關于LED顯示屏質量提升的探討
編輯：新雨 [ 2010-6-24 16:06:32 ] 文章來源：LED大屏網
隨著政府職能轉變、部門信息公開、服務于民等承諾的不斷推進，建立性能優良、質量可靠的大面積信息宣傳媒體一直為工程技術人員所關注。根據應用場合的不同，對顯示性能以及顯示系統成本的不同要求，單色、雙色或全彩LED顯示屏以其大尺寸、高亮度、環境適應性方面無可替代的優勢，被廣泛應用于演藝中心、候車室、展覽館等室內、外視頻顯示，無論是白天還是晚上，晴天還是陰天，都能夠讓觀眾清楚地看到所示內容，并且能夠根據外部自然光強度的變化自動調節正在播放的視頻節目。LED顯示屏的最大特點在于其制造不受面積限制，可以達到幾十甚至幾百平方米以上，用于顯示文字、圖形、圖像、動畫、視頻圖像等各種信息。利用LED器件制造大型平板顯示屏系統已成為LED器件應用的重要領域，進而推動了LED制造技術的不斷提升。
作為國家半導體發光器件應用產品質量監督檢驗中心，我們承擔了許多LED顯示屏的招投標質量檢測、客戶質量驗收檢測。我們依據信息產業部標準SJ/T11141-2003《LED顯示屏通用規范》和SJ/T11281-2007《發光二極管（LED）顯示屏測試方法》，對顯示屏的產品質量進行檢測，主要檢測項目有亮度與視角、均勻性和清晰度、像素失控率、環境防護和安全要求等。從檢測結果來看，不同企業生產的顯示屏質量參差不齊，分析其原因，主要有以下幾方面，應引起生產企業足夠的重視。
1、亮度與視角
亮度是顯示屏的一個重要指標，顯示屏亮度主要取決于LED發光強度和LED在顯示屏上的排列密度。有些安裝在較高墻面上的顯示屏，LED管子安裝的角度對于人眼判斷發光強度也有一定的影響。按照信息產業部SJ/T11141-2003標準，亮度定義為LED顯示屏單位面積上的發光強度。視角為觀察方向的亮度下降到LED顯示屏法線方向亮度的二分之一時，同一平面兩個觀察方向與法線方向所成的夾角，分為水平視角和垂直視角。顯示屏的顯示顏色有單基色、雙基色和全彩色，使用環境有兩類：室內顯示屏和室外顯示屏，兩者對參數的選擇和要求也有區別。室內全彩屏的亮度要在800cd/m2以上，室外全彩屏的亮度要在1,500cd/m2以上，才能基本保證顯示屏工作時的正常圖像亮度。近幾年LED在襯底、外延、芯片及封裝等方面的新技術層出不窮，尤其是氧化銦錫（ITO） 材料的使用，電流擴展層技術及工藝的穩定與成熟，使LED的發光效率有了大幅度的提高。目前，大多數戶外全彩顯示屏水平視角可大于120°、垂直視角大于45°，在像素間距為16mm時，全彩顯示屏白平衡亮度大于6,000cd/m2,像素間距為20mm時，全彩顯示屏白平衡亮度也可達到5,500cd/m2以上，顯示屏可在任何環境下全天候工作。
LED管的發光強度取決于管子的工作電流，目前1W的LED管，生產廠家推薦的工作電流一般為350mA.增大工作電流，會提高LED管的發光強度，但也會導致LED管的發熱，加快LED管的光衰，實際上將會影響LED顯示屏的整體壽命，而LED管是不可能被大量更換的，因此，一旦一塊屏上有較多數量的LED管壽命終結，則意味著顯示屏壽命的終止。從一定意義上說，LED管的壽命決定了顯示屏的壽命。LED管的壽命通常以發光強度衰減到初始值50%的時間為壽命期。我們在檢驗中發現，現在政府采購的項目，要求供應商提供顯示屏的質量檢驗報告，由于是投標前的質量保證，供應商自己送來的檢驗樣品都是經過挑選的，而且是縮小試樣，這些送檢產品的質量確實比較過關。現在政府采購對產品有質量要求和價格要求，其中價格一般都占百分制的45分，如果質量相差不大，價格起著關鍵性的作用。現在的供應商投標不管產品質量能否符合，一律填寫滿足、優于，現場評審很難核對，只有在中標后，采購單位才能發現。對一些以低價中標的供應商，用質量較差的管子代替好的管子完全有可能發生。所以在選購顯示屏產品時，盡可能選擇信譽好，品牌響的專業生產廠家，有可能時還要供應商提供LED管的進貨發票，以確保LED管和顯示屏的質量。
2、均勻性與清晰度
LED顯示屏均勻性有三個體現指標：像素光強均勻性、顯示模塊亮度均勻性和模組亮度均勻性。由于測試像素光強均勻性要把LED管從顯示屏上拆下，過程復雜，而且也可能損壞管子，所以顯示屏測試一般選擇模塊或模組的亮度均勻性作為考核指標。模塊亮度均勻性是指同一塊顯示屏中模塊相互之間的亮度一致性，已成為衡量顯示屏優劣的最重要指標之一。顯示模塊亮度均勻性等級由低到高分為A、B、C三級，如表1所示。
