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行业动态
关于LED显示屏质量提升的探讨

    随着政府职能转变、部门信息公开、服务于民等承诺的不断推进,建立性能优良、质量可靠的大面积信息宣传媒体一直为工程技术

    随着政府职能转变、部门信息公开、服务于民等承诺的不断推进,建立性能优良、质量可靠的大面积信息宣传媒体一直为工程技术人员所关注。根据应用场合的不 同,对显示性能以及显示系统成本的不同要求,单色、双色或全彩LED显示屏以其大尺寸、高亮度、环境适应性方面无可替代的优势,被广泛应用于演艺中心、候车室、展览馆等室内、外视频显示,无论是白天还是晚上,晴天还是阴天,都能够让观众清楚地看到所示内容,并且能够根据外部自然光强度的变化自动调节正在播 放的视频节目。led显示屏的最大特点在于其制造不受面积限制,可以达到几十甚至几百平方米以上,用于显示文字、图形、图像、动画、视频图像等各种信息。 利用LED器件制造大型平板显示屏系统已成为LED器件应用的重要领域,进而推动了LED制造技术的不断提升。

    作为国家半导体发光器件应用产品质量监督检验中心,我们承担了许多LED显示屏的招投标质量检测、客户质量验收检测。我们依据信息产业部标准 SJ/T11141-2003《LED显示屏通用规范》和SJ/T11281-2007《发光二极管(LED)显示屏测试方法》,对显示屏的产品质量进行 检测,主要检测项目有亮度与视角、均匀性和清晰度、像素失控率、环境防护和安全要求等。从检测结果来看,不同企业生产的显示屏质量参差不齐,分析其原因, 主要有以下几方面,应引起生产企业足够的重视。

    1、亮度与视角

    亮度是显示屏的一个重要指标,显示屏亮度主要取决于LED发光强度和LED在显示屏上的排列密度。有些安装在较高墙面上的显示屏,LED管子安装的角度对于 人眼判断发光强度也有一定的影响。按照信息产业部SJ/T11141-2003标准,亮度定义为LED显示屏单位面积上的发光强度。视角为观察方向的亮度 下降到LED显示屏法线方向亮度的二分之一时,同一平面两个观察方向与法线方向所成的夹角,分为水平视角和垂直视角。显示屏的显示颜色有单基色、双基色和 全彩色,使用环境有两类:室内显示屏和室外显示屏,两者对参数的选择和要求也有区别。室内全彩屏的亮度要在800cd/m2以上,室外全彩屏的亮度要在 1,500cd/m2以上,才能基本保证显示屏工作时的正常图像亮度。近几年LED在衬底、外延、芯片及封装等方面的新技术层出不穷,尤其是氧化铟锡 (ITO)材料的使用,电流扩展层技术及工艺的稳定与成熟,使LED的发光效率有了大幅度的提高。目前,大多数户外全彩显示屏水平视角可大于120°、垂 直视角大于45°,在像素间距为16mm时,全彩显示屏白平衡亮度大于6,000cd/m2,像素间距为20mm时,全彩显示屏白平衡亮度也可达到 5,500cd/m2以上,显示屏可在任何环境下全天候工作。

    LED管的发光强度取决于管子的工作电流,目前1W的LED管,生产厂家推荐的工作电流一般为350mA.增大工作电流,会提高LED管的发光强度,但也 会导致LED管的发热,加快LED管的光衰,实际上将会影响LED显示屏的整体寿命,而LED管是不可能被大量更换的,因此,一旦一块屏上有较多数量的 LED管寿命终结,则意味着显示屏寿命的终止。从一定意义上说,LED管的寿命决定了显示屏的寿命。LED管的寿命通常以发光强度衰减到初始值50%的时 间为寿命期。我们在检验中发现,现在政府采购的项目,要求供应商提供显示屏的质量检验报告,由于是投标前的质量保证,供应商自己送来的检验样品都是经过挑 选的,而且是缩小试样,这些送检产品的质量确实比较过关。现在政府采购对产品有质量要求和价格要求,其中价格一般都占百分制的45分,如果质量相差不大, 价格起着关键性的作用。现在的供应商投标不管产品质量能否符合,一律填写满足、优于,现场评审很难核对,只有在中标后,采购单位才能发现。对一些以低价中 标的供应商,用质量较差的管子代替好的管子完全有可能发生。所以在选购显示屏产品时,尽可能选择信誉好,品牌响的专业生产厂家,有可能时还要供应商提供 LED管的进货发票,以确保LED管和显示屏的质量。

    2、均匀性与清晰度

    LED显示屏均匀性有三个体现指标:像素光强均匀性、显示模块亮度均匀性和模组亮度均匀性。由于测试像素光强均匀性要把LED管从显示屏上拆下,过程复 杂,而且也可能损坏管子,所以显示屏测试一般选择模块或模组的亮度均匀性作为考核指标。模块亮度均匀性是指同一块显示屏中模块相互之间的亮度一致性,已成 为衡量显示屏优劣的最重要指标之一。显示模块亮度均匀性等级由低到高分为A、B、C三级,如表1所示。    

