Màn hình ô tô Phần 1: Những điều cơ bản về màn hình TFT LCD, OLED và Micro-LED 

Tác giả Yujie Bai 

Tóm tắt

Nhu cầu về màn hình lớn hơn, sáng hơn, cong hơn, độ phân giải cao hơn và tỷ lệ tương phản cao hơn trong các ứng dụng ô tô đang mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Các loại màn hình mới trong xe đang ngày càng trở nên phổ biến. Hiện nay, TFT LCD thống trị công nghệ màn hình phẳng trong ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, màn hình OLED và micro-LED đang nhận được nhiều sự chú ý hơn từ các nhà sản xuất ô tô do hiệu ứng hiển thị tuyệt vời, mức tiêu thụ năng lượng thấp, tính linh hoạt cao và siêu mỏng. Bài viết này so sánh các công nghệ hiển thị khác nhau này và thảo luận về trình điều khiển pixel 2T1C cho màn hình LCD và trình điều khiển pixel 7T1C/2C cho màn hình OLED và micro-LED.

Giới thiệu

Phần 1 trong loạt bài gồm hai phần thảo luận về màn hình TFT LCD, OLED và micro-LED trong các ứng dụng ô tô. Bài viết so sánh toàn diện các đặc điểm của màn hình TFT LCD, OLED và micro-LED cũng như các kỹ thuật của các trình điều khiển pixel khác nhau. Ngoài ra, công nghệ TFT và các kỹ thuật về công suất của màn hình ô tô cũng được thảo luận.

Phần 1 của bài này tập trung vào những điều cơ bản về màn hình ô tô, bao gồm các xu hướng, thách thức và kiến ​​trúc hiển thị. Trình điều khiển pixel được giới thiệu để giúp hiểu công nghệ nguồn trong màn hình ô tô.

Phần 2 của bài này đề cập đến công nghệ nguồn trong màn hình ô tô. Các công nghệ màn hình khác nhau bao gồm đèn nền chiếu sáng cạnh và đèn nền chiếu sáng trực tiếp được thảo luận. Ngoài ra, tính năng làm mờ cục bộ trong màn hình mini-LED được mô tả ngắn gọn.

Xu hướng cabin kỹ thuật số ô tô

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô đã phát triển nhanh chóng trong các lĩnh vực như kết nối, điện khí hóa, lái xe tự hành và di chuyển chung. Sự phát triển này đã định hình lại thiết kế buồng lái để nâng cao trải nghiệm của người dùng. Nhu cầu về màn hình lớn hơn, cong hơn, độ phân giải cao hơn và tỷ lệ tương phản cao hơn, cũng như các loại màn hình trong xe mới, đang ngày càng tăng cao. Theo IHS Markit Automotive Display Market Tracker, 161,5 triệu tấm màn hình ô tô đã được xuất xưởng vào năm 2018 và dự kiến ​​các lô hàng sẽ vượt quá 200 triệu chiếc vào năm 2025.

Để nâng cao trải nghiệm trong cabin, các loại xe hiện đại có nhiều loại màn hình: cụm đồng hồ, màn hình thông tin trung tâm (CID), màn hình hiển thị trên kính chắn gió (HUD), màn hình hành khách, màn hình gương điện tử thông minh, màn hình gương chiếu hậu và màn hình giải trí phía sau. Cụm đồng hồ cung cấp cho người lái thông tin quan trọng như tốc độ và trạng thái đồng hồ đo nhiên liệu. HUD chiếu thông tin quan trọng lên kính chắn gió. Màn hình giải trí ở ghế sau và màn hình hành khách là một phần của hệ thống thông tin giải trí, cho phép hành khách xem phim hoặc tham gia các hoạt động giải trí khác. Hệ thống giám sát camera kỹ thuật số (CMS) đang thay thế gương chiếu hậu bên ngoài bằng hai đến ba camera, và màn hình gương chiếu hậu và màn hình gương điện tử giúp nâng cao nhận thức trực quan của người lái về môi trường xung quanh.

