车用液晶面板的设计技巧

前言

　　90年代内置TFT屏幕的汽车导航仪问世至今历经20年的发展，目前已经成为生活中随处可见的数字电子产品，日本地区超过70%的新车配备导航仪。

　　根据调查，多数日本人希望可以在车内收看电视，特别是支持地面数字电视、数字音响等功能的硬盘型导航仪，已经成为驱动导航仪购买意愿的主要因素。

　　欧洲地区配备汽车导航仪的汽车低于10%，它与导航仪内建各种娱乐功能的日系汽车截然不同，欧系汽车将人机界面(HMI)当作行车支持接口，以高级汽车为中心配备液晶显示器的车型非常多。

　　美国地区的情况又不一样，由于美国的道路规划非常有系统，只要依照街道名称、号码就可以到达目的地，因此对汽车导航仪的需求并不大，反而是全家长距离外出旅游时，在后座利用液晶显示器观赏DVD、电视游乐器的实时娱乐用途很发达。

　　肩负路径导航、行车支持、游戏娱乐发展的车用液晶显示器，在汽车严苛环境条件下，伴随着汽车导航仪的普及推广，目前正进行重大的应用蜕变，最近甚至跨越汽车导航仪，成为汽车仪表的警示与行车辅助用显示器。

　　汽车厂商的可靠性评鉴与品管基准的严苛，根本不是一般家电、计算机、数字电子机器等消费性产业可以比较的，它涉及高可靠性液晶显示器的开发、质量管理系统、日常的生产活动，必须建立汽车专用的操作系统。以下本文要介绍车用液晶显示器的开发技巧与今后的发展动向。

要求特性

　　耐环境性
　　车用液晶显示器最基本的要求特性就是耐环境性，表1是车用液晶显示器的可靠性试验规范。随着汽车厂商的不同，要求条件更严苛的耐环境试验，例如高温+95℃、低温-40℃，高温高湿65℃、湿度90%，试验时间2000小时等特性，面临这种情况，业者利用随机抽样样品进行试验，确认使用上完全符合耐环境试验要求的特性。

　　画面辉度
　　与其它用途截然不同的车用液晶显示器特性首推画面辉度，主要原因是车用液晶显示器在室外强烈阳光下，要求很高的影像画面可视度，一般手机可以在室内或是室外强烈阳光下使用，手机改变方向或是利用手、身体都可以遮盖阳光，然而固定在车内的液晶显示器却无法任意改变方向，因此要求画面辉度必须超过阳光。

　　类似汽车导航仪的触控面板粘贴在画面上，触控面板会造成穿透率下降，此外触控面板的表面会反射外部光线，导致液晶显示器的可视度降低。

　　虽然日本SHARP公司将触控传感器制作在薄膜晶体管周围，试图以此改善触控面板的光线穿透率与反射问题，不过这样会使制程与制作成本变得更复杂、昂贵。

　　车用液晶显示器的辉度通常都很高，某些液晶显示器内嵌(In-panel)穿透率低于50%的保护亚克力板，高级车配合整体设计，引擎未启动时液晶显示器画面呈全黑状，这种情况汽车厂商特别需要高辉度的液晶显示器。

　　一般液晶显示器将450~500cd/m2的辉度当作标准值，某些情况要求450~500cd/m2以上，甚至超过1000cd/m2以上的规格，主要原因是液晶显示器的穿透率有一定极限，因此必须大幅提高背光照明模块的辉度。车用液晶显示器与手机、NB、PC的另外一个差异是辉度的角度特性，因为车用液晶显示器的配光特性非常特殊。手机、NB、PC与其它个人用电子设备大多将显示画面当作正面使用，只要维持正面辉度作为商品就没问题，不过车用的场合液晶显示器大多固定在仪表板侧面，从驾驶员与助手席大约30度的角度观赏画面，因此汽车与手机用途的配光特性截然不同，不过这些特性可以透过背光模块构成组件的光学膜片组合获得。

　　车用液晶显示器若与手机比较，即使相同画面面积，光源要求的辉度大约是：

　　正面辉度的比大约2倍×配光特性构成的比大约1.4倍=2.8倍

　　此处以7寸车用液晶显示器与2.75寸手机用液晶显示器为例，上述2.8倍需要再乘上两者画面显示范围的面积比大约8.6倍，接着再依此单纯计算车用液晶显示器的光源大约需要24倍，换句话说车用背光照明模块的消费电力、发热、成本，都比小型携带用机器大非常多。

　　CCFL与LED辉度的显示特性
　　车用液晶显示器背光照明模块的光源主要使用冷阴极灯管(CCFL)，低温时特别是点灯后数分~数十分辉度才会体现，例如－20℃点灯开始的辉度是常温稳定状态的10~20%左右，因此冷阴极灯管方式的液晶显示器，低辉度一直被视为重大课题。到目前为止液晶面板厂商曾经针对背光照明模块设计各种对策，例如降低冷阴极灯管的气体压力、电流调节器(Boost)，不过一般认为根本解决对策是背光照 明模块LED化。