    测量方法是在全屏范围内任意离散抽取9个显示模块(黑屏状态下随机选择9个显示模块),在最高灰度级、最高亮度级下,全屏显示某一基色,用彩色分析仪分别测量出9个显示模块的亮度值,光探头采集范围不得少于16个相邻像素,再进行算术平均计算,具体如公式

    1)所示:

    LJ=×100%(1)

    其中LAV=Li/9

    通过我们对不同显示屏的检测,包括室内屏和室外屏,各类初始技术指标尚能满足标准要求,达到C级的居多。通过环境实验、可靠性实验后,光衰及光学性能的变 化就会产生均匀性问题。我们经常发现显示屏经过一段时间的使用之后,会出现不均匀现象,如“灰尘效应”和“马赛克”等,造成这种不均匀的主要原因是LED 管的各项性能不一致,主要包括光强不一致、光轴不一致、色坐标不一致、各基色光强分布曲线不一致以及工作后的光衰不一致。目前业内解决LED管性能参数不 一致的现象主要有两种技术途径:一是通过对LED管规格参数的进一步细分,提高LED管各项性能的一致性;二是通过后续校正的方式来改善显示屏的均匀性。 我们认为事前分选是解决均匀性较为有效的技术手段,后续校正有可能使LED管超负荷工作,而且还有些缺陷,如光轴不一致、光强分布曲线不一致、光衰特性不 一致、拼装精度差等,是无法通过后续校正来消除的。

    LED显示屏标准没有规定清晰度,但对像素间距作了定义,像素间距越小,清晰度越高。现在常用的户内全彩点阵显示像素间距有2.5、4、4.75、6mm 等,亚表贴三拼一像素间距有6、7.62、10、12mm等。由于显示屏的制造工艺和LED管的离散性,像素不是决定清晰度的唯一指标,与显示屏分辨率、 均匀性、亮度、对比度等多项指标密切相关。通过单纯缩小物理像素间距来提高分辨率,虽然可以在一定程度上增强清晰度,但由于显示屏产品的特殊性,只有上述 各类参数指标均达到要求,才能得到一个良好的图像清晰度。

    3、显示屏像素

    像素失控分为盲点和常亮点两类。盲点,也就是瞎点,在需要亮的时候它不亮,称之为瞎点;常亮点,在需要不亮的时候它反而一直亮着,称之为常亮点。对于单 色、双色较好理解,对于全彩,RGB其中任何一个灯失控,我们即认为此像素失控。像素失控率分为整屏像素失控率和区域像素失控率。整屏像素失控率等于整屏 盲点数与整屏常亮点数之和与整屏像素数之比。另外,为避免失控像素集中于某一个区域,标准提出“区域像素失控率”,也就是在100×100像素区域内,失 控的像素数与区域像素总数(即10,000)之比。此指标在SJ/T11141-2003《LED显示屏通用规范》中对《失控的像素是呈离散分布》的要求 进行了量化,方便直观。像素失控率等级由低到高分为A、B、C三级,如表2所示。

    显 示屏所用的LED管有几万个,像素间隔有6、12、16mm等不同的间距。按照12mm的间距计算,每平方米约有7,000个LED管,按照6平方米来计 算,一个屏也有4万多个LED管,所以确保所有的LED管都不出现故障也不现实。检测中发现,新屏不会出现像素失控,使用一段时间后出现的概率大大增加。 依据SJ/T11141-2003《LED显示屏通用规范》5.7.1条像素失控率指标要求,室内LED显示屏像素失控率应不大于万分之三,室外LED显 示屏像素失控率应不大于千分之二,且为离散分布。

    LED显示屏在出厂前均会进行老化检测,对失控像素的LED管会维修更换,“整屏像素失控率”控制在3/104之内、“区域像素失控率”控制在2/103 之内是没问题的,甚至有的厂家的企业标准要求出厂前不允许出现失控像素。实际上在不同的应用场合下,像素失控率的实际要求可以有些差别,一般来说,LED 显示屏用于视频播放,指标要求控制在1/104之内较为理想;若用于简单的字符信息发布,指标要求控制在2/104之内较为合适,也是可以达到的。目前多 数情况下都要求显示屏既能信息发布、又可以视频播放。生产企业的指标要求高于国家标准,对提高LED显示屏的质量大有帮助。

