车用液晶面板设计技巧

CCFL与LED亮度的站立特性

　　以上介绍的配光特性是常温、稳定状态下的特性。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~数十分亮度才提升，例如-20℃点灯开始的亮度是常温稳定状态的10~20%左右，如图2，因此冷阴极灯管方式的液晶显示器，低亮度一直被视为重大课题。


图2 CCFL与LED背光模组的辉度-角度的特性比较

　　至目前为止液晶面板厂商曾经针对背光照明模块进行各种对策，例如降低冷阴极灯管的气体压力、电流调节器（Boost）等，不过一般认为根本解决对策是背光照明模块LED化。

　　其实移动电话背光照明模块的光源从开始就使用LED，车用背光照明模块却迟迟未使用LED光源，主要原因分别如下：

　　·受到亮度、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、温度必需大幅降低，亦即高温时施加的最大电流值降必需至常温的60%~71%，亮度降低的部分则增加LED的使用数量以维持亮度；

　　·恶化循环的结果，造成LED背光照明模块的成本暴增。

　　最近几年LED的发光效率大幅提升，2005年LED的消耗电力终于达到与冷阴极灯管相同水准，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，首先解除低温时的亮度特性课题，此外变成环保负担物质的水银也完全被除，尤其是全球各大汽车公司一直将环保行动的融入、参与视为重要的课题。

　　基于LED背光照明模块的成本限制，目前汽车导航仪与低价机型还未普及化，不过随着LED的发光效率提升与高可靠性的落实，今后背光照明模块是必将全部LED化。

反应速度

　　最近大型液晶电视的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，如图3所示液晶低温时粘度会增加，反应速度急剧降低。此外车用液晶显示器的画面尺英寸比液晶电视小，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。


图3 反映速度的温度依存性

　　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，就无法清楚识认该场景，某些场合还会发生液晶显示器显示的指针等行车资料模糊，无法辨识等危险状况。

　　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剧增加，因此液晶材料必需低粘度化，同时使挟着液晶材料的两片玻璃基板间隙变窄，因为窄液晶间隙对液晶的反应速度有很大帮助，不过以窄液晶间隙控制方式生产液晶显示器，对良率也会发生一定的影响。

　　液晶显示器的反应速度随着液晶显示模式有很大差异，以往车用液晶显示器以TN液晶为主流，TN液晶的低温反应速度非常好，容易实现低成本化，相较之下后述追求高画质的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阶的反应速度却很迟缓，解决对策例如追加过驱动（Overshoot drive）电路，就可以克服色阶之间的差异，如图4。


图4 Overshoot驱动的动作原理

　　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液晶中间色阶迟缓问题，而且任何色阶都没有明显差异，不过液晶整体在低温时还称不上高速反应，一般认为IPS液晶示来势必采用与ASV液晶加上过驱动技术，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

　　汽车导航开始普及并逐渐成为日常商品，普及机型除了维持原本的特性之外，成本反变成最高顺位。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进行高画质进化，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，如图5所示。


图5 高对比的汽车仪表板设计范例

　　所谓对比特性是以"白色亮度"/"黑色亮度"的百分比方式计算，换句话说无限制度对比的数值变大，可以使黑色显示的影像无限制接近黑色。国外液晶显示器业者曾经在2007年发表2500：1的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，才能够实现如此高的影像对比值。

　　高对比以外的高画质化要因，视色范围的宽广化也很重要，特别是车用液晶显示器，大多高置在驾驶者与助手席中间的中央控制台，从左右大约30度角观赏画面。此外考虑座位的前与后身体左右的移动，设计上大多以左右45度锁定显示画面的画质（或对比），因此高对比与视范围的扩大，同样都是高画质化的重要因素之一。
色再现范围的扩大也很重要，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，如果维持相同面板亮度，相对的必需提高背光照明模块的亮度，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。

　　冷阴极灯管背光照明模块对于相同外形实现高亮度有其极限，相比较之下LED背光照明模块发光效率的提升还有很大的空间，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。


图6 整合型汽车仪表板设计范例