车载显示技术发展研究

李海光

摘要：随着新能源汽车技术的快速发展，现代汽车对车载电子系统的要求越来越高，这促进了车载显示技术的快速发展。研究了车载显示技术原理，介绍了新型发光二极管（LED）技术，对比了不同技术的优缺点，为车载显示技术的研究提供一定的借鉴思路。

关键词：车载电子系统；显示技术；LED

中图分类号：TN27 文献标识码：A

0 引言

随着新能源汽车技术的迅速发展以及自动驾驶技术的逐渐成熟，人们对汽车的娱乐性、智能性等方面的要求不断提高。汽车运行过程中的车载信息娱乐系统以及车载导航系统等丰富信息汇集到车载主机等电子设备上，车载电子系统处理后通过车载主机屏幕等车载显示系统反馈给车上人员。未来，大尺寸、高清、可交互的屏幕需求将密集出现。从最初2 in（1 in ≈ 2.54 cm）的机械仪表盘发展到现在12.3 in 以上的中控总成，代表车载显示朝着大屏集成化发展；从单一车辆行驶参数的显示发展到现在各种车辆参数及娱乐产品的展示，代表车载显示的多样化发展；从仪表盘到抬头显示、“透明”A 柱产品的诞生，代表车载显示在汽车安全方面的应用进一步提升；从车内收音机到车载娱乐系统、语音识别，代表车载显示对科技感的追求；VR 交互的应用、自动驾驶技术的逐渐成熟，代表车载显示的智能化发展。车载显示技术从最初能实现单色简单应用的技术发展为可实现彩色大屏集成化智能化应用的技术，表明其呈多路线多方向发展趋势。

1 车载显示技术

车载显示屏用到的显示技术经历了3 个阶段：早期的真空荧光显示器（VFD）技术，现阶段应用较广泛的液晶显示器（LCD）技术，目前发展前景广阔的发光二极管（LED）技术。其显示原理及优缺点对比如表1 所示。

1.1 VFD 技术

早期的汽车仪表盘采用的是VFD 显示屏，它的基础特性与电子管基本相同，由发射电子的阴极、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极及栅网和玻盖构成。它利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是一种自发光、高亮度、高清晰的真空荧光显示器。1966 年则武伊势电子株式会社的中村正博士发明了VFD 并将其产品化，它以数字的形式展示车速和里程。VFD 与LCD、LED 等其他显示器件比较，具有发光柔和、没有视角限制、工作温度范围宽、亮度可以调节、可见度良好等特点[1]。但VFD功耗大，全彩化和解析度比较差。随着LCD 技术的发展，LCD 技术开始逐步取代VFD 技术。

1.2 LCD 技术

LCD 分为扭曲向列相液晶显示器（TN-LCD）、超扭曲向列相液晶显示器（STN-LCD）、有源薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）[2]。TFT-LCD 也称作有源矩阵驱动液晶显示器，是目前LCD 市场中显示领域最成熟的技术。TFT-LCD 屏幕采用“背透式”照射方式，自身不发光只透光，通过背光源发光。LCD 基本结构类似于“肉夹馍”，上下各为一层贴有偏光片（POL）的玻璃基板，分别为阵列（array）基板及彩膜（CF）基板；中间为液晶层，密封在上下基板之间（图1）。基本原理是通过改变TFT 基板上的电信号控制LCD 中液晶分子的偏转方向，背光源发出的光线在投射到液晶层后因液晶分子转向不同发生方向改变，经过CF 玻璃基板上的RGB（红绿蓝）像素透出来，实现彩色显示。

LCD 制备工艺成熟，TFT-LCD 面板生产线已达第11 代线，可以进行高质量液晶显示屏的生产。TFT-LCD 技术是目前主流的显示技术。

1.3 LED 技术

LED 显示屏由发光二极管按照阵列排布组成的显示面板构成。技术原理和二极管一样，核心为半导体晶片，通过PN 结实现功能[2]，如图2 所示。通过在本征半导体中掺入微量有用杂质提高半导体的导电性。掺入三价元素，呈现主要由空穴导电的空穴半导体，即P 型半导体；掺入五价元素，呈现主要由自由电子导电的电子型半导体，即N 型半导体。在杂质半导体P 和N 的结合面附近存在的特殊薄层被称为PN 结。给PN 结通电，若P 接正极，N 接负极，在外加电场的作用下，PN 结内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流，此时PN 结处于导通状态。若P 接负极，N 接正极，在外加电场的作用下，PN 结内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流，此时PN 结处于截止状态[3]。因此，PN 结具有单向导通性。PN 结在一定条件下可发光可追溯到1907 年，当时由英国科学家朗德（Henry Joseph Round）推论出来；到了1927 年，俄国发明家奥列格罗塞夫（Oleg Losev）发明了第一个真正的LED 灯泡[4]。随着世界各国科学家的不断研究，目前LED 技术作为新一代显示技术被越来越多地应用到高清大屏幕上。

