mocmoc 2008-4-21 18:58
車用液晶顯示器的設計技術
作者 : 宇量
90年代內建TFT螢幕的汽車導航儀問世，至今歷經20年的發展，目前已經成為生活周遭隨處可見的數位電子機器，日本地區超過70%的新車配備導航儀。本文將從車用液晶面板的商機導入，探討未來車用液晶面板的市場與技術。
車用面板需求漸增
根據調查，多數的日本人希望可以在車內收看電視，特別是支援地表數位電視、數位音響等功能的硬碟型導航儀，已經成為牽動導航儀購買意願的主要因素。
歐洲地區配備汽車導航儀的汽車低於10%，它與導航儀內建各種娛樂功能的日系汽車截然不同，歐系汽車將人機介面(HMI/MMI: Human Machine Interface/Man Machine Interface)當作行車支援介面，以高階汽車為中心配備液晶顯示器的車型非常多。
美國地區的情況又不一樣，由於美國的道路規劃非常有系統，只要依照街道名稱、號碼就可以到達目的地，因此對汽車導航儀的需求並不熱絡，反而是全家長距離外出旅遊時，在後座利用液晶顯示器觀賞DVD、電視遊樂器的即時娛樂用途卻很發達。
肩負路徑導航、行車支援、遊戲娛樂發展的車用液晶顯示器，在汽車嚴苛環境條件下，伴隨著汽車導航儀的普及推廣，目前正進行重大的應用蛻變，最近甚至跨越汽車導航儀，成為汽車儀錶表的警示與行車輔助用顯示器。
汽車廠商的可靠性評鑑與品管基準的嚴苛，根本不是一般家電、電腦、數位電子機器等消費性產業可以比較，它涉及高可靠性液晶顯示器的開發、品質管理系統、日常的生產活動，必需建立汽車專用的作業系統。接著本文要介紹車用液晶顯示器的開發技巧與今後的發展動向。
要求特性
■耐環境性
車用液晶顯示器最基本的要求特性就是耐環境性，表1是車用液晶顯示器的可靠性試驗規範。隨著汽車廠商的不同，要求條件更嚴苛的耐環境試驗，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，面臨這種情況業者利用隨機抽樣樣品進行試驗，確認實用上完全符合耐環境試驗要求的特性。
以上是有關可靠性的試驗事項，實際上液晶顯示器也是在這樣的溫度範圍內使用，因此要求各種電氣、機械、光學特性同樣必需在這樣的溫度範圍內正常動作，然而所有特性在如此溫度範圍內不易獲得平穩的結果，包含後述低溫時的光學特性、高溫時的自我發熱、對可靠性的極限，目前性能上還無法完全滿足汽車廠商的要求。
■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識認性，一般行動電話可以在室內或是室外強烈陽光下使用，行動電話改變方向或是利用手、身體都可以遮蓋陽光，然而固定在車內的液晶顯示器卻無法任意改變方向，因此要求畫面輝度必需超過陽光。
類似汽車導航儀的觸控面板黏貼在畫面上，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，導致液晶顯示器的識認性降低。
雖然日本SHARP公司將觸控感測器製作在薄膜電晶體周圍，試圖藉此改善觸控面板的光線穿透率與反射問題，不過這樣會使製程與製作成本變得更複雜、昂貴。
車用液晶顯示器的輝度通常都很高，某些液晶顯示器內嵌(In-panel)穿透率低於50%的保護壓克力板，高級車系還配合整體設計，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的輝度當作標準值，某些情況要求450~500cd/m2以上，甚至超過1000cd/m2以上的規格，主要原因是液晶顯示器的穿透率有一定極限，因此必需大幅提高背光照明模組的輝度。
車用液晶顯示器與行動電話、NB-PC，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。行動電話、NB-PC與其它個人用電子機器，大多將顯示畫面當作正面使用，只要維持正面輝度作為商品就沒有問題，不過車用的場合液晶顯示器大多固定在儀錶板側邊，從駕駛員與助手席大約300的角度觀賞畫面，因此汽車用與行動電話用途的配光特性截然不同，不過這些特性可以透過背光模組構成元件的光學膜片組合獲得。
圖1是汽車用與行動電話用液晶顯示器的配光特性，圖中的①與②分別是車用晶顯示器的配光特性實例；④是行動電話用液晶顯示器的配光特性實例。
行動電話的液晶顯示器本身輝度很低，不過它利用光學膜片使光線收斂在正面方向，即使相同光源正面也可以變化非常明亮；③是利用與行動電話相同的光學膜片，構成的車用液晶顯示器光源結構。
由本範例可知採用與行動電話相同光學膜片結構的場合，即使光源與一般車用相同，正面輝度大約是1.4倍，不過300的位置輝度卻降低40%。
綜合以上現象可知，車用液晶顯示器若與行動電話比較，即使相同畫面面積，光源要求的輝度根大約是：正面輝度的比大約2倍×配光特性構成的比大約1.4倍=2.8倍。
此處以7吋車用液晶顯示器與2.75吋行動電話用液晶顯示器為例，上述2.8倍需要再乘上兩者畫面顯示範圍的面積比大約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，車用背光照明模組的消費電力、發熱、成本，都比小型攜帶用機器大非常多。
