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高清LED显示屏工程验收指标体系的建立

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/3/1     浏览次数:    
    高清LED显示屏工程验收指标体系的建立
    摘要:未来高清LED显示屏将得到广泛运用,高清LED显示屏工程验收急需建立适用的验收指标体系。本文从LED灯珠的点间距和灯珠尺寸对显示屏整体显示的影响、LED灯珠类型对显示屏视角的影响、LED灯珠的角度一致性对显示屏显示均匀性的影响、LED灯珠的可靠性和失效率指标、LED灯珠亮度衰减特性指标、能效指标和测试方法六个方面,将高清LED显示屏与全彩LED显示屏之间的技术差异进行了分析,提出了适用于高清LED显示屏的工程验收指标体系。
    关键词:LED显示屏;工程验收;节能
    高清LED显示屏工程验收急需建立适用的验收指标体系
    北京奥运会让全国人民惊叹于LED显示技术的魔力,年过去了,LED显示技术在各个领域都取得了长足发展,究其原因,还是因为LED显示屏有着如下技术优势:
    )可以通过多个模块拼接实现超大设计尺寸;)可动态播放3D等各种格式的视频信息;)成像效果细腻逼真;)同等尺寸下更加节能环保;)硬件易维护易保养。
    回顾LED显示屏的发展历程,可以把2000年之前称为单基色LED显示屏时代;2000年到2008年称为三基色显示屏时代;2008年到2016年称为全彩LED显示屏时代。2016年杭州G20峰会让世人感受到高清显示屏时代已经到来。
    《2016-2020年LED显示屏行业竞争分析及“十三五”发展规划指导报告》指出:
    )2018年小间距高分辨率LED显示屏(简称高清显示屏)的国内市场规模将达到100亿人民币。
    )随着观众对色彩还原和视觉效果的不断追求,高清LED显示屏将在新闻媒体、大型商业中心、公众广场、会展场馆等得到广泛运用。
    )预计2020年高清LED显示屏将完全取代DLP背投显示屏或其他LED显示屏。
    显示屏需要专业人员进行现场安装调试,所以就会涉及到工程验收。针对传统全彩LED显示屏的工程验收已经形成了一套比较成熟的验收指标。但是随着高清LED显示屏的快速发展,继续借用传统全彩LED显示屏的验收技术指标,业界普遍反映指标不合理,无法解决工程实践中出现的各种技术难题。针对高清LED显示屏的工程验收急需建立适用的验收指标体系。
    高清LED显示屏与传统全彩LED显示屏之间的技术差异分析
    为什么借用传统全彩LED显示屏的验收技术指标,业界普遍反映指标不合理,无法解决工程实践中出现的各种技术难题。可以从下面六个方面进行分析比较:
    灯珠的点间距和灯珠尺寸对显示屏整体显示的影响如图1所示:LED灯珠的点间距就是指相邻两个灯珠之间的距离。单基色LED显示屏时代,LED显示屏的点间距通常是4mm,因此单基色LED显示屏的规格也叫P4屏;三基色显示屏时代,LED显示屏的点间距已经缩小到1.5mm或1.0mm,因此三基色显示屏的规格也叫P1.5或P1.0屏。全彩LED显示屏的点间距已经降低到0.8mm。与此同时,LED灯珠的尺寸也在降低:最早的单基色LED灯珠的规格为3535(尺寸:3.5mm×)和2121(尺寸:2.1mm×2.1mm),三基色灯珠的规格1010尺寸已经减少到1.0mm×1.0mm;目前全彩LED显示屏普遍使用的是0808(尺寸:0.8mm×)或0606(尺寸:0.6mm×0.6mm)规格的灯珠。相信不久的将来高清LED显示屏上将出现0404(尺寸:0.4mm×0.4mm)规格的LED灯珠。
