車載顯示技術(shù)發(fā)展研究

李海光

摘要：隨著新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代汽車對車載電子系統(tǒng)的要求越來越高，這促進(jìn)了車載顯示技術(shù)的快速發(fā)展。研究了車載顯示技術(shù)原理，介紹了新型發(fā)光二極管（LED）技術(shù)，對比了不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為車載顯示技術(shù)的研究提供一定的借鑒思路。

關(guān)鍵詞：車載電子系統(tǒng)；顯示技術(shù)；LED

中圖分類號：TN27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著新能源汽車技術(shù)的迅速發(fā)展以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的逐漸成熟，人們對汽車的娛樂性、智能性等方面的要求不斷提高。汽車運(yùn)行過程中的車載信息娛樂系統(tǒng)以及車載導(dǎo)航系統(tǒng)等豐富信息匯集到車載主機(jī)等電子設(shè)備上，車載電子系統(tǒng)處理后通過車載主機(jī)屏幕等車載顯示系統(tǒng)反饋給車上人員。未來，大尺寸、高清、可交互的屏幕需求將密集出現(xiàn)。從最初2 in（1 in ≈ 2.54 cm）的機(jī)械儀表盤發(fā)展到現(xiàn)在12.3 in 以上的中控總成，代表車載顯示朝著大屏集成化發(fā)展；從單一車輛行駛參數(shù)的顯示發(fā)展到現(xiàn)在各種車輛參數(shù)及娛樂產(chǎn)品的展示，代表車載顯示的多樣化發(fā)展；從儀表盤到抬頭顯示、“透明”A 柱產(chǎn)品的誕生，代表車載顯示在汽車安全方面的應(yīng)用進(jìn)一步提升；從車內(nèi)收音機(jī)到車載娛樂系統(tǒng)、語音識別，代表車載顯示對科技感的追求；VR 交互的應(yīng)用、自動(dòng)駕駛技術(shù)的逐漸成熟，代表車載顯示的智能化發(fā)展。車載顯示技術(shù)從最初能實(shí)現(xiàn)單色簡單應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展為可實(shí)現(xiàn)彩色大屏集成化智能化應(yīng)用的技術(shù)，表明其呈多路線多方向發(fā)展趨勢。

1 車載顯示技術(shù)

車載顯示屏用到的顯示技術(shù)經(jīng)歷了3 個(gè)階段：早期的真空熒光顯示器（VFD）技術(shù)，現(xiàn)階段應(yīng)用較廣泛的液晶顯示器（LCD）技術(shù)，目前發(fā)展前景廣闊的發(fā)光二極管（LED）技術(shù)。其顯示原理及優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1 所示。

1.1 VFD 技術(shù)

早期的汽車儀表盤采用的是VFD 顯示屏，它的基礎(chǔ)特性與電子管基本相同，由發(fā)射電子的陰極、加速控制電子流的柵極、玻璃基板上印上電極和熒光粉的陽極及柵網(wǎng)和玻蓋構(gòu)成。它利用電子撞擊熒光粉，使熒光粉發(fā)光，是一種自發(fā)光、高亮度、高清晰的真空熒光顯示器。1966 年則武伊勢電子株式會社的中村正博士發(fā)明了VFD 并將其產(chǎn)品化，它以數(shù)字的形式展示車速和里程。VFD 與LCD、LED 等其他顯示器件比較，具有發(fā)光柔和、沒有視角限制、工作溫度范圍寬、亮度可以調(diào)節(jié)、可見度良好等特點(diǎn)[1]。但VFD功耗大，全彩化和解析度比較差。隨著LCD 技術(shù)的發(fā)展，LCD 技術(shù)開始逐步取代VFD 技術(shù)。