Theo IHS Markit Automotive Display Market Tracker, 10% lô hàng màn hình ô tô là màn hình 10 inch vào năm 2018 và dự kiến ​​sẽ tăng lên 18,4% vào năm 2025. Trong những năm gần đây, màn hình hiển thị 12,3 inch trở lên đã trở thành kích thước chính thống cho màn hình cụm đồng hồ.

Kể từ khi Tesla Model 3 giới thiệu màn hình cảm ứng 15 inch vào năm 2017, màn hình hiển thị ô tô có xu hướng lớn hơn, với độ phân giải cao hơn, tỷ lệ tương phản cao hơn và thiết kế dạng tự do. Vào năm 2019, Li Xiang ONE có màn hình trụ-trụ bao gồm hai màn hình 12,3 inch và 16,2 inch. Vào năm 2023, BMW 3 Series đã giới thiệu màn hình cảm ứng cong 14,9 inch với công nghệ làm mờ cục bộ, trải dài từ ghế lái đến bảng điều khiển trung tâm. Xe ý tưởng VISION EQXX được trang bị màn hình trụ-tới-trụ 47,5 inch sử dụng công nghệ làm mờ cục bộ. Xu hướng màn hình ô tô có thể được tóm tắt như trong Hình 1.

Hình 1. Xu hướng hiển thị trong cabin.

HUD toàn kính chắn gió trên xe ý tưởng Neue Klasse của BMW sẽ đi vào sản xuất vào năm 2025. Công nghệ HUD cải tiến này cho phép hiển thị toàn bộ chiều rộng của kính chắn gió cho tất cả hành khách. Cạnh dưới của kính chắn gió, với cường độ ánh sáng và độ tương phản cao hơn, hiển thị thông tin có liên quan cho người lái và hành khách. Ngoài ra, còn có màn hình trung tâm dạng tự do.

Kiến trúc bảng hiển thị

TFT LCD trong Hình 2, OLED trong Hình 3 và micro-LED trong Hình 4 đại diện cho ba công nghệ riêng biệt giúp cách mạng hóa khả năng hiển thị hình ảnh.

TFT LCD sử dụng tinh thể lỏng kẹp giữa hai lớp nền thủy tinh. Lớp nền dưới cùng được nhúng TFT, trong khi lớp nền trên đóng vai trò là bộ lọc màu. Các tinh thể lỏng này căn chỉnh để điều chỉnh độ quay của ánh sáng đi qua chúng bằng cách kiểm soát dòng điện chạy qua các bóng bán dẫn, điều này gây ra những thay đổi trong trường điện. Mỗi điểm ảnh có màu khác nhau được tạo ra bằng cách chiếu sáng bộ lọc màu theo các tỷ lệ khác nhau.

Hình 2. Cấu trúc màn hình TFT LCD.

Ngược lại, màn hình OLED không cần đèn nền do khả năng tự phát sáng của chúng. Cấu trúc cơ bản của OLED bao gồm một lớp phát sáng hữu cơ trên kính oxit thiếc indium (ITO). Lớp phát sáng hữu cơ này được kẹp giữa hai điện cực kim loại có công suất thấp: cực âm trên và cực dương dưới.

Khi có điện áp bên ngoài tác động vào cực âm và cực dương, lớp truyền điện tử (ETL) và lớp truyền lỗ (HTL) sẽ đưa các điện tử và lỗ vào lớp phát sáng hữu cơ với tốc độ và thể tích được kiểm soát. Quá trình này khiến OLED phát ra ánh sáng. Ánh sáng đỏ, xanh lá cây và xanh lam có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các vật liệu hóa học khác nhau trong OLED. Do đó, màn hình OLED mỏng hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và mang lại khả năng tái tạo màu sắc và độ tương phản vượt trội.

Hình 3. Cấu trúc màn hình OLED.