■CCFL與LED輝度的站立特性
以上介紹的配光特性是常溫、穩定狀態下的特性。車用液晶顯示器背光照明模組的光源主要使用冷陰極燈管(CCFL)，低溫時特別是點燈後數分~數十分輝度才會站立，例如－20℃點燈開始的輝度是常溫穩定狀態的10~20%左右(圖2)，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，液晶面板廠商針曾經針對背光照明模組進行各種對策，例如降低冷陰極燈管的氣體壓力、電流調節器(Boost)，不過一般認為根本解決對策是背光照明模組LED化。
其實行動電話背光照明模組的光源從開始就使用LED，車用背光照明模組遲遲未使用LED光源，主要原因分別如下：
1.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。
2.在車用的溫度條件下為確保可靠性，每個LED的最大容許電流、溫度必需大幅降低，亦即高溫時施加的最大電流值降必需至常溫的60~710%，輝度降低的部份則增加LED的使用數量維持輝度。
3.惡化循環的結果，造成LED背光照明模組的製作成本暴增。
最近幾年LED的發光效率大幅提升，2005年LED的消費電力終於實現與冷陰極燈管相同水準，開始被當作車用背光照明模組的光源使用。
背光照明模組的LED化，首先解除低溫時的輝度特性課題，此外變成環保負擔物質的水銀也完全被排除，尤其是全球各大汽車公司一直將環保行動的融入、參與視為重要的課題。
基於LED背光照明模組的製作成本限制，目前汽車導航儀與低價機型還未立即普及化，不過隨著LED的發光效率提升與高可靠性的落實，今後背光照明模組勢力會全部LED化。
■反應速度
最近大型液晶電視的液晶顯示器反應速度經常成為話題的焦點，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生殘影影響畫質，不過這個問題只是單純室溫下的現象。
車用液晶顯示器爭論的是－20℃與－30℃時的反應速度，如圖3所示液晶低溫時粘度會增加，反應速度則急遽降低。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化，因此常溫時無法成為討論的對象。
低溫時的反應速度一旦低於150ms，例如電影中汽車突然輾過腳踏車時，就無法清楚辨識該場景，某些場合還會發生液晶顯示器顯示的指針等行車資料模糊，無法識認讀取等危險狀況。
為解決上述問題，要求液晶材料溫度特性範圍非常寬廣，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遽增加，因此液晶材料必需低粘度化，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速度有很大的幫助，不過以窄液晶間隙控制方式生產液晶顯示器，對良品率也會發生一定的影響。
液晶顯示器的反應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液晶的低溫反應速度非常優秀，設計上比較容易實現低成本化，相較之下後述追求高畫質的ASV(Advanced Super View)液晶，黑白之間的反應速度媲美TN液晶，不過黑與灰色等中間色階的反應速度卻很遲緩，解決對策例如追加過驅動(Overshoot drive)電路，就可以克服色階之間的差異(圖4)。
其它液晶顯示器廠商高畫質面板使用的IPS(In Plane Switching)液晶，並無類似ASV液晶中間色階遲緩問題，而且任何色階都沒有明顯差異，不過液晶整體在低溫時還稱不上高速反應，一般認為IPS液晶未來勢必採用與ASV液晶+過驅動相同的技術，才能夠有效改善液晶顯示器的反應速度。
車用LCD的發展動向
■高畫質化的動向
汽車導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，成本反變成最高順位。
高階機型卻持續高畫質化發展，主要理由第一是家用液晶電視不斷進行高畫質進化，造成高階汽車持有者也希望追求高畫質的車用顯示器，第二是高畫質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，背光模組的光線也不會漏光，可以完全融入周圍環境與設計(圖5)。
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值變大，可以使黑色顯示的影像無限制接近黑色。
國外液晶顯示器業者曾經在2007年發表2500:1，全球最高對比車用液晶顯示器，業者為實現高對比除了採用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象，才能夠實現如此高的影像對比值。
高對比以外的高畫質化要因，視角範圍的寬闊化也很重要，特別是車用液晶顯示器，大多設置在駕駛者與助手席中間的中央控制台Center console)，從各座位左右大約300的角度觀賞畫面。
此外考慮座位的前後與身體左右的移動，設計上大多以左右450鎖定顯示畫面的畫質(對比)，因此高對比與視角範圍的擴大，同樣都是高畫質化的重要要因之一。
