車(chē)用液晶面板設(shè)計(jì)技巧

高　士

從90年代TFT屏幕汽車(chē)導(dǎo)航儀問(wèn)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(jiàn)的數(shù)字電子產(chǎn)品。

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

汽車(chē)廠商的可靠性與品質(zhì)要求嚴(yán)苛，根本不是一般家電、電腦、數(shù)子產(chǎn)品等消費(fèi)性產(chǎn)品可以比較，它涉及高可靠性液晶顯示器的開(kāi)發(fā)、品質(zhì)管理系統(tǒng)、日常的生產(chǎn)活動(dòng)，必須建立汽車(chē)專(zhuān)用的操作系統(tǒng)。

要求特性

耐環(huán)境性

車(chē)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(chē)用液晶顯示器的可靠性試驗(yàn)規(guī)范。因?yàn)槠?chē)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，面臨這種情況廠商利用隨機(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。

以上是有關(guān)可靠性的試驗(yàn)事項(xiàng)，實(shí)際上液晶顯示器也是在這樣的溫度范圍內(nèi)使用，因此要求各種電氣、機(jī)械、光學(xué)特性同樣必須在這樣的溫度范圍內(nèi)正常動(dòng)作，然而所有特性在如此溫度范圍內(nèi)不易獲得平衡，包含低溫時(shí)的光學(xué)特性、高溫時(shí)的自我發(fā)熱、對(duì)可靠性的極限，目前性能上還無(wú)法完全滿(mǎn)足汽車(chē)廠商的要求。

與其他用途截然不同的車(chē)用液晶顯示器特性首推畫(huà)面亮度，主要原因是車(chē)用液晶顯示器在室外強(qiáng)烈陽(yáng)光下，要求很高的影像畫(huà)面可視性，一般移動(dòng)電話(huà)可以在室內(nèi)或是室外強(qiáng)烈陽(yáng)光下使用，移動(dòng)電話(huà)改變方向或是利用手、身體都可以遮蓋陽(yáng)光，然而固定在車(chē)內(nèi)的液晶顯示器卻無(wú)法任意改變方向，因此要求畫(huà)面亮度必須超過(guò)陽(yáng)光。

類(lèi)似汽車(chē)導(dǎo)航儀的觸控面板粘貼在表面上，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(xiàn)，導(dǎo)致液晶顯示器的可視性降低。雖然日本sharp公司將觸控感測(cè)器制作在薄膜電晶體周?chē)?，試圖以此改善觸控面板的光線(xiàn)穿透率與反射問(wèn)題，不過(guò)這樣會(huì)使生產(chǎn)工藝與成本變得更復(fù)雜、昂貴。車(chē)用液晶顯示器的亮度通常都很高，某些液晶顯示器內(nèi)置(In-panel)穿透率低于50％的保護(hù)壓克力板，高級(jí)車(chē)系還配合整體設(shè)計(jì)，引擎未啟動(dòng)時(shí)液晶顯示器畫(huà)面呈全黑狀，這種情況下特別需要高亮度的液晶顯示器。

一般液晶顯示器將450～500cd／m²的亮度當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)值，某些情況下要求450～500cd／m²以上，甚至超過(guò)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亮度。

車(chē)用液晶顯示器與移動(dòng)電話(huà)、NB、PC相比，另外一個(gè)差異是亮度的角度特性，因?yàn)檐?chē)用液晶顯示器的配光特性非常特殊。移動(dòng)電話(huà)、NB、PC與其他個(gè)人用電子產(chǎn)品大多將顯示畫(huà)面當(dāng)作正面使用，只要維持正面亮度作為商品就沒(méi)有問(wèn)題，不過(guò)車(chē)用的場(chǎng)合液晶顯示器大多固定在儀表板側(cè)邊，從駕駛員與助手席大約30度的角度觀賞畫(huà)面，因此汽車(chē)用與移動(dòng)電話(huà)用途的配光特性截然不同，不過(guò)這些特性可以通過(guò)背光模塊構(gòu)成元件的光學(xué)膜片組合獲得。

圖1是汽車(chē)用與移動(dòng)電話(huà)用液晶顯示器的配光特性，圖中的①與②分別是車(chē)用晶顯示器的配光特性實(shí)例，④是移動(dòng)電話(huà)用液晶顯示器配光特性實(shí)例。

移動(dòng)電話(huà)的液晶顯示器本身亮度很低，不過(guò)它利用光學(xué)膜片使光線(xiàn)收斂在正面方向，即使相同光源正面也可以變得非常明亮。③是利用與移動(dòng)電話(huà)相同的光學(xué)膜片，構(gòu)成的車(chē)用液晶顯示器光源結(jié)構(gòu)。

