关于LED显示屏质量提升的探讨
编辑：新雨 [ 2010-6-24 16:06:32 ] 文章来源：LED大屏网
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/T 11141-2003《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。
由于显示屏所用的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/T 11141-2003《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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