1.3.1 OLED 技术

LED 技术分为聚合物发光二极管（PLED）技术和有机发光二极管（OLED）技术。PLED 为高分子OLED，目前技术不成熟，高分子材料研发困难，OLED 为小分子OLED，技术相对成熟，是目前主流的LED。

OLED 又称为有机电激光显示。有机发光半导体是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入、传输和复合引起激子迁移导致发光的现象[5]，其结构如图3 所示。OLED 由自身发光的材料组成，不需要额外的背光就能提供高清明亮的全动态图像显示。在各种恶劣的照明条件下能满足宽视角、响应时间短和良好的超低温性能等需求。

因为OLED 有更高的分辨率和更丰富的色彩，同时具备透明、柔性可弯曲的特性，所以OLED技术是目前最為理想的显示技术。该技术产品未来将有很大机会成为汽车产业最主要的显示器件[6]。

1.3.2 LCD 与OLED 对比

LCD 与OLED 在技术指标方面有较大差异，如表2 所示。在技术参数方面，包括色域、对比度、视角和厚度，OLED 性能远远高于LCD，但是在寿命、良率等性能方面，OLED 面临较大挑战。因此，OLED 在大尺寸显示器上竞争力比较弱，主要应用在新型显示技术方面。

2 新型车载显示技术

随着智能座舱概念的推广，人们对车载显示的需求日益多样化。这既是对车载显示屏幕材质的考验，又是对车载显示造型和布局的考验。许多新型显示技术在汽车显示上的应用成为新的探索方向，如微缩矩阵化发光二极管（micro-LED）技术、柔性显示技术、透明显示技术等[7]。

2.1 Micro-LED 技术

Micro-LED 是指在一个芯片上集成的高密度细小尺寸的LED 阵列，由驱动单元阵列基板和μLED阵列构成，其中μLED 与驱动单元阵列基板上的驱动电极一一对应，每个驱动单元只能驱动一个μLED，控制其发光或关闭，实现显示功能。这种精确控制使micro-LED 阵列可以承受更高的工作电流密度，具有轻薄、光电转换效率高、高对比度、高分辨率、高可靠性、寿命长、功耗低等诸多优势。通过感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀工艺制备的micro-LED 阵列器件是最早的micro-LED，其核心技术是将LED的长度从毫米级别微缩至微米级别。因micro-LED 具有低开口率的特征，满足抬头显示器需要超高透光率的要求，目前其主要车载应用场景是汽车抬头数字显示、柔性屏幕。micro-LED 技术的研究可以有效解决当前平视显示器（HUD）普及的技术难点[8]。目前micro-LED 还处在开发试验阶段，其工艺和良率水平还未达到量产水平，成本比较高。

2.2 柔性显示技术

柔性显示器由柔软的材料制成，可以做到像纸一样薄，可弯曲折叠，通过电压驱动更新画面显示，即使切掉电源，内容也不会消失，因此也被称作“电子纸”。柔性显示技术使车辆信息的显示更加人性化，目前研究较多的柔性显示技术主要有液晶显示（LCD）技术、OLED 技术、电泳显示（electrophoretic display，EPD）技术[9]。

柔性有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）技术采用有源矩阵，利用多层有机薄膜结构发光，目前主要分为白光OLED（WOLED）、量子点OLED（QD-OLED）及印刷OLED 3 种研究路线[10]。该技术具有高亮度、高对比度的特点，特别是可弯曲的特点使其能更好地适用于车内的曲面结构，与车身结合紧密，是当前OLED 技术里的主流技术。目前，AMOLED 的发展限制主要是寿命短及可靠性低。柔性技术发展成熟后，有望应用在车载显示仪表上。

2.3 透明显示技术

透明显示技术是在OLED 技术基础上发展而来的。透明OLED 显示器件采用透明材料的衬底以及高透光率的透明电极。当器件关闭时，透光率达到85% 以上；开启时，从两侧均能观察到发光。一些液晶面板通过使用域缩减像素的设计来抑制图像模糊，提高显示质量，同时可使透过率提高到20% 以上[11]。目前该技术的应用产品主要为透明車窗。

3 结论

本文在新能源汽车快速发展的背景下对车载显示技术进行分类研究，该技术分为VFD 技术、LCD 技术、LED 技术3 类，对LED 技术进行重点分析，并介绍3 种新型显示技术，为车载显示的研究提供参考。

参考文献

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[3] 范娟，张新建，鲁艳旻. 电子技术基础[M]. 北京：清华大学出版社， 2014：1-4.

[4] 科学史话丨LED 照明发展史[EB/OL].（2022-05-13）[2023-06-21]. https：//www.museum.uestc.edu.cn/info/1184/2836.htm.

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[11] FENG Z Y，WU Y W，SURIGALATU B，etal. Large transparent display based on liquid crystal technology[J]. Applied optics，2020，59（16）：4915-4920.