Màn hình Micro-LED là một tiến bộ gần đây sử dụng các mảng LED siêu nhỏ như các điểm ảnh riêng lẻ. Thông thường, kích thước chip của micro-LED nằm trong phạm vi 50 μm, khiến chúng hầu như không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Do kích thước nhỏ và công nghệ lắp ráp tiên tiến, các nguồn sáng cho ánh sáng đỏ, xanh lá cây và xanh lam có thể được tích hợp vào một điểm ảnh duy nhất, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ lọc màu và tinh thể lỏng trong màn hình micro-LED.

Mỗi micro-LED trong điểm ảnh phát ra ánh sáng riêng, mang lại độ sáng cao, màu đen sâu và hiệu quả năng lượng tuyệt vời. Những công nghệ này đại diện cho những bước tiến đáng kể trong đổi mới màn hình, mỗi công nghệ đều mang lại những lợi thế riêng về mặt cấu trúc và hiệu suất. Màn hình Micro-LED phù hợp với các ứng dụng từ điện thoại thông minh và tivi đến thực tế tăng cường, thiết bị đeo và màn hình ô tô.

Hình 4. Cấu trúc màn hình Micro-LED.

Vì TFT LCD là công nghệ tương đối hoàn thiện với những lợi thế vượt trội về chi phí, nên LCD hiện là công nghệ màn hình phẳng chiếm ưu thế trong ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, màn hình OLED và màn hình micro-LED đang thu hút nhiều sự chú ý hơn từ các nhà sản xuất ô tô.

Màn hình OLED cung cấp hiệu ứng hiển thị tuyệt vời, mức tiêu thụ năng lượng thấp, tính linh hoạt cao và siêu mỏng. Màn hình Micro-LED đang nổi lên như công nghệ màn hình thế hệ tiếp theo, cho phép thiết kế màn hình cong với độ sáng và độ tương phản được cải thiện, do đó tăng thêm tính linh hoạt cho thiết kế màn hình trong cabin.

Tuy nhiên, màn hình OLED bị lưu ảnh, gây ra sự suy giảm điểm ảnh sau khi hiển thị hình ảnh tĩnh trong thời gian dài và tuổi thọ của chúng ngắn hơn so với LCD. Màn hình Micro-LED đắt tiền do những thách thức trong việc thương mại hóa sản xuất hàng loạt.

Sự khác biệt chi tiết giữa màn hình TFT LCD, OLED và micro-LED được tóm tắt trong minh họa Bảng 1 bên dưới.

Màn hình TFT LCD hiện tại có thể được nâng cấp bằng nguồn đèn nền mini-LED (điốt phát sáng dưới milimét) và công nghệ làm mờ cục bộ. Mini-LED là đèn LED thông thường thu nhỏ và đóng vai trò là cầu nối với micro-LED. Đèn LED có kích thước nhỏ hơn 200 micromet được phân loại là mini-LED, trong khi đèn LED dưới 100 micromet được phân loại là micro-LED.5

Mặc dù mini-LED chủ yếu có thể đóng vai trò là nguồn đèn nền trong màn hình LCD, nhưng chúng cải thiện độ dày và hiệu suất tương phản của màn hình LCD, đồng thời cung cấp các giải pháp tiết kiệm chi phí.

Trình điều khiển điểm ảnh

Nhiều màu sắc khác nhau được tổng hợp bằng cách trộn ba màu chính (đỏ, lục và lam). Sự pha trộn của ba màu chính này tạo thành một điểm ảnh, như thể hiện trong Hình 5. Mỗi điểm ảnh bao gồm ba điểm ảnh phụ, được quản lý và kết hợp trong một điểm ảnh.

Hình 5. Pixel

Màn hình TFT LCD, micro-LED và OLED sử dụng các phương pháp khác nhau để điều khiển các điểm ảnh phụ này do công nghệ hiển thị và quy trình sản xuất riêng biệt của chúng. Ví dụ, Tesla Model 3 có màn hình TFT LCD 15,4 inch với độ phân giải 1920 x 1200 điểm ảnh, tạo ra tổng cộng 6,91 triệu điểm ảnh phụ.