測量方法是在全屏范圍內任意離散抽取9個顯示模塊（黑屏狀態下隨機選擇9個顯示模塊），在最高灰度級、最高亮度級下，全屏顯示某一基色，用彩色分析儀分別測量出9個顯示模塊的亮度值，光探頭采集范圍不得少于16個相鄰像素，再進行算術平均計算，具體如公式（1）所示。
LJ= ×100%（1）
其中LAV = Li/9
通過我們對不同顯示屏的檢測，包括室內屏和室外屏，各類初始技術指標尚能滿足標準要求，達到C級的居多。通過環境實驗、可靠性實驗后，光衰及光學性能的變化就會產生均勻性問題。我們經常發現顯示屏經過一段時間的使用之后，會出現不均勻現象，如“灰塵效應”和“馬賽克”等，造成這種不均勻的主要原因是LED管的各項性能不一致，主要包括光強不一致、光軸不一致、色坐標不一致、各基色光強分布曲線不一致以及工作后的光衰不一致。目前業內解決LED管性能參數不一致的現象主要有兩種技術途徑：一是通過對LED管規格參數的進一步細分，提高LED管各項性能的一致性；二是通過后續校正的方式來改善顯示屏的均勻性。我們認為事前分選是解決均勻性較為有效的技術手段，后續校正有可能使LED管超負荷工作，而且還有些缺陷，如光軸不一致、光強分布曲線不一致、光衰特性不一致、拼裝精度差等，是無法通過后續校正來消除的。
LED顯示屏標準沒有規定清晰度，但對像素間距作了定義，像素間距越小，清晰度越高。現在常用的戶內全彩點陣顯示像素間距有2.5、4、4.75、6mm等，亞表貼三拼一像素間距有6、7.62、10、12mm等。由于顯示屏的制造工藝和LED管的離散性，像素不是決定清晰度的唯一指標，與顯示屏分辨率、均勻性、亮度、對比度等多項指標密切相關。通過單純縮小物理像素間距來提高分辨率，雖然可以在一定程度上增強清晰度，但由于顯示屏產品的特殊性，只有上述各類參數指標均達到要求，才能得到一個良好的圖像清晰度。
3、顯示屏像素
像素失控分為盲點和常亮點兩類。盲點，也就是瞎點，在需要亮的時候它不亮，稱之為瞎點；常亮點，在需要不亮的時候它反而一直亮著，稱之為常亮點。對于單色、雙色較好理解，對于全彩，RGB其中任何一個燈失控，我們即認為此像素失控。像素失控率分為整屏像素失控率和區域像素失控率。整屏像素失控率等于整屏盲點數與整屏常亮點數之和與整屏像素數之比。另外，為避免失控像素集中于某一個區域，標準提出“區域像素失控率”,也就是在100×100像素區域內，失控的像素數與區域像素總數（即10,000）之比。此指標在SJ/T 11141-2003《LED顯示屏通用規范》中對《失控的像素是呈離散分布》的要求進行了量化，方便直觀。像素失控率等級由低到高分為A、B、C三級，如表2所示。
由于顯示屏所用的LED管有幾萬個，像素間隔有6、12、16mm等不同的間距。按照12mm的間距計算，每平方米約有7,000個LED管，按照6平方米來計算，一個屏也有4萬多個LED管，所以確保所有的LED管都不出現故障也不現實。檢測中發現，新屏不會出現像素失控，使用一段時間后出現的概率大大增加。依據SJ/T11141-2003《LED顯示屏通用規范》5.7.1條像素失控率指標要求，室內LED顯示屏像素失控率應不大于萬分之三，室外LED顯示屏像素失控率應不大于千分之二，且為離散分布。
LED顯示屏在出廠前均會進行老化檢測，對失控像素的LED管會維修更換，“整屏像素失控率”控制在3/104之內、“區域像素失控率”控制在2/103之內是沒問題的，甚至有的廠家的企業標準要求出廠前不允許出現失控像素。實際上在不同的應用場合下，像素失控率的實際要求可以有些差別，一般來說，LED顯示屏用于視頻播放，指標要求控制在1/104之內較為理想；若用于簡單的字符信息發布，指標要求控制在2/104之內較為合適，也是可以達到的。目前多數情況下都要求顯示屏既能信息發布、又可以視頻播放。生產企業的指標要求高于國家標準，對提高LED顯示屏的質量大有幫助。