由此可知采用與移動(dòng)電話(huà)相同光學(xué)膜片結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，即使光源與一般車(chē)用相同，正面亮度大約是1.4倍，不過(guò)30度角的亮度卻降低40％。綜合以上現(xiàn)象，車(chē)用液晶顯示器若與移動(dòng)電話(huà)比較，即使相同畫(huà)面面積，光源要求的亮度則需是：

正面亮度的比大約2倍×配光特性構(gòu)成的比大約1.4倍＝2.8倍

(1)

此處以7英寸車(chē)用液晶顯示器與2，75英寸移動(dòng)電話(huà)用液晶顯示器為例，上述2.8倍需要再乘上兩者畫(huà)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(chē)用液晶顯示器的光源大約需要24倍，換句話(huà)說(shuō)車(chē)用背光照明模塊的消費(fèi)電力、發(fā)熱、成本，都比便攜式產(chǎn)品大非常多。

CCFL與LED亮度的站立特性

以上介紹的配光特性是常溫、穩(wěn)定狀態(tài)下的特性。車(chē)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)十分亮度才提升，例如一20℃點(diǎn)燈開(kāi)始的亮度是常溫穩(wěn)定狀態(tài)的10～20％左右，如圖2，因此冷陰極燈管方式的液晶顯示器，低亮度一直被視為重大課題。

至目前為止液晶面板廠商曾經(jīng)針對(duì)背光照明模塊進(jìn)行各種對(duì)策，例如降低冷陰極燈管的氣體壓力、電流調(diào)節(jié)器(Boost)等，不過(guò)一般認(rèn)為根本解決對(duì)策是背光照明模塊LED化。

其實(shí)移動(dòng)電話(huà)背光照明模塊的光源從開(kāi)始就使用LED，車(chē)用背光照明模塊卻遲遲未使用LED光源，主要原因分別如下：

·受到亮度、配光特性、畫(huà)面大小總和的影響，車(chē)用液晶顯示器要求的功耗非常大，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(chē)用的溫度條件下為確?？煽啃?，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)施加的最大電流值降必須至常溫的60％～71％，亮度降低的部分則增加LED的使用數(shù)量以維持亮度；

·惡性循環(huán)的結(jié)果，造成LED背光照明模塊的成本暴增。

最近幾年LED的發(fā)光效率大幅提升，2005年LED的功耗終于達(dá)到與冷陰極燈管相同水準(zhǔn)，開(kāi)始被當(dāng)作車(chē)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)的亮度特性課題，此外變成環(huán)保負(fù)擔(dān)物質(zhì)的水銀也完全被除，尤其是全球各大汽車(chē)公司一直將環(huán)保行動(dòng)的融入、參與視為重要的課題。

基于LED背光照明模塊的成本限制，目前汽車(chē)導(dǎo)航儀與低價(jià)機(jī)型還未普及化，不過(guò)隨著LED的發(fā)光效率提升與高可靠性的落實(shí)，今后背光照明模塊是必將全部LED化。

反應(yīng)速度

最近大型液晶電視的反應(yīng)速度經(jīng)常成為話(huà)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(huà)面容易發(fā)生殘影畫(huà)質(zhì)，不過(guò)這個(gè)問(wèn)題只是單純室溫下的現(xiàn)象。

車(chē)用液晶顯示器爭(zhēng)論的是-20℃與-30℃時(shí)的反應(yīng)速度，如圖3所示液晶低溫時(shí)粘度會(huì)增加，反應(yīng)速度急劇降低。此外車(chē)用液晶顯示器的畫(huà)面尺英寸比液晶電視小，而且不要求大型液晶電視的高畫(huà)質(zhì)化，因此常溫時(shí)無(wú)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(chē)突然碾過(guò)腳踏車(chē)時(shí)，就無(wú)法清楚識(shí)認(rèn)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(chē)資料模糊，無(wú)法辨識(shí)等

危險(xiǎn)狀況。

為解決上述問(wèn)題，要求液晶材料溫度特性范圍非常寬廣，車(chē)用液晶材料使用，40~C以下凝固溫度的材料，不過(guò)液晶一旦接近該凝固溫度時(shí)粘度會(huì)急劇增加，因此液晶材料必須低粘度化，同時(shí)使夾著液晶材料的兩片玻璃基板間隙變窄，因?yàn)檎壕чg隙對(duì)液晶的反應(yīng)速度有很大幫助，不過(guò)以窄液晶間隙控制方式生產(chǎn)液晶顯示器，對(duì)良率也會(huì)發(fā)生一定的影響。