　　其实手机背光照明模块的光源从开始就使用LED，车用背光照 明模块迟迟未使用LED光源，主要原因分别如下:
　　·受到辉度、配光特性、画面大小总合的影响，车用液晶显示器要求的能量非常大，加上以往LED的发光效率很低，因此LED的消费电力一直都比冷阴极灯管方式高。
　　·在车用的温度条件下为确保可靠性，每个LED的最大容许电流、温度必须大幅降低，亦即高温时施加的最大电流值必须降至常温的60~710%，辉度降低的部份则增加LED的使用数量维持辉度。
　　·恶化循环的结果，造成LED背光照明模块的制作成本暴增。

　　最近几年LED的发光效率大幅提升，2005年LED的消费电力终于实现与冷阴极灯管相同水平，开始被当作车用背光照明模块的光源使用。

　　背光照明模块的LED化，首先解除低温时的辉度特性课题，此外变成环保负担物质的水银也完全被排除，尤其是全球各大汽车公司一直向环保行动融入、参与视为重要的课题。

　　基于LED背光照明模块的制作成本限制，目前汽车导航仪与低价机型还未立即普及化，不过随着LED的发光效率提升与高可靠性的落实，今后背光照明模块会全部LED化。
　　
　　反应速度
　　最近大型液晶电视的液晶显示器反应速度经常成为话题的焦点，主要原因是大型液晶电视对运动等快速移动的画面容易发生残影影响画质，不过这个问题只是单纯室温下的现象。

　　车用液晶显示器争论的是-20℃与-30℃时的反应速度，液晶低温时粘度会增加，反应速度则急速降低。此外车用液晶显示器的画面尺寸比液晶电视小，而且不要求大型液晶电视的高画质化，因此常温时无法成为讨论的对象。

　　低温时的反应速度一旦低于150ms，例如电影中汽车突然碾过脚踏车时，就无法清楚识别该场景，某些场合还会发生液晶显示器显示的指针等行车数据模糊，无法识别读取等危险状况。

　　为解决上述问题，要求液晶材料温度特性范围非常宽广，车用液晶材料使用－40℃以下凝固温度的材料，不过液晶一旦接近该凝固温度时粘度会急速增加，因此液晶材料必须低粘度化，同时使挟持液晶材料的2片玻璃基板间隙变窄，因为窄液晶间隙化对液晶的反应速度有很大的帮助，不过以窄液晶间隙控制方式生产液晶显示器，对良品率也会发生一定的影响。

　　液晶显示器的反应速度随着液晶的显示模式有很大的差异，以往车用液晶显示器以TN液晶主流，TN液晶的低温反应速度非常优秀，设计上比较容易实现低成本化，相较之下追求高画质的ASV(Advanced Super View)液晶，黑白之间的反应速度媲美TN液晶，不过黑与灰色等中间色级的反应速度却很迟缓，解决对策例如追加过驱动(Overshoot drive)电路，就可以克服色级之间的差异。

　　其它液晶显示器厂商高画质面板使用的IPS(In Plane Switching)液晶，并无类似ASV液晶中间色级迟缓问题，而且任何色级都没有明显差异，不过液晶整体在低温时还称不上高速反应，一般认为IPS液晶未来势必采用与ASV液晶+过驱动相同的技术，才能够有效改善液晶显示器的反应速度。

车用LCD的发展动向

　　高画质化
　　汽车导航仪开始普及逐渐成为所谓的日常性商品，普及机型除了维持原本的特性之外，成本反而变得最为重要。

　　高级机型却持续高画质化发展，主要理由第一是家用液晶电视不断向高画质进化，造成高级汽车持有者也希望追求高画质的车用显示器，第二是高画质的根本手段是提高影像的对比使黑色画面更黑，即使夜间显示黑色画面，背光模块的光线也不会漏光，可以完全融入周围环境与设计(图1)。

图1  高对比的汽车仪表板设计范例

　　所谓对比特性是以“白色辉度”/“黑色辉度”百分比的方式计算，换句话说无限制使对比的数值变大，可以使黑色显示的影像无限接近黑色。

　　国外液晶显示器业者曾经在2007年发表2500:1，全球最高对比车用液晶显示器，业者为实现高对比除了采用ASV液晶之外，同时还大幅抑制彩色滤光膜片与偏光膜片中变成漏光原因的光散乱现象，才能实现如此高的影像对比值。

　　高对比以外的高画质化，视角范围的宽阔化也很重要，特别是车用液晶显示器，大多设置在驾驶者与助手席中间的中央控制台，从左右大约30度的角度观赏画面。此外考虑座位的前后与身体左右的移动，设计上大多以左右45度锁定显示画面的画质(对比)，因此高对比与视角范围的扩大，同样都是高画质化的重要原因之一。

　　色再现范围的扩大也是重要的原因，家用液晶电视为追求高精细鲜艳的影像画面，不断提升NTSC比，即色再现范围，其实车用液晶显示器也有同样的发展趋势，例如高级车系使用的车用液晶显示器，已经从以往50%左右的NTSC比，逐渐向65%、75%进化，一般认为今后NTSC比还会持续提升。