Trong màn hình TFT LCD, mạch tương đương của một điểm ảnh phụ, điều khiển trường điện trên tinh thể lỏng, được hiển thị trong Hình 6. Nó bao gồm 1T2C (một bóng bán dẫn, một tụ điện tinh thể lỏng và một tụ điện lưu trữ). Bộ điều khiển cổng cung cấp điện áp dương, được gọi là điện áp cổng cao (VGH), để bật TFT và điện áp âm, được gọi là điện áp cổng thấp (VGL), để tắt TFT. Thông tin hình ảnh được truyền đến bộ điều khiển nguồn, bộ điều khiển này sạc tụ điện tinh thể lỏng (CLC). Tụ điện lưu trữ (CST) hoạt động như một bộ đệm để ngăn dòng điện rò rỉ từ CLC. Bài viết “Cấu trúc truyền động mới giúp tăng tỷ lệ sạc điểm ảnh cho màn hình TFT-LCD UHD có tốc độ khung hình cao” sẽ đề cập đến nhiều trình điều khiển điểm ảnh hơn trong màn hình LCD TFT.

Hình 6. Trình điều khiển pixel thông thường.

Hiện tượng giữ hình ảnh hoặc nhấp nháy trong màn hình LCD TFT là do điện dung ký sinh (CGD) tồn tại giữa nút cổng và nút thoát của TFT. Khi nội dung hình ảnh thay đổi và TFT tắt khỏi trạng thái bật, điện áp giảm trên CLC là do bộ chia điện dung giữa CGD và CLC||CST. Để cải thiện tính nhất quán về hiệu suất của tấm nền, điện áp mặt phẳng chung (VCOM) được đưa vào và điều chỉnh đến tâm điện áp pixel trong thời gian chuyển tiếp pixel.

Cấu trúc của trình điều khiển pixel phổ biến trong màn hình micro-LED và OLED tương tự nhưng phức tạp hơn so với màn hình LCD TFT do quy trình chế tạo và tích hợp mạch TFT với đèn LED trên chất nền thủy tinh hoặc polyimide. Do đó, đèn LED trong mỗi pixel được điều khiển riêng lẻ với độ sáng riêng.

Như thể hiện trong Hình 7, một trình điều khiển điểm ảnh đơn giản có tên là 2T1C (hai bóng bán dẫn và một tụ điện lưu trữ) được mô tả trong bài viết “Công nghệ điều khiển cho màn hình OLED”. Trong trình điều khiển điểm ảnh này, tín hiệu tương tự của phát xạ LED được gửi đến TFT M1. Điện áp ngưỡng (VGS) sau đó được lưu trữ trong (CST), được sử dụng để điều khiển TFT M2 trong vùng bão hòa, như thể hiện trong Hình 8. TFT M2 điều khiển duy trì các đèn LED ở dòng điện không đổi với điện áp dương (VDD) và điện áp catốt (VSS). Phương pháp điều khiển hoạt động bão hòa của trình điều khiển điểm ảnh 2T1C này có ưu điểm là kéo dài tuổi thọ của đèn LED so với hoạt động vùng tuyến tính của TFT điều khiển.

Hình 7. A 2T1C pixel driver of OLED or micro-LED.

Hình 8. Đặc điểm đầu ra của bóng bán dẫn MOS.

Tuy nhiên, trình điều khiển pixel 2T1C có một số nhược điểm, bao gồm vấn đề Mura và ngưỡng dịch chuyển điện áp dưới độ lệch điện. Vấn đề Mura là độ sáng không đồng đều trong tính đồng nhất của màn hình, chủ yếu là do sự thay đổi trong quy trình sản xuất, chẳng hạn như mật độ của lớp TFT, tính đồng nhất của điện áp thuận LED và ngưỡng điện áp, v.v. Những tác động này gây ra các vấn đề về chất lượng hình ảnh. Mặc dù quy trình chế tạo tốt nhất không thể khắc phục được sự dịch chuyển điện áp ngưỡng, nhưng các mạch pixel có phương pháp phản hồi điện áp và phương pháp bù quá mức dịch chuyển điện áp ngưỡng đã được đề xuất để cải thiện chất lượng hình ảnh.