液晶顯示器的反應(yīng)速度隨著液晶顯示模式有很大差異，以往車(chē)用液晶顯示器以TN液晶為主流，TN液晶的低溫反應(yīng)速度非常好，容易實(shí)現(xiàn)低成本化，相較之下后述追求高畫(huà)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(guò)黑與灰色等中間色階的反應(yīng)速度卻很遲緩，解決對(duì)策例如追加過(guò)驅(qū)動(dòng)(Overshoot drive)電路，就可以克服色階之間的差異，如圖4。

其他液晶顯示器廠商高畫(huà)質(zhì)面板使用的IPS(tn Plane Switching)液晶，并無(wú)類(lèi)似ASV液晶中間色階遲緩問(wèn)題，而且任何色階都沒(méi)有明顯差異，不過(guò)液晶整體在低溫時(shí)還稱(chēng)不上高速反應(yīng)，一般認(rèn)為IPS液晶未來(lái)勢(shì)必采用與ASV液晶加上過(guò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，才能夠有效改善液晶顯示器的反應(yīng)速度。

車(chē)用LCD的發(fā)展動(dòng)向

高畫(huà)質(zhì)化

汽車(chē)導(dǎo)航開(kāi)始普及并逐漸成為日常商品，普及機(jī)型除了維持原本的特性之外，成本反變成重要因素。高級(jí)機(jī)型卻持續(xù)高畫(huà)質(zhì)化發(fā)展，主要原因第一是家用液晶電視不斷進(jìn)行高畫(huà)質(zhì)進(jìn)化，造成高級(jí)汽車(chē)持有者也希望追求高畫(huà)質(zhì)的車(chē)用顯示器，第二是高畫(huà)質(zhì)的根本手段是提高影像的對(duì)比度使黑色畫(huà)面更黑，即使夜間顯示黑色畫(huà)面，背光模塊的光線(xiàn)也不會(huì)漏光，可以完全融入周?chē)h(huán)境與設(shè)計(jì)，如圖5所示。

所謂對(duì)比特性是以“白色亮度”／“黑色亮度”的百分比方式計(jì)算，換句話(huà)說(shuō)盡量使對(duì)比度的數(shù)值變大，可以使黑色顯示的影像無(wú)限制接近黑色。國(guó)外液晶顯示器業(yè)者曾經(jīng)在2007年發(fā)表2500:1的全球最高對(duì)比度車(chē)用液晶顯示器，業(yè)者為實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度除了采用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，才能夠?qū)崿F(xiàn)如此高的影像對(duì)比度。

高對(duì)比度以外的高畫(huà)質(zhì)化要因素，視色范圍的寬廣化也很重要，特別是車(chē)用液晶顯示器，大多高置在駕駛者與助手席中間的中央控制臺(tái)，從左右大約30度角觀賞畫(huà)面。此外考慮座位的前與后身體左右的移動(dòng)，設(shè)計(jì)上大多以左右45度鎖定顯示畫(huà)面的畫(huà)質(zhì)(或?qū)Ρ?，因此高對(duì)比與視范圍的擴(kuò)大，同樣都是高畫(huà)質(zhì)化的重要因素之一。

色再現(xiàn)范圍的擴(kuò)大也很重要，家用液晶電視為追求高精細(xì)鮮艷的影像畫(huà)面，不斷提升NTSC比即色再現(xiàn)范圍，其實(shí)車(chē)用液晶顯示器也有同樣的發(fā)展趨勢(shì)，例如高級(jí)車(chē)系使用的車(chē)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(huà)質(zhì)化技術(shù)通常都與面板穿透率有關(guān)，例如高畫(huà)質(zhì)化會(huì)使面板的穿透率降低，如果維持相同面板亮度，相對(duì)的必須提高背光照明模塊的亮度，不過(guò)如此一來(lái)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(wèn)題。

冷陰極燈管背光照明模塊對(duì)于相同外形實(shí)現(xiàn)高亮度有其極限，相比較之下LED背光照明模塊發(fā)光效率的提升還有很大的空間，因此液晶顯示器廠商普遍認(rèn)為L(zhǎng)ED背光照明模塊今后的發(fā)展很值得期待。

