容都是固定，而且都是單功能，目前汽車廠商提出更換成全彩高畫質(zhì)液晶顯示器，使用上可以隨時(shí)依照實(shí)際需求自由切換顯示內(nèi)容，提供駕駛員必要的各種信息。

　　具體方法是在行車儀表板既有部位，內(nèi)嵌8寸左右的TFT液晶顯示器，就可以顯示與傳統(tǒng)機(jī)械指針儀表相同的影像，夜間若切換成紅外線攝影機(jī)，還可以辨識(shí)黑暗場(chǎng)所的動(dòng)物與行人，其實(shí)這種可以切換成夜間影像模式、具備多功能內(nèi)嵌面板(In-Panel)的液晶顯示器提案，已經(jīng)在2005年被某些汽車廠商采用，今后可以預(yù)期的各式各樣內(nèi)嵌液晶面板的顯示畫面，如圖2所示包含引擎轉(zhuǎn)速、車速、水/油等行車信息與導(dǎo)航儀、各種警告顯示、車輛狀態(tài)，或是利用四周攝影機(jī)構(gòu)成的電子后視鏡影像，或是利用無線網(wǎng)絡(luò)傳送的信息、TV、DVD、在線游戲、電影等應(yīng)用畫面等等，因此某些汽車廠商提出采用畫面尺寸大于12寸以上的全彩高畫質(zhì)液晶顯示器，只不過汽車廠商私下認(rèn)為提供的信息如此繁雜，尤其是某些信息要求駕駛員在行車途中瞬間進(jìn)行判斷，然而隨著顯示方法的不同，反而會(huì)使駕駛員更混亂，因此汽車廠商認(rèn)為顯示方法必須充分考慮、規(guī)劃。此外法規(guī)上自主性的規(guī)范非常多，因此汽車廠商幾乎已經(jīng)陷入不得不更加慎重檢討的窘境，不過整體而言未來汽車的儀表板肯定會(huì)朝高畫質(zhì)全彩液晶顯示器發(fā)展。

圖2  整合型汽車儀表板設(shè)計(jì)范例

車用液晶顯示器專用技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向
　　
　　半穿透型高畫質(zhì)全彩液晶顯示器
　　上文曾經(jīng)提到車用液晶顯示器的輝度必須超越外部光線，不過半穿透型高畫質(zhì)全彩液晶顯示器卻積極應(yīng)用外部光線。半穿透型高畫質(zhì)全彩液晶顯示器的各畫素，同時(shí)設(shè)有穿透電極與反射電極，如圖3所示，反射電極部位的液晶間隙(Cell Gap)只有穿透電極的一半，穿透與反射兩電極形成所謂的多間隙(Multi Gap)結(jié)構(gòu)，利用這種特殊構(gòu)造組合穿透與反射的光學(xué)特性，就可以改善顯示畫面輝度不足的困擾。

圖3  半穿透型液晶顯示器的斷面結(jié)構(gòu)

　　半穿透型高畫質(zhì)全彩液晶顯示器的反射電極部位光線穿透率會(huì)降低，其結(jié)果造成背光照明模塊的畫面輝度降低，不過外部光線一旦變亮，利用外部光線的射入，反射電極部位的輝度會(huì)提升，因此半穿透型液晶顯示器在任何外部光線環(huán)境下，都可以維持一定的畫面識(shí)別性。

　　半穿透型高畫質(zhì)全彩液晶顯示器若與ASV液晶組合，利用對(duì)比、視角范圍、色再現(xiàn)性與視角，還可以大幅改善色彩變化特性。

　　雙重顯示
　　駕駛者需要導(dǎo)航畫面資料，坐在助手席的乘客也希望觀賞電視的需求越來越高漲，可以同時(shí)滿足這些需求的就是所謂的雙重顯示(Dual View)高畫質(zhì)全彩液晶顯示器。

　　基本上這種液晶顯示器是將視差障礙設(shè)置在面板畫素內(nèi)，再分別輸入不同畫面影像，觀看者只能分別從左、右單側(cè)視角讀取液晶顯示器的畫面影像，如此一來就可以同時(shí)滿足駕駛者與助手席的乘客觀賞液晶顯示器畫面的需求。

結(jié)語

　　本文介紹車用液晶顯示器的開發(fā)技巧與今后的發(fā)展動(dòng)向。汽車正進(jìn)行一場(chǎng)史無前例的電子化革新運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)時(shí)提供駕駛者必要的各種行車信息，以及利用無線網(wǎng)絡(luò)傳送技術(shù)，供乘客觀看TV、DVD、在線游戲、電影等服務(wù)的車用液晶顯示器，它的重要性與必要性越來越受到重視。

　　一般認(rèn)為不久的將來車用液晶顯示器會(huì)完全取代傳統(tǒng)機(jī)械式指針儀表板，透過液晶顯示器與其它電子傳感器、攝影機(jī)的組合，可以提供駕駛者安全、舒適的行車環(huán)境，與此同時(shí)車用液晶顯示器勢(shì)必追求更高的視覺效果，這意味著提升質(zhì)量與可靠性技術(shù)的開發(fā)，將成為液晶顯示器系統(tǒng)廠商必須克服的課題。(本文選自臺(tái)灣《零組件》雜志)