色再現範圍的擴大也是重要的要因，家用液晶電視為追求高精細鮮艷的影像畫面，不斷提升NTSC比亦即色再現範圍，其實車用液晶顯示器也有同樣的發展趨勢，例如高階車系使用的車用液晶顯示器，已經從以往50%左右的NTSC比，逐漸向65%、75%進化，一般認為今後NTSC比還會持續提升。
這些高畫質化技術通常都面板穿透率的互動關係，例如高畫質化會使面板的穿透率降低，如果維持相同面板輝度，相對的必需提高背光照明模組的輝度，不過如此一來卻會引發發熱增加、系統厚度與邊緣寬度變大、成本上升等一連串夢魘。
冷陰極燈管式背光照明模組的場合，以相同既定外形實現高輝度有一定極限，相形之下LED背光照明模組發光效率的提升還有很大的揮灑空間，因此液晶顯示器廠商普遍認為LED背光照明模組今後的發展很值得期待。
■大型化的動向
以上介紹的內容大多集中在汽車導航儀的液晶顯示器，最近幾年汽車廠商提案，利用液晶顯示器取代傳統機械式行車資訊指針儀錶。
過去某些車型曾經使用液晶、真空螢光管等元件作數位式行車資訊顯示，這類顯示器主要特徵不論是顏色、顯示內容都是固定，而且都是單功能，目前汽車廠商的提案是更換成全彩高畫質液晶顯示器，使用上可以隨時依照實際需求自由切換顯示內容，提供駕駛員必要的各種資訊。
具體方法是在行車儀錶板既有部位，內嵌8吋左右的TFT液晶顯示器，就可以顯示與傳統機械指針儀錶相同的影像，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、具備多功能內嵌面板(In-Panel)的液晶顯示器提案，已經在2005年被某些汽車廠商採用，今後可以預期的各式各樣內嵌液晶面板的顯示畫面，如圖6所示它包含引擎轉速、車速、水/油等行車資訊與導航儀、各種警告顯示、車輛狀態，或是利用前後四周攝影機構成的電子後視鏡(Back Mirror)影像，或是利用無線網路傳送的資訊、TV、DVD、線上遊戲、電影等應用畫面等等，因此某些汽車廠商提案採用畫面尺寸大於12吋以上的全彩高畫質液晶顯示器。
其實汽車廠商私下卻認為提供的資訊如此繁雜，尤其是某些資訊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需充分考慮、規劃。
此外法規上自主性的規範非常多，因此汽車廠商幾乎已經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錶板肯定會朝高畫質全彩液晶顯示器發展。
最後要介紹車用液晶顯示器專用技術的發展動向。
■半穿透型高畫質全彩液晶顯示器
上節曾經提到車用液晶顯示器的輝度必需超越外部光線，不過半穿透型高畫質全彩液晶顯示器卻積極應用外部光線。
半穿透型高畫質全彩液晶顯示器的各畫素，同時設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所謂的多間隙(Multi Gap)結構，利用這種特殊構造組合穿透與反射的光學特性，就可以改善顯示畫面輝度不足的困擾。。
半穿透型高畫質全彩液晶顯示器的反射電極部位光線穿透率會降低，其結果造成背光照明模組的畫面輝度降低，不過外部光線一旦變亮，利用外部光線的入射，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境下，都可以維持一定的畫面辨識性。
圖8是半穿透型高畫質全彩液晶顯示器與傳統穿透型液晶顯示器，在相同外部光線下的辨識性比較結果，由圖可知照度變強時，傳統穿透型液晶顯示器的畫面輝度稍為提升，主要原因是偏光板表面等多餘的反射光，實際上對影像毫無幫助，相較之下半穿透型高畫質全彩液晶顯示器無外部光線時，畫面輝度只有穿透型液晶顯示器的一半，在6萬照度(lx)的外部光線下，畫面輝度超過2500cd/m2。
此外穿透型液晶顯示器同樣在6萬照度(lx)的外部光線下，對比下跌至2 : 1左右，此時半穿透型高畫質全彩液晶顯示器則維持10 : 1的對比特性。
半穿透型高畫質全彩液晶顯示器若與ASV液晶組合，利用對比、視角範圍、色再現性與視角，還可以大幅改善色彩變化特性。
■雙重顯示(Dual View)
駕駛者需要導航畫面資料，坐在助手席的乘客也希望觀賞電視的聲音越來越高漲，可以同時滿足這樣需求就是所謂的雙重顯示(Dual View)高畫質全彩液晶顯示器。
基本上這種液晶顯示器是將視差障礙設置在面板畫素內，再分別輸入不同畫面影像，觀視者只能分別從左、右單側視角讀取液晶顯示器的畫面影像，如此一來就可以同滿足駕駛者與助手席的乘客觀賞液晶顯示器畫面的需求。
結語
以上介紹車用液晶顯示器的開發技巧與今後的發展動向。汽車正進行一場史無前例的電子化革新運動，可以即時提供駕駛者即時必要的各種行車資訊，以及利用無線網路傳送技術，供乘客TV、DVD、線上遊戲、電影等服務的車用液晶顯示器，它的重要性與必要性越來越受到重視。
一般認為不久的未來車用液晶顯示器會完全取代傳統機械式指針儀錶板，透過液晶顯示器與其它電子感測器、攝影機的組合，可以提供駕駛者安全、舒適的行 車環境，在此同時車用液晶顯示器勢必追求更高的辨識性，這意味著品質與可靠性提升技術的開發，將成為液晶顯示器系統廠商必需克服的課題。