Phương pháp điều khiển 7T1C được đề xuất trong bài viết “Nâng cao chất lượng hình ảnh trong màn hình AMOLED có tốc độ làm mới thay đổi bằng cách sử dụng sơ đồ bù điện áp ban đầu thay đổi” được thể hiện trong Hình 9. Mạch pixel 7T1C này có ba giai đoạn hoạt động, như thể hiện trong Hình 10: khởi tạo, bù và phát xạ. TFT M4 được sử dụng để kết nối diode điều khiển TFT M3. Trong quá trình bù, điện áp được lưu trữ trong CST từ trình điều khiển nguồn sẽ duy trì phát xạ LED. TFT M1, M6 và M7 được sử dụng để ngăn đèn LED bật. Ngoài ra, một mạch pixel 7T2C đã được đề xuất trong bài viết “Mạch pixel có độ sáng đồng đều cao và độ nhấp nháy thấp cùng các phương pháp điều khiển cho màn hình AMOLED có tốc độ khung hình thay đổi.”

Hình 9. Sơ đồ trình điều khiển pixel 7T1C.

Hình 10. Trình tự điều khiển các điểm ảnh bù 7T1C: (a) khởi tạo, (b) bù và (c) phát xạ.

Hiện nay, công nghệ mặt phẳng hiển thị đã được phát triển từ TFT silicon vô định hình hydro hóa (a-Si:H) đến TFF silicon đa tinh thể nhiệt độ thấp (LTPS) và TFT silicon và oxit đa tinh thể nhiệt độ thấp (LTPO) tạo nên công nghệ mặt phẳng thế hệ tiếp theo cho thiết bị điện tử tiêu dùng. TFT a-Si:H có độ di động của sóng mang thấp (1 cm2/Vs), dẫn đến kích thước mặt phẳng lớn và tiêu thụ nhiều điện năng hơn. TFT LTPS có độ di động của sóng mang vượt trội (>50 cm2/Vs) nên được áp dụng trong màn hình OLED. TFT LTPS thường có dòng điện ngoài cao. Tuy nhiên, TFT LTPO có dòng điện ngoài thấp. Do đó, sơ đồ điểm ảnh lai kết hợp TFT LTPS và LTPO được xem xét để sử dụng trong mặt phẳng hiển thị OLED/micro-LED.

Kết luận

Màn hình trên xe đóng vai trò ngày càng quan trọng trong trải nghiệm cabin, với kỳ vọng ngày càng tăng về việc nâng cao khả năng hiển thị, tính an toàn, trải nghiệm của người dùng, v.v. từ người tiêu dùng. Màn hình ô tô phải đối mặt với những thách thức đáng kể trong việc cung cấp chất lượng hình ảnh vượt trội với độ phân giải và tỷ lệ tương phản cao, dạng tự do, kích thước lớn và các giải pháp tiết kiệm chi phí.

Bài viết này sẽ thảo luận về các đặc điểm của màn hình TFT-LCD, OLED và micro-LED. Để đạt được hiệu suất hiển thị tốt hơn, trình điều khiển pixel của OLED và micro-LED trở nên phức tạp hơn so với màn hình TFT-LCD. Do đó, màn hình OLED và micro-LED đắt tiền do những thách thức trong việc thương mại hóa sản xuất hàng loạt. Màn hình LCD mini-LED với công nghệ làm mờ cục bộ đóng vai trò là cầu nối với màn hình micro-LED và OLED.

Mời các bạn theo dõi tiếp Phần 2 của bài viết này trong số tới tập trung vào các kỹ thuật công suất của màn hình ô tô, bao gồm trình điều khiển đèn nền, PMIC phân cực TFT và các tính năng làm mờ cục bộ.