對檢測結果進行分析，我們發現造成顯示屏像素失控的原因很多，其中最主要的原因就是“LED管失效”,主要表現為盲點和常亮點失效。LED管失效原因可分為兩個方面：一是LED管自身品質不佳；二是顯示屏生產過程中工藝方法控制不當。失效的最大誘因是靜電放電引起，靜電放電導致LED管失效的機理非常復雜，設備、工具、人體等均有可能帶有靜電并對其放電，這種靜電少則幾百伏，高則上萬伏。顯示屏生產過程中LED管失效，多數是LED-PN結被靜電放電擊穿所致。目前國際上大致定義了三種靜電放電模式，主要分為人體放電模式（HBM）、機器放電模式（MM）和器件充電模式。由于人體靜電損傷造成器件失效的比例最大，所以人體放電模式成為半導體最常用的ESD測試方法。我國靜電放電試驗標準GJB1649-93 《電子產品防靜電放電控制大綱》 附錄A規定了靜電放電敏感度分級試驗，元器件的靜電放電敏感度（ESDS）分為四個等級： 1級為500V;2級為1,000V;3級為2,000V;4級為4,000V.因為靜電電壓有時會達到幾千伏甚至上萬伏，在顯示屏制造過程中防不勝防，因此，LED管靜電放電敏感度應選擇3級或以上較合適，而且靜電防護必須貫穿生產全過程。除了在受到靜電放電、工作電流過高、外部強力等不當使用外，部分LED管失效是在高溫、低溫、溫度循環變化等惡劣環境條件下，由于LED芯片、使用的原材料和生產工藝的不一致引起的。所以，做好防靜電、嚴格控制生產工藝是保證顯示屏產品質量的重要手段。
4、環境防護與安全要求
由于顯示屏可應用在不同場合，所以對顯示屏也有一定的安全要求。標準規定的主要安全指標有接地、對地漏電流、抗電強度、溫升四個指標。其中對地漏電流和抗電強度是最重要的安全指標。SJ/T 11141-2003《LED顯示屏通用規范》5.4條規定，標準要求在1.1倍額定電源電壓下，顯示屏的對地漏電流不得超過3.5mA;抗電強度在電源開關處于接通位置，應能耐受1,500V,1min的試驗電壓而不發生絕緣擊穿。
LED室外顯示屏的用量比室內屏用量高得多，室內顯示屏對環境適應性的要求較低，室外顯示屏對環境適應性的要求則高得多。由于不同的地區，環境也不一樣，室外顯示屏應能耐受惡劣環境的長期影響，即能抗風、抗雨、抗震，還要求在高低溫環境下也能正常使用。上述各類環境因素都會使LED顯示屏原有封閉結構遭受不同程度的損壞，雨水和灰塵滲漏又會使內部電路遭受損壞，如雨水和灰塵在電的作用下對銅箔的腐蝕，產生的潮濕對電阻和LED管引線的銹蝕等。所以，室外顯示屏的防水性能顯得極為重要 .
SJ/T11141-2003《LED顯示屏通用規范》標準規定，顯示屏產品的環境適應性有高溫負荷試驗、低溫負荷試驗、高溫貯存試驗、低溫貯存試驗、濕熱負荷試驗、恒定濕熱試驗、振動試驗和運輸試驗。我們在檢驗過程中發現，對于室內屏，標準規定的項目對考核產品質量已足夠。產品對溫度循環的適應性較好，較少出現達不到標準要求的情況，究其原因主要是現在的各類電子元器件總體水平較高，能夠適應高低溫工作條件。但是對室外屏，外殼防護等級與濕熱負荷、恒定濕熱試驗對產品要求較為嚴格。外殼防護等級一般規定的是IP等級，標準要求室內屏不低于IP20、室外屏不低于IP33.檢測中發現，濕熱實驗和外殼防護等級是對產品安全性能影響最大的，室外屏防護等級規定的IP33我們覺得偏低，室外屏防護等級要達到IP65才合適。由于濕熱氣體能滲入產品內部，雨水能侵入產品，造成導電體之間漏電通路，零部件吸潮使絕緣電阻降低，產品不能正常工作，隔離耐壓能力下降，對地漏電流、抗電強度等安全性能指標不符合要求。對于應用于人流量大、環境復雜場所的顯示屏，特別要注意安全性能是否符合要求。
5、結 論
LED顯示屏目前主要應用于發布媒體廣告、交通信息等多人駐足觀看的場所，有些地方的顯示還必須使用LED顯示屏才能滿足要求。LED顯示屏各項技術的不斷進步，使顯示效果良好，應用領域越來越大。由于LED管參數的離散性，生產制作出來的LED顯示屏還不能令人十分滿意，特別是室外顯示屏，經過一定時間的使用，惡劣的環境因素對產品影響很大，顯示效果下降趨勢明顯。為確保LED顯示屏的可靠性，提高產品質量，我們認為，一是生產廠商應采購質量性能優越的LED管，亮度高、視角大、光衰小；二是必須對LED管進行篩選，使LED管各項指標參數盡可能一致；三是生產中嚴格控制工藝流程，做好靜電防護工作；四是加強產品的防水抗震等保障措施，使其在整個產品壽命期內達到要求。由于LED顯示屏使用環境的特殊性，維修更換器件成本不低，只有通過不斷提高LED管和電子控制組件的產品質量，才能確保LED顯示屏質量可靠、實用、耐久。
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