大型化的動(dòng)向

以上介紹的內(nèi)容大多集中在汽車(chē)導(dǎo)航的液晶顯示器，最近幾年汽車(chē)廠商提案，利用液晶顯示器取代傳統(tǒng)機(jī)械式駕駛信息指針儀表。過(guò)去某些車(chē)型曾經(jīng)使用液晶、真空螢光管等元件作為數(shù)字駕駛信息顯示，這類(lèi)顯示器主要特征不論顏色、顯示內(nèi)容都是固定的，而且都是單一功能，目前汽車(chē)廠商的提案是更換成全彩高畫(huà)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。上述的具體方法是在儀表板內(nèi)嵌8英寸左右的TFT液晶顯示器，就可以顯示與傳統(tǒng)機(jī)械指儀表相同的影像，夜間若切換成紅外線(xiàn)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，已在2005年被某些汽車(chē)廠商采用，未來(lái)將出現(xiàn)的各式內(nèi)嵌液晶面板的顯示畫(huà)面，如圖6所示包含引擎轉(zhuǎn)速、車(chē)速、水／油等行車(chē)資訊與導(dǎo)航儀、各種警告顯示、車(chē)輛狀態(tài)，或是利用前后四周攝影機(jī)構(gòu)成的電子后視鏡(BackMirror)影像，或是利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路傳送的資訊、TV、DVD、線(xiàn)上游戲、電影等應(yīng)用畫(huà)面等，因此某些車(chē)廠采用畫(huà)面尺英寸大于12英寸以上的全彩高畫(huà)質(zhì)液晶顯示器。

只不過(guò)汽車(chē)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(chē)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，因此車(chē)廠認(rèn)為顯示方法必須充分考慮、規(guī)劃。此外法規(guī)上自由性的規(guī)范非常多，因此汽車(chē)廠商幾乎已經(jīng)陷入不得不更加慎重檢討的窘境，不過(guò)整體而言未來(lái)汽車(chē)的儀表板肯定會(huì)朝高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器發(fā)展。

軍用液晶顯示器專(zhuān)用液晶顯示器

半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器

前文曾提到車(chē)用液晶顯示器的亮度必須超越環(huán)境光線(xiàn)，不過(guò)半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器的各像素，同時(shí)有穿透電極與反射電極，如圖7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(huà)面亮度不足的困擾。

半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器的反射電極部分光線(xiàn)穿透率會(huì)降低，其結(jié)果造成背光照明模塊的畫(huà)面亮度降低，不過(guò)外部光線(xiàn)一旦變亮，利用外部光線(xiàn)的入射，反射電極部位的亮度會(huì)提升，因此半穿透型液晶顯示器在任何外部光線(xiàn)環(huán)境下，都可以維持一定的畫(huà)面分辨率。

圖8是半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器與傳統(tǒng)穿透型液晶顯示器，在相同外部光線(xiàn)下的辨識(shí)性比較結(jié)果，由圖可知照度變強(qiáng)時(shí)，傳統(tǒng)穿透型液晶顯示器的畫(huà)面亮度稍為提升，主要原因是偏光板表面等多余的反射光，實(shí)際上對(duì)影像毫無(wú)幫助，相較之下半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器無(wú)外部光線(xiàn)時(shí)，畫(huà)面亮度只有穿透型液晶顯示器的一半，在6萬(wàn)照度(1x)的外部光線(xiàn)下，畫(huà)面亮度超過(guò)2500cd/m²。

雙重顯示

駕駛者需要導(dǎo)航畫(huà)面資料，助手席的乘客希望觀賞電視的需求越來(lái)越高漲，可以同時(shí)滿(mǎn)足這樣需求就是所謂的雙重顯示(DualView)高畫(huà)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(huà)素內(nèi)，再分別嵌入不同畫(huà)面影像，觀視者只能分別從左、右單側(cè)面視角讀取液晶顯示器的畫(huà)面影像，如此一來(lái)就可以同滿(mǎn)足駕駛者與助手席的乘客觀賞液晶顯示器畫(huà)面的需求。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹車(chē)用液晶顯示器的開(kāi)發(fā)技巧與未來(lái)發(fā)展動(dòng)向。汽車(chē)進(jìn)行一場(chǎng)史無(wú)前例的電子化革新運(yùn)動(dòng)，可以即時(shí)提供駕駛者即時(shí)必要的各種行車(chē)資訊，以及利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路傳送技術(shù)，提供乘客TV、DVD、線(xiàn)上游戲、電影等服務(wù)的車(chē)用液晶顯示器，它的重要性與必要性越來(lái)越受到重視。

一般認(rèn)為不久的未來(lái)車(chē)用液晶顯示器完全取代傳統(tǒng)機(jī)械式指針儀表板，通過(guò)液晶顯示器與其他電子感測(cè)器、攝影機(jī)的組合，可以提供駕駛者安全、舒適的行車(chē)環(huán)境。在此同時(shí)，車(chē)用液晶顯示器勢(shì)必追求更高的視認(rèn)性，這意味著品質(zhì)與可靠性提升技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將成為液晶顯示器系統(tǒng)廠商必須克服的課題。