    为了追求更细腻的高分辨率,就需要更小尺寸的灯珠。要生产更小尺寸的LED灯珠,就必须缩小芯片的表面积。目前小间距芯片最常见的表面积有、25mil2和20mil2这三个规格。
    似乎只要能继续缩小芯片的表面积就可以得到更高的显示分辨率,达到4K、8K甚至更高分辨率的LED显示屏,但是芯片制造商答复:在目前的工艺制造水平下,芯片表面积达到17mil2后,基本再无缩小的可能性。
    为什么芯片表面积无法继续缩小下去呢?主要有三方面因素制约着:
    )封装吸嘴内径的限制在封装固晶过程中,需要使用工业吸嘴(见图2)吸取LED芯片,目前工业用的吸嘴内径只能达到80μm,因此只有当芯片的尺寸大于80μm才能被吸嘴有效吸住。
    )芯片电极的限制目前最小芯片电极(焊线)的直径只能达到μm,再细的电极无法保证芯片的可靠性,灯珠失效率将大大增加。同时为了保证芯片正常工作的电流特性,两极之间也需要有一定的间距。上述两点限制了芯片尺寸无法继续缩小。
    )芯片布局工艺的限制如图3所示:芯片版图的布局、划道宽度、不同层的边界线间距、光刻加工能力等都会影响LED芯片无法继续缩小。
    灯珠类型对显示屏视角的影响如图4所示:站在不同的角度位置,主观感受亮度是不一样的,越大的视角其感受亮度必然越低。不同的灯珠类型有不同的角度值,LED灯珠的视角决定了显示屏的视角,见表1。
    高清LED显示屏通常也会选用食人鱼类LED灯珠。
    全彩LED显示屏工程验收中并不关心LED灯珠的类型,也不关心显示屏的视角范围。高清LED显示屏追求观众运用场所视角范围LED灯珠类型户内显示屏水平垂直视角均为120°贴片型LED灯珠(见图5)高速公路显示屏水平垂直视角30°圆形LED灯珠户外显示屏水平视角100°垂直视角50°椭圆型LED灯珠高层建筑的显示屏水平视角为100°垂直视角为130°食人鱼类LED灯珠图3芯片版图布局示例图5贴片型LED灯珠观察位置1观察位置2观察位置图4视角与亮度的逻辑关系图表1不同用途的LED显示屏选择不同类型的LED灯珠的良好视觉,对视角范围做出了严格的规定,只有掌握灯珠的类型才能继续后续的工程验收。
    灯珠的角度一致性对显示屏显示均匀性的影响继续用图4进行分析:站在不同的角度位置,全彩显示屏的白平衡和色度也是不一样的。如果同一批LED灯珠的三基色角度和波长差异很大,那么用这批灯珠组成的LED显示屏,其不同角度的显示白平衡将非常糟糕,即显示屏的显示均匀性很差。
    要做到LED灯珠三基色在不同角度时,亮度变化匹配一致,就需要有一个技术指标。目前全彩LED灯珠的角度一致性指标为:①波长范围±5nm;②亮度范围小于1/1.5。
    对比全彩LED显示屏,高清LED显示屏在显示均匀性方面处于劣势。如图6是LED芯片I-V曲线分析形成图,表2是LED芯片电流特性比对表。
    高清LED芯片在非线性工作区的离散性远大于线性工作区。目前采取的解决方案:
    )优化外延方向,降低线性工作区下限;)优化芯片分光,筛选不同特性芯片。高清显示屏还有如下缺点:余辉荧光效应、扫描偏色、低亮度时色泽偏红以及低灰度时亮度不均匀等问题,在目前阶段只能通过调节IC控制端与逐点校正来缓解上述问题。

