高清LED显示屏与全彩LED显示屏之间的技术差异分析

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。

1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，10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：

1）可以通过多个模块拼接实现很大设计尺寸；

2）可动态播放3D等各种格式的视频信息；

3）成像效果细腻逼真；

4）同等尺寸下更加节能环保；

5）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LED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：

1）2018年小间距高分辨率LED显示屏（简称高清LED显示屏）的国内市场规模将达到100亿人民币。

2）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。

3）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。

LED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。

2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：

2.1LED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：较早的单基色LED灯珠的规格为3535（尺寸：3.5mm×3.5mm）和2121（尺寸：2.1mm×2.1mm），三基色LED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×0.8mm）或0606（尺寸：0.6mm×0.6mm）规格的LED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LED灯珠。要生产更小尺寸的LED灯珠，就必须缩小LED芯片的表面积。目前小间距芯片较常见的表面积有30mil2、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，LED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：

1）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。

2）芯片电很的限制

目前较小芯片电很（焊线）的直径只能达到45μm，再细的电很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，两很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。

3）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。

2.2LED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LED灯珠类型有不同的角度值，LED灯珠的视角决定了LED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显示屏追求观众的良好视觉，对视角范围做出了严格的规定，只有掌握LED灯珠的类型才能继续后续的工程验收。

2.3LED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LED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LED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：1）优化外延方向，降低线性工作区下限；2）优化芯片分光，筛选不同特性芯片。高清LED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。

2.4LED灯珠的可靠性和失效率指标

LED显示屏被经常诟病的一个技术指标就是“LED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，1m2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。

2.5LED灯珠亮度衰减特性指标

LED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3。

LED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显示屏较大的短板，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5%之内。

2.6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，长时间以较高亮度运行，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×1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LED显示屏由于单粒LED灯珠的亮度较大，借用GB21520-2015《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，Methodsofmeasurementforthepowerconsumptionofaudio,videoandrelatedequipment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10min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）/1000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×Honn+Poff×Hoff）/1000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Honw为8h，夜晚工作时间Honn为5h，关闭时间Hoff为11h。

3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LED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很越全彩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，佳恒武汉LED显示屏厂家提出了适用于高清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。

4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LED显示屏技术肯定还有很多提升的空间，但是高清LED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很越全彩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。