    对检测结果进行分析,我们发现造成显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”,主要表现为盲点和常亮点失效。LED管失效原因可分为 两个方面:一是LED管自身品质不佳;二是显示屏生产过程中工艺方法控制不当。失效的最大诱因是静电放电引起,静电放电导致LED管失效的机理非常复杂, 设备、工具、人体等均有可能带有静电并对其放电,这种静电少则几百伏,高则上万伏。显示屏生产过程中LED管失效,多数是LED-PN结被静电放电击穿所 致。目前国际上大致定义了三种静电放电模式,主要分为人体放电模式(HBM)、机器放电模式(MM)和器件充电模式。由于人体静电损伤造成器件失效的比例 最大,所以人体放电模式成为半导体最常用的ESD测试方法。我国静电放电试验标准GJB1649-93《电子产品防静电放电控制大纲》附录A规定了静电放 电敏感度分级试验,元器件的静电放电敏感度(ESDS)分为四个等级:1级为500V;2级为1,000V;3级为2,000V;4级为4,000V.因 为静电电压有时会达到几千伏甚至上万伏,在显示屏制造过程中防不胜防,因此,LED管静电放电敏感度应选择3级或以上较合适,而且静电防护必须贯穿生产全 过程。除了在受到静电放电、工作电流过高、外部强力等不当使用外,部分LED管失效是在高温、低温、温度循环变化等恶劣环境条件下,由于LED芯片、使用 的原材料和生产工艺的不一致引起的。所以,做好防静电、严格控制生产工艺是保证显示屏产品质量的重要手段。

    4、环境防护与安全要求

    由于显示屏可应用在不同场合,所以对显示屏也有一定的安全要求。标准规定的主要安全指标有接地、对地漏电流、抗电强度、温升四个指标。其中对地漏电流和抗 电强度是最重要的安全指标。SJ/T11141-2003《LED显示屏通用规范》5.4条规定,标准要求在1.1倍额定电源电压下,显示屏的对地漏电流 不得超过3.5mA;抗电强度在电源开关处于接通位置,应能耐受1,500V,1min的试验电压而不发生绝缘击穿。

    LED室外显示屏的用量比室内屏用量高得多,室内显示屏对环境适应性的要求较低,室外显示屏对环境适应性的要求则高得多。由于不同的地区,环境也不一样, 室外显示屏应能耐受恶劣环境的长期影响,即能抗风、抗雨、抗震,还要求在高低温环境下也能正常使用。上述各类环境因素都会使LED显示屏原有封闭结构遭受 不同程度的损坏,雨水和灰尘渗漏又会使内部电路遭受损坏,如雨水和灰尘在电的作用下对铜箔的腐蚀,产生的潮湿对电阻和LED管引线的锈蚀等。所以,室外显 示屏的防水性能显得极为重要。

    SJ/T11141-2003《LED显示屏通用规范》标准规定,显示屏产品的环境适应性有高温负荷试验、低温负荷试验、高温贮存试验、低温贮存试验、湿 热负荷试验、恒定湿热试验、振动试验和运输试验。我们在检验过程中发现,对于室内屏,标准规定的项目对考核产品质量已足够。产品对温度循环的适应性较好, 较少出现达不到标准要求的情况,究其原因主要是现在的各类电子元器件总体水平较高,能够适应高低温工作条件。但是对室外屏,外壳防护等级与湿热负荷、恒定 湿热试验对产品要求较为严格。外壳防护等级一般规定的是IP等级,标准要求室内屏不低于IP20、室外屏不低于IP33.检测中发现,湿热实验和外壳防护 等级是对产品安全性能影响最大的,室外屏防护等级规定的IP33我们觉得偏低,室外屏防护等级要达到IP65才合适。由于湿热气体能渗入产品内部,雨水能 侵入产品,造成导电体之间漏电通路,零部件吸潮使绝缘电阻降低,产品不能正常工作,隔离耐压能力下降,对地漏电流、抗电强度等安全性能指标不符合要求。对 于应用于人流量大、环境复杂场所的显示屏,特别要注意安全性能是否符合要求。

    5、结论

    LED显示屏目前主要应用于发布媒体广告、交通信息等多人驻足观看的场所,有些地方的显示还必须使用LED显示屏才能满足要求。LED显示屏各项技术的不 断进步,使显示效果良好,应用领域越来越大。由于LED管参数的离散性,生产制作出来的LED显示屏还不能令人十分满意,特别是室外显示屏,经过一定时间 的使用,恶劣的环境因素对产品影响很大,显示效果下降趋势明显。为确保LED显示屏的可靠性,提高产品质量,我们认为,一是生产厂商应采购质量性能优越的 LED管,亮度高、视角大、光衰小;二是必须对LED管进行筛选,使LED管各项指标参数尽可能一致;三是生产中严格控制工艺流程,做好静电防护工作;四 是加强产品的防水抗震等保障措施,使其在整个产品寿命期内达到要求。由于LED显示屏使用环境的特殊性,维修更换器件成本不低,只有通过不断提高LED管 和电子控制组件的产品质量,才能确保LED显示屏质量可靠、实用、耐久。

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