    灯珠的可靠性和失效率指标显示屏被经常诟病的一个技术指标就是“显示屏的寿命10万h”。应该指出理论上合格的LED灯珠,其使用寿命可以达到10万h。但是LED灯珠的使用寿命还跟模块的工作电流、显示模块PCB散热方式、显示屏现场安装工艺,使用环境温湿度、环境污染等级等因素相关。如何科学地反应LED显示屏的寿命,需要分析LED芯片的可靠性影响因素。

    按照目前LED灯珠的工艺流程,采用相同的外延片、采用相同的芯片结构,LED芯片的抗静电能力(ESD)和反向漏电(IR)是影响LED显示屏寿命的重要因素。
    高清LED显示屏使用的灯珠越来越小,随着芯片尺寸的不断变小,芯片内部的缺陷数呈几何倍数增长,LED芯片抗静电能力(ESD)快速降低。反向漏电(IR)跟芯片内部的缺陷数成正相关,IR值越大意味着LED片内部的缺陷越多。因此在高清LED显示屏工程验收指标中应该加入抗静电能力(ESD)和反向漏电(IR)两项指标作为屏体寿命的支持参数。
    对传统全彩LED显示屏来说,1m2显示模块由1万个LED灯珠组成,这1万个LED灯珠中有1个LED灯珠失效,观众基本可以接收。对高清LED显示屏来说,图6LED芯片I-V曲线显示模块有20万个LED灯珠组成,如果还是允许每1万个灯珠可以有1个LED灯珠失效,那么1m2显示模块就会出现20个失效LED灯珠,观众很难接收这样的成像效果。
    在工程验收中,全彩LED显示屏的的失效率指标通常是不高于万分之一。对于高清LED显示屏,其失效率指标有必要提升到十万分之一甚至是百万分之一。
    灯珠亮度衰减特性指标显示屏使用9~10个月后常常会出现“花屏”现象,分析原因:①LED灯珠亮度衰减导致LED显示屏整体亮度降低;②LED灯珠中红、绿、蓝三种颜色的亮度衰减幅度不一致。
    全彩LED显示屏亮度衰减特性的工程验收指标见表。
    灯珠亮度衰减特性除与芯片电流特性相关外,显示模块PCB板的散热设计、使用环境的污染等级等因素都会影响LED灯珠的亮度衰减。按照目前的经验,为了降低LED灯珠的亮度衰减,通常使用70%~80%的额定电流给全彩LED显示模块供电。
    从表4对比情况可以发现:随着高清LED芯片表面积的减小,LED灯珠的亮度明显降低,灰度也不够。目前提升芯片亮度只能通过调节芯片结构来提升,而芯片结构又受到芯片尺寸的约束。
    “低亮低灰”是目前高清LED显示屏最大的短板,如果亮度衰减特性指标还继续沿用全彩LED显示屏的工程验收指标,“花屏”现象将非常严重。因此建议收紧亮度衰减特性指标:高清LED显示屏红色亮度衰减指标控制在1.5%之内,蓝、绿色亮度衰减指标控制在之内。
    能效指标和测试方法如果LED显示屏没有自动亮度调节功能,长时间以最高亮度运行,不仅缩短LED灯珠的使用寿命,其耗电量也不可忽视。以100m2的全彩LED显示屏为例:单位面积显示屏的平均功率为400W,一天亮屏10h,那么一天的用电量就是0.4kW/h×10h×100m2=400kW。
    一年的电费=400kW×365天×1元/度=167900kW×元/度=14.6万元。
    从上面的案例不难理解,使用各种节能环保技术,减少能耗是LED显示屏发展的大势所趋。全彩传统显示屏由于单粒LED灯珠的亮度较大,借用《计算机显示器能效限定值及能效等级》的测试方法可以较好的模拟实际能耗情况。高清LED显示屏单位面积的灯珠数量较全彩LED显示屏多数倍或数十倍,加上高清LED显示屏存在“低亮低灰”的特性,继续沿用全彩LED显示屏的能效指标和测试方法,将产生较大的偏差。
    为了模拟出高清LED显示屏的实际能耗水平,建议采用美国平板电视能源之星7.0的测试方法和评价指标:
    单位面积的年耗电量AEC(kW·h)。因为高清LED显示屏的能效技术更接近平板数字电视。
    信号源:建议使用IEC62087第三版,自带的高清视频信号。该视频信号对节目类型进行了统计,分别摘取代表性的画面组合为全长的高清视频信号。
    单位面积户内高清LED显示屏的能效指标:年耗电量AEC(kW·h)=365×(Pon×Hon+Poff×Hoff)以电梯口LED显示屏为例,每天工作时间Hon通常为19h,关闭时间Hoff通常为5h。
    单位面积户外高清LED显示屏的能效指标:年耗电量AEC(kW·h)=365×(Ponw×Honw+Ponn××Hoff)以采用自动亮度节能技术的LED广场显示屏为例,每天工作时间Hon通常为13h,其中白天工作时间为8h,夜晚工作时间Honn为5h,关闭时间为11h。
    适用于高清LED显示屏的工程验收指标
    根据第二部分的分析,似乎高清LED显示屏除了分辨率具有一点优势外,在其他方面都处于劣势。在目前阶段,这是事实,但是不要忘记飞机的发展历程,所有新兴事物都是由不完善走向完善的。相信在全彩显示技术的基础上,不久的将来,高清LED显示屏的技术指标一定能全面超越全彩LED显示屏。另一方面,正因为高清LED显示屏还处于起步阶段,更应该为其保驾护航。结合多年的工程验收和检测分析经验,笔者提出了适用于高清LED显示屏工程验收的全套指标体系,主要技术指标见表5范例。
    总结
    就如目前新能源汽车跟传统汽车技术,风电和火电技术相比,高清LED显示屏的技术指标对比全彩显示屏技术肯定还有很多提升的空间,但是高清显示屏代表着未来的显示技术趋势。随着微电子技术和精密加工工艺的快速发展,高清LED显示屏的技术指标一定会全面超越全彩LED显示屏技术。

    高清LED显示屏的工程验收指标必须根据目前的实际技术水平,制定合理的工程验收指标体系。既要保护业主采购单位的利益,又要推动高清LED显示屏行业的快速发展。本文希望起到抛砖引玉的作用,激发起高清LED显示屏行业在工程验收领域展开研究、实践和讨论。


本文由 合肥LED电子显示屏 整理编辑。

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