車載顯示技術發展研究

李海光

摘要：隨著新能源汽車技術的快速發展，現代汽車對車載電子系統的要求越來越高，這促進了車載顯示技術的快速發展。研究了車載顯示技術原理，介紹了新型發光二極管（LED）技術，對比了不同技術的優缺點，為車載顯示技術的研究提供一定的借鑒思路。

關鍵詞：車載電子系統；顯示技術；LED

中圖分類號：TN27 文獻標識碼：A

0 引言

隨著新能源汽車技術的迅速發展以及自動駕駛技術的逐漸成熟，人們對汽車的娛樂性、智能性等方面的要求不斷提高。汽車運行過程中的車載信息娛樂系統以及車載導航系統等豐富信息匯集到車載主機等電子設備上，車載電子系統處理后通過車載主機屏幕等車載顯示系統反饋給車上人員。未來，大尺寸、高清、可交互的屏幕需求將密集出現。從最初2 in（1 in ≈ 2.54 cm）的機械儀表盤發展到現在12.3 in 以上的中控總成，代表車載顯示朝著大屏集成化發展；從單一車輛行駛參數的顯示發展到現在各種車輛參數及娛樂產品的展示，代表車載顯示的多樣化發展；從儀表盤到抬頭顯示、“透明”A 柱產品的誕生，代表車載顯示在汽車安全方面的應用進一步提升；從車內收音機到車載娛樂系統、語音識別，代表車載顯示對科技感的追求；VR 交互的應用、自動駕駛技術的逐漸成熟，代表車載顯示的智能化發展。車載顯示技術從最初能實現單色簡單應用的技術發展為可實現彩色大屏集成化智能化應用的技術，表明其呈多路線多方向發展趨勢。

1 車載顯示技術

車載顯示屏用到的顯示技術經歷了3 個階段：早期的真空熒光顯示器（VFD）技術，現階段應用較廣泛的液晶顯示器（LCD）技術，目前發展前景廣闊的發光二極管（LED）技術。其顯示原理及優缺點對比如表1 所示。

1.1 VFD 技術

早期的汽車儀表盤采用的是VFD 顯示屏，它的基礎特性與電子管基本相同，由發射電子的陰極、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和玻蓋構成。它利用電子撞擊熒光粉，使熒光粉發光，是一種自發光、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明了VFD 并將其產品化，它以數字的形式展示車速和里程。VFD 與LCD、LED 等其他顯示器件比較，具有發光柔和、沒有視角限制、工作溫度范圍寬、亮度可以調節、可見度良好等特點[1]。但VFD功耗大，全彩化和解析度比較差。隨著LCD 技術的發展，LCD 技術開始逐步取代VFD 技術。

1.2 LCD 技術

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 也稱作有源矩陣驅動液晶顯示器，是目前LCD 市場中顯示領域最成熟的技術。TFT-LCD 屏幕采用“背透式”照射方式，自身不發光只透光，通過背光源發光。LCD 基本結構類似于“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 中液晶分子的偏轉方向，背光源發出的光線在投射到液晶層后因液晶分子轉向不同發生方向改變，經過CF 玻璃基板上的RGB（紅綠藍）像素透出來，實現彩色顯示。

LCD 制備工藝成熟，TFT-LCD 面板生產線已達第11 代線，可以進行高質量液晶顯示屏的生產。TFT-LCD 技術是目前主流的顯示技術。

1.3 LED 技術

LED 顯示屏由發光二極管按照陣列排布組成的顯示面板構成。技術原理和二極管一樣，核心為半導體晶片，通過PN 結實現功能[2]，如圖2 所示。通過在本征半導體中摻入微量有用雜質提高半導體的導電性。摻入三價元素，呈現主要由空穴導電的空穴半導體，即P 型半導體；摻入五價元素，呈現主要由自由電子導電的電子型半導體，即N 型半導體。在雜質半導體P 和N 的結合面附近存在的特殊薄層被稱為PN 結。給PN 結通電，若P 接正極，N 接負極，在外加電場的作用下，PN 結內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流，此時PN 結處于導通狀態。若P 接負極，N 接正極，在外加電場的作用下，PN 結內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的反向電流，此時PN 結處于截止狀態[3]。因此，PN 結具有單向導通性。PN 結在一定條件下可發光可追溯到1907 年，當時由英國科學家朗德（Henry Joseph Round）推論出來；到了1927 年，俄國發明家奧列格羅塞夫（Oleg Losev）發明了第一個真正的LED 燈泡[4]。隨著世界各國科學家的不斷研究，目前LED 技術作為新一代顯示技術被越來越多地應用到高清大屏幕上。

1.3.1 OLED 技術

LED 技術分為聚合物發光二極管（PLED）技術和有機發光二極管（OLED）技術。PLED 為高分子OLED，目前技術不成熟，高分子材料研發困難，OLED 為小分子OLED，技術相對成熟，是目前主流的LED。

OLED 又稱為有機電激光顯示。有機發光半導體是指有機半導體材料和發光材料在電場驅動下，通過載流子注入、傳輸和復合引起激子遷移導致發光的現象[5]，其結構如圖3 所示。OLED 由自身發光的材料組成，不需要額外的背光就能提供高清明亮的全動態圖像顯示。在各種惡劣的照明條件下能滿足寬視角、響應時間短和良好的超低溫性能等需求。

因為OLED 有更高的分辨率和更豐富的色彩，同時具備透明、柔性可彎曲的特性，所以OLED技術是目前最為理想的顯示技術。該技術產品未來將有很大機會成為汽車產業最主要的顯示器件[6]。

1.3.2 LCD 與OLED 對比

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

2 新型車載顯示技術

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的考驗，又是對車載顯示造型和布局的考驗。許多新型顯示技術在汽車顯示上的應用成為新的探索方向，如微縮矩陣化發光二極管（micro-LED）技術、柔性顯示技術、透明顯示技術等[7]。

2.1 Micro-LED 技術

Micro-LED 是指在一個芯片上集成的高密度細小尺寸的LED 陣列，由驅動單元陣列基板和μLED陣列構成，其中μLED 與驅動單元陣列基板上的驅動電極一一對應，每個驅動單元只能驅動一個μLED，控制其發光或關閉，實現顯示功能。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、功耗低等諸多優勢。通過感應耦合等離子體（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，目前其主要車載應用場景是汽車抬頭數字顯示、柔性屏幕。micro-LED 技術的研究可以有效解決當前平視顯示器（HUD）普及的技術難點[8]。目前micro-LED 還處在開發試驗階段，其工藝和良率水平還未達到量產水平，成本比較高。

2.2 柔性顯示技術

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，通過電壓驅動更新畫面顯示，即使切掉電源，內容也不會消失，因此也被稱作“電子紙”。柔性顯示技術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主要有液晶顯示（LCD）技術、OLED 技術、電泳顯示（electrophoretic display，EPD）技術[9]。

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

2.3 透明顯示技術

透明顯示技術是在OLED 技術基礎上發展而來的。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。當器件關閉時，透光率達到85% 以上；開啟時，從兩側均能觀察到發光。一些液晶面板通過使用域縮減像素的設計來抑制圖像模糊，提高顯示質量，同時可使透過率提高到20% 以上[11]。目前該技術的應用產品主要為透明車窗。

3 結論

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

參考文獻

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