　　这些高画质化技术通常都与面板穿透率有关，例如高画质化会使面板的穿透率降低，如果维持相同面板辉度，相对的必须提高背光照明模块的辉度，不过如此一来却会引发发热增加、系统厚度与边缘宽度变大、成本上升等一连串问题。

　　冷阴极灯管式背光照明模块的场合，以相同既定外形实现高辉度有其极限，相形之下LED背光照明模块发光效率的提升还有很大的发挥空间，因此液晶显示器厂商普遍认为LED背光照明模块今后的发展很值得期待。

　　大型化
　　以上介绍的内容大多集中在汽车导航仪的液晶显示器，最近几年汽车厂商提出，利用液晶显示器取代传统机械式行车信息指针仪表。

　　过去某些车型曾经使用液晶、真空荧光管等组件做数字式行车信息显示，这类显示器主要特征不论是颜色、显示内容都是固定，而且都是单功能，目前汽车厂商提出更换成全彩高画质液晶显示器，使用上可以随时依照实际需求自由切换显示内容，提供驾驶员必要的各种信息。

　　具体方法是在行车仪表板既有部位，内嵌8寸左右的TFT液晶显示器，就可以显示与传统机械指针仪表相同的影像，夜间若切换成红外线摄影机，还可以辨识黑暗场所的动物与行人，其实这种可以切换成夜间影像模式、具备多功能内嵌面板(In-Panel)的液晶显示器提案，已经在2005年被某些汽车厂商采用，今后可以预期的各式各样内嵌液晶面板的显示画面，如图2所示包含引擎转速、车速、水/油等行车信息与导航仪、各种警告显示、车辆状态，或是利用四周摄影机构成的电子后视镜影像，或是利用无线网络传送的信息、TV、DVD、在线游戏、电影等应用画面等等，因此某些汽车厂商提出采用画面尺寸大于12寸以上的全彩高画质液晶显示器，只不过汽车厂商私下认为提供的信息如此繁杂，尤其是某些信息要求驾驶员在行车途中瞬间进行判断，然而随着显示方法的不同，反而会使驾驶员更混乱，因此汽车厂商认为显示方法必须充分考虑、规划。此外法规上自主性的规范非常多，因此汽车厂商几乎已经陷入不得不更加慎重检讨的窘境，不过整体而言未来汽车的仪表板肯定会朝高画质全彩液晶显示器发展。

图2  整合型汽车仪表板设计范例

车用液晶显示器专用技术的发展动向
　　
　　半穿透型高画质全彩液晶显示器
　　上文曾经提到车用液晶显示器的辉度必须超越外部光线，不过半穿透型高画质全彩液晶显示器却积极应用外部光线。半穿透型高画质全彩液晶显示器的各画素，同时设有穿透电极与反射电极，如图3所示，反射电极部位的液晶间隙(Cell Gap)只有穿透电极的一半，穿透与反射两电极形成所谓的多间隙(Multi Gap)结构，利用这种特殊构造组合穿透与反射的光学特性，就可以改善显示画面辉度不足的困扰。

图3  半穿透型液晶显示器的断面结构

　　半穿透型高画质全彩液晶显示器的反射电极部位光线穿透率会降低，其结果造成背光照明模块的画面辉度降低，不过外部光线一旦变亮，利用外部光线的射入，反射电极部位的辉度会提升，因此半穿透型液晶显示器在任何外部光线环境下，都可以维持一定的画面识别性。

　　半穿透型高画质全彩液晶显示器若与ASV液晶组合，利用对比、视角范围、色再现性与视角，还可以大幅改善色彩变化特性。

　　双重显示
　　驾驶者需要导航画面资料，坐在助手席的乘客也希望观赏电视的需求越来越高涨，可以同时满足这些需求的就是所谓的双重显示(Dual View)高画质全彩液晶显示器。

　　基本上这种液晶显示器是将视差障碍设置在面板画素内，再分别输入不同画面影像，观看者只能分别从左、右单侧视角读取液晶显示器的画面影像，如此一来就可以同时满足驾驶者与助手席的乘客观赏液晶显示器画面的需求。

结语

　　本文介绍车用液晶显示器的开发技巧与今后的发展动向。汽车正进行一场史无前例的电子化革新运动，可以实时提供驾驶者必要的各种行车信息，以及利用无线网络传送技术，供乘客观看TV、DVD、在线游戏、电影等服务的车用液晶显示器，它的重要性与必要性越来越受到重视。

　　一般认为不久的将来车用液晶显示器会完全取代传统机械式指针仪表板，透过液晶显示器与其它电子传感器、摄影机的组合，可以提供驾驶者安全、舒适的行车环境，与此同时车用液晶显示器势必追求更高的视觉效果，这意味着提升质量与可靠性技术的开发，将成为液晶显示器系统厂商必须克服的课题。(本文选自台湾《零组件》杂志)