車用液晶面板的設(shè)計技巧

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，歐系汽車將人機界面(HMI)當(dāng)作行車支持接口，以高級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、號碼就可以到達目的地，因此對汽車導(dǎo)航儀的需求并不大，反而是全家長距離外出旅游時，在后座利用液晶顯示器觀賞DVD、電視游樂器的實時娛樂用途很發(fā)達。

　　肩負路徑導(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鑒與品管基準(zhǔn)的嚴苛，根本不是一般家電、計算機、數(shù)字電子機器等消費性產(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，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規(guī)范。隨著汽車廠商的不同，要求條件更嚴苛的耐環(huán)境試驗，例如高溫+95℃、低溫-40℃，高溫高濕65℃、濕度90%，試驗時間2000小時等特性，面臨這種情況，業(yè)者利用隨機抽樣樣品進行試驗，確認使用上完全符合耐環(huán)境試驗要求的特性。

　　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烈陽光下，要求很高的影像畫面可視度，一般手機可以在室內(nèi)或是室外強烈陽光下使用，手機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，觸控面板會造成穿透率下降，此外觸控面板的表面會反射外部光線，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%的保護亞克力板，高級車配合整體設(shè)計，引擎未啟動時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、NB、PC的另外一個差異是輝度的角度特性，因為車用液晶顯示器的配光特性非常特殊。手機、NB、PC與其它個人用電子設(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電力、發(fā)熱、成本，都比小型攜帶用機器大非常多。

　　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)，低溫時特別是點燈后數(shù)分~數(shù)十分輝度才會體現(xiàn)，例如－20℃點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)針對背光照明模塊設(shè)計各種對策，例如降低冷陰極燈管的氣體壓力、電流調(diào)節(jié)器(Boost)，不過一般認為根本解決對策是背光照 明模塊LED化。

　　其實手機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?？煽啃?，每個LED的最大容許電流、溫度必須大幅降低，亦即高溫時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的消費電力終于實現(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，首先解除低溫時的輝度特性課題，此外變成環(huán)保負擔(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)航儀與低價機型還未立即普及化，不過隨著LED的發(fā)光效率提升與高可靠性的落實，今后背光照明模塊會全部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，主要原因是大型液晶電視對運動等快速移動的畫面容易發(fā)生殘影影響畫質(zhì)，不過這個問題只是單純室溫下的現(xiàn)象。

　　車用液晶顯示器爭論的是-20℃與-30℃時的反應(yīng)速度，液晶低溫時粘度會增加，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，因此常溫時無法成為討論的對象。

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

　　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粘度會急速增加，因此液晶材料必須低粘度化，同時使挾持液晶材料的2片玻璃基板間隙變窄，因為窄液晶間隙化對液晶的反應(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，對良品率也會發(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)計上比較容易實現(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的反應(yīng)速度卻很遲緩，解決對策例如追加過驅(qū)動(Overshoot drive)電路，就可以克服色級之間的差異。

　　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液晶中間色級遲緩問題，而且任何色級都沒有明顯差異，不過液晶整體在低溫時還稱不上高速反應(yīng)，一般認為IPS液晶未來勢必采用與ASV液晶+過驅(qū)動相同的技術(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，普及機型除了維持原本的特性之外，成本反而變得最為重要。

　　高級機型卻持續(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)進化，造成高級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漏光，可以完全融入周圍環(huán)境與設(shè)計(圖1)。

圖1  高對比的汽車儀表板設(shè)計范例

　　所謂對比特性是以“白色輝度”/“黑色輝度”百分比的方式計算，換句話說無限制使對比的數(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，全球最高對比車用液晶顯示器，業(yè)者為實現(xiàn)高對比除了采用ASV液晶之外，同時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，才能實現(xiàn)如此高的影像對比值。

　　高對比以外的高畫質(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，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，設(shè)計上大多以左右45度鎖定顯示畫面的畫質(zhì)(對比)，因此高對比與視角范圍的擴大，同樣都是高畫質(zhì)化的重要原因之一。

　　色再現(xiàn)范圍的擴大也是重要的原因，家用液晶電視為追求高精細鮮艷的影像畫面，不斷提升NTSC比，即色再現(xiàn)范圍，其實車用液晶顯示器也有同樣的發(fā)展趨勢，例如高級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%進化，一般認為今后NTSC比還會持續(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)化會使面板的穿透率降低，如果維持相同面板輝度，相對的必須提高背光照明模塊的輝度，不過如此一來卻會引發(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合，以相同既定外形實現(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，使用上可以隨時依照實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)機械指針儀表相同的影像，夜間若切換成紅外線攝影機，還可以辨識黑暗場所的動物與行人，其實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行判斷，然而隨著顯示方法的不同，反而會使駕駛員更混亂，因此汽車廠商認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)計范例

車用液晶顯示器專用技術(shù)的發(fā)展動向
　　
　　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)展動向。汽車正進行一場史無前例的電子化革新運動，可以實時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。

　　一般認為不久的將來車用液晶顯示器會完全取代傳統(tǒng)機械式指針儀表板，透過液晶顯示器與其它電子傳感器、攝影機的組合，可以提供駕駛者安全、舒適的行車環(huán)境，與此同時車用液晶顯示器勢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。(本文選自臺灣《零組件》雜志)