1.2 LCD 技術(shù)

LCD 分為扭曲向列相液晶顯示器（TN-LCD）、超扭曲向列相液晶顯示器（STN-LCD）、有源薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）[2]。TFT-LCD 也稱作有源矩陣驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，是目前LCD 市場中顯示領(lǐng)域最成熟的技術(shù)。TFT-LCD 屏幕采用“背透式”照射方式，自身不發(fā)光只透光，通過背光源發(fā)光。LCD 基本結(jié)構(gòu)類似于“肉夾饃”，上下各為一層貼有偏光片（POL）的玻璃基板，分別為陣列（array）基板及彩膜（CF）基板；中間為液晶層，密封在上下基板之間（圖1）。基本原理是通過改變TFT 基板上的電信號控制LCD 中液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向，背光源發(fā)出的光線在投射到液晶層后因液晶分子轉(zhuǎn)向不同發(fā)生方向改變，經(jīng)過CF 玻璃基板上的RGB（紅綠藍(lán)）像素透出來，實(shí)現(xiàn)彩色顯示。

LCD 制備工藝成熟，TFT-LCD 面板生產(chǎn)線已達(dá)第11 代線，可以進(jìn)行高質(zhì)量液晶顯示屏的生產(chǎn)。TFT-LCD 技術(shù)是目前主流的顯示技術(shù)。

1.3 LED 技術(shù)

LED 顯示屏由發(fā)光二極管按照陣列排布組成的顯示面板構(gòu)成。技術(shù)原理和二極管一樣，核心為半導(dǎo)體晶片，通過PN 結(jié)實(shí)現(xiàn)功能[2]，如圖2 所示。通過在本征半導(dǎo)體中摻入微量有用雜質(zhì)提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。摻入三價(jià)元素，呈現(xiàn)主要由空穴導(dǎo)電的空穴半導(dǎo)體，即P 型半導(dǎo)體；摻入五價(jià)元素，呈現(xiàn)主要由自由電子導(dǎo)電的電子型半導(dǎo)體，即N 型半導(dǎo)體。在雜質(zhì)半導(dǎo)體P 和N 的結(jié)合面附近存在的特殊薄層被稱為PN 結(jié)。給PN 結(jié)通電，若P 接正極，N 接負(fù)極，在外加電場的作用下，PN 結(jié)內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流，此時(shí)PN 結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。若P 接負(fù)極，N 接正極，在外加電場的作用下，PN 結(jié)內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流，此時(shí)PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)[3]。因此，PN 結(jié)具有單向?qū)ㄐ?。PN 結(jié)在一定條件下可發(fā)光可追溯到1907 年，當(dāng)時(shí)由英國科學(xué)家朗德（Henry Joseph Round）推論出來；到了1927 年，俄國發(fā)明家奧列格羅塞夫（Oleg Losev）發(fā)明了第一個(gè)真正的LED 燈泡[4]。隨著世界各國科學(xué)家的不斷研究，目前LED 技術(shù)作為新一代顯示技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到高清大屏幕上。

1.3.1 OLED 技術(shù)

LED 技術(shù)分為聚合物發(fā)光二極管（PLED）技術(shù)和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)。PLED 為高分子OLED，目前技術(shù)不成熟，高分子材料研發(fā)困難，OLED 為小分子OLED，技術(shù)相對成熟，是目前主流的LED。

OLED 又稱為有機(jī)電激光顯示。有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體是指有機(jī)半導(dǎo)體材料和發(fā)光材料在電場驅(qū)動(dòng)下，通過載流子注入、傳輸和復(fù)合引起激子遷移導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象[5]，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。OLED 由自身發(fā)光的材料組成，不需要額外的背光就能提供高清明亮的全動(dòng)態(tài)圖像顯示。在各種惡劣的照明條件下能滿足寬視角、響應(yīng)時(shí)間短和良好的超低溫性能等需求。

因?yàn)镺LED 有更高的分辨率和更豐富的色彩，同時(shí)具備透明、柔性可彎曲的特性，所以O(shè)LED技術(shù)是目前最為理想的顯示技術(shù)。該技術(shù)產(chǎn)品未來將有很大機(jī)會成為汽車產(chǎn)業(yè)最主要的顯示器件[6]。

1.3.2 LCD 與OLED 對比

LCD 與OLED 在技術(shù)指標(biāo)方面有較大差異，如表2 所示。在技術(shù)參數(shù)方面，包括色域、對比度、視角和厚度，OLED 性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LCD，但是在壽命、良率等性能方面，OLED 面臨較大挑戰(zhàn)。因此，OLED 在大尺寸顯示器上競爭力比較弱，主要應(yīng)用在新型顯示技術(shù)方面。

2 新型車載顯示技術(shù)

隨著智能座艙概念的推廣，人們對車載顯示的需求日益多樣化。這既是對車載顯示屏幕材質(zhì)的考驗(yàn)，又是對車載顯示造型和布局的考驗(yàn)。許多新型顯示技術(shù)在汽車顯示上的應(yīng)用成為新的探索方向，如微縮矩陣化發(fā)光二極管（micro-LED）技術(shù)、柔性顯示技術(shù)、透明顯示技術(shù)等[7]。

2.1 Micro-LED 技術(shù)

Micro-LED 是指在一個(gè)芯片上集成的高密度細(xì)小尺寸的LED 陣列，由驅(qū)動(dòng)單元陣列基板和μLED陣列構(gòu)成，其中μLED 與驅(qū)動(dòng)單元陣列基板上的驅(qū)動(dòng)電極一一對應(yīng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)μLED，控制其發(fā)光或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)顯示功能。這種精確控制使micro-LED 陣列可以承受更高的工作電流密度，具有輕薄、光電轉(zhuǎn)換效率高、高對比度、高分辨率、高可靠性、壽命長、功耗低等諸多優(yōu)勢。通過感應(yīng)耦合等離子體（ICP）干法刻蝕工藝制備的micro-LED 陣列器件是最早的micro-LED，其核心技術(shù)是將LED的長度從毫米級別微縮至微米級別。因micro-LED 具有低開口率的特征，滿足抬頭顯示器需要超高透光率的要求，目前其主要車載應(yīng)用場景是汽車抬頭數(shù)字顯示、柔性屏幕。micro-LED 技術(shù)的研究可以有效解決當(dāng)前平視顯示器（HUD）普及的技術(shù)難點(diǎn)[8]。目前micro-LED 還處在開發(fā)試驗(yàn)階段，其工藝和良率水平還未達(dá)到量產(chǎn)水平，成本比較高。

2.2 柔性顯示技術(shù)

柔性顯示器由柔軟的材料制成，可以做到像紙一樣薄，可彎曲折疊，通過電壓驅(qū)動(dòng)更新畫面顯示，即使切掉電源，內(nèi)容也不會消失，因此也被稱作“電子紙”。柔性顯示技術(shù)使車輛信息的顯示更加人性化，目前研究較多的柔性顯示技術(shù)主要有液晶顯示（LCD）技術(shù)、OLED 技術(shù)、電泳顯示（electrophoretic display，EPD）技術(shù)[9]。

柔性有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（AMOLED）技術(shù)采用有源矩陣，利用多層有機(jī)薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)光，目前主要分為白光OLED（WOLED）、量子點(diǎn)OLED（QD-OLED）及印刷OLED 3 種研究路線[10]。該技術(shù)具有高亮度、高對比度的特點(diǎn)，特別是可彎曲的特點(diǎn)使其能更好地適用于車內(nèi)的曲面結(jié)構(gòu)，與車身結(jié)合緊密，是當(dāng)前OLED 技術(shù)里的主流技術(shù)。目前，AMOLED 的發(fā)展限制主要是壽命短及可靠性低。柔性技術(shù)發(fā)展成熟后，有望應(yīng)用在車載顯示儀表上。

2.3 透明顯示技術(shù)

透明顯示技術(shù)是在OLED 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。透明OLED 顯示器件采用透明材料的襯底以及高透光率的透明電極。當(dāng)器件關(guān)閉時(shí)，透光率達(dá)到85% 以上；開啟時(shí)，從兩側(cè)均能觀察到發(fā)光。一些液晶面板通過使用域縮減像素的設(shè)計(jì)來抑制圖像模糊，提高顯示質(zhì)量，同時(shí)可使透過率提高到20% 以上[11]。目前該技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)品主要為透明車窗。

3 結(jié)論

本文在新能源汽車快速發(fā)展的背景下對車載顯示技術(shù)進(jìn)行分類研究，該技術(shù)分為VFD 技術(shù)、LCD 技術(shù)、LED 技術(shù)3 類，對LED 技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析，并介紹3 種新型顯示技術(shù)，為車載顯示的研究提供參考。

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