چگونه نمایشگرهای LED کار می‌کنند و ساخته می‌شوند: فناوری توضیح داده شده

علم پشت عملکرد نمایشگر LED

اصل بنیادی انتشار نور در نمایشگرهای LED

نمایشگرهای LED با استفاده از پدیده‌ای به نام الکترولومینسانس کار می‌کنند. در واقع، این بدان معناست که هنگامی که جریان برق از مواد نیمهرسانای خاصی درون نمایشگر عبور می‌کند، این مواد خودشان نور تولید می‌کنند. تفاوت بزرگ با صفحه‌های LCD این است که نمایشگرهای LCD به یک منبع نور پس‌زمینهٔ جداگانه نیاز دارند، در حالی که هر دیود نوردهنده (LED) در این نمایشگرها نور خود را تولید می‌کند. به همین دلیل برخی از مدل‌های پریمیوم می‌توانند به سطح روشنایی حدود ۱۰٬۰۰۰ نیت برسند که طبق تحقیقات DisplayMate در سال گذشته، آن‌ها را حتی در زیر نور مستقیم خورشید بسیار قابل مشاهده می‌کند. مزیت دیگری نیز از همین روش تابش خودمانی حاصل می‌شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که نمایشگرهای LED معمولاً حدود ۴۰ درصد انرژی کمتری نسبت به فناوری معمولی LCD مصرف می‌کنند. علاوه بر این، این نمایشگرها رنگ‌ها را بسیار بهتر مدیریت می‌کنند و تقریباً تمام فضای رنگی معروف به DCI-P3 را پوشش می‌دهند که باعث می‌شود تصاویر در دستگاه‌ها و محیط‌های مختلف، شاداب‌تر و واقع‌گونه‌تر به نظر برسند.

چگونه پیکسل‌ها و زیرپیکسل‌ها تصاویر قابل مشاهده ایجاد می‌کنند

صفحه‌های ال‌ای‌دی مدرن، تصاویر را از طریق گروه‌های ریز سوبپیکسل‌های RGB (قرمز، سبز، آبی) که هر پیکسلی که می‌بینیم را تشکیل می‌دهند، ایجاد می‌کنند. وقتی تولیدکنندگان با استفاده از روشی به نام مدولاسیون عرض پالس (PWM)، شدت نور هر سوبپیکسل را به صورت جداگانه تنظیم می‌کنند، توانایی نمایش حدود ۱۶٫۷ میلیون رنگ مختلف را روی صفحه دارند. صفحه‌های واقعاً پیشرفته حتی فراتر می‌روند و از فناوری میکرو ال‌ای‌دی استفاده می‌کنند که در آن فاصله بین پیکسل‌ها به کمتر از ۱ میلی‌متر می‌رسد. این پنل‌های پیشرفته رزولوشن ۴K را ارائه می‌دهند اما تقریباً سه برابر تعداد پیکسل در واحد سطح نسبت به صفحه‌های OLED معمولی را فشرده می‌کنند، بر اساس داده‌های ارائه شده در کنفرانس SID در سال ۲۰۲۳.

نقش مواد نیمهرسانا در عملکرد نمایشگرهای ال‌ای‌دی

نیترید گالیوم (GaN) و نیترید ایندیوم گالیوم (InGaN) ترکیبات اصلی نیمهرسانا هستند که در ساخت ال‌ای‌دی استفاده می‌شوند. این مواد امکانات زیر را فراهم می‌کنند:

• دقت موج‌طولی : تحمل ±۲ نانومتر برای خروجی رنگی یکنواخت
• پایداری حرارتی : عملکرد قابل اعتماد تا ۱۲۵°C
• طول عمر : تا ۱۰۰٬۰۰۰ ساعت عمر مفید عملیاتی به دلیل کاهش نشت الکترون (هفته نیمهرساناهای ترکیبی 2024)

ساختار چاه کوانتومی آنها به‌طور مستقیم انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می‌کند و بازده نوری ۸۵٪ بالاتری نسبت به راه‌حل‌های مبتنی بر فسفر دارد.

مقایسه فناوری نمایشگر LED با LCD و OLED

منبع داده: مرجع فناوری نمایش 2023

فناوری LED در روشنایی، کنتراست و بازده انرژی از LCD پیشی می‌گیرد و همچنین از مشکل حساسیت OLED به سوختگی جلوگیری می‌کند. طراحی ماژولار آن قابلیت مقیاس‌پذیری بدون وقفه را فراهم می‌کند — از دستگاه‌های پوشیدنی تا دیوارهای ویدئویی بزرگ ورزشگاه‌ها — و تأخیر در تمام پیکربندی‌ها زیر 2 میلی‌ثانیه حفظ می‌شود (استانداردهای پخش SMPTE 2024).

مواد و اجزای کلیدی در سیستم‌های نمایش LED

مواد نیمهرسانای اصلی: نیترید گالیوم و نیترید ایندیوم گالیوم

نیترید گالیم، که به اختصار GaN نامیده می‌شود، اساساً همان چیزی است که تولید دیودهای نوری آبی را ممکن می‌سازد. با مخلوط کردن آن با ایندیوم و ایجاد آلیاژهای InGaN، تولیدکنندگان می‌توانند مقدار نور تابش شده در طول‌موج‌های مختلف را تنظیم کنند؛ بدین ترتیب ما شاهد رنگ‌های سبز و فیروزه‌ای زیبایی خواهیم بود. آنچه واقعاً در مورد این مواد نیمه‌هادی قابل توجه است، توانایی آنها در تبدیل مستقیم جریان الکتریکی به ذرات نور درون چاه‌های کوانتومی بسیار ریز است. با بررسی آخرین ارقام صنعت، دیودهای نوری مبتنی بر GaN اکنون نرخ عیبی کمتر از ۱۰۰ عدد در هر سانتی‌متر مربع نشان می‌دهند. این تعداد پایین از نقص‌ها توضیح می‌دهد که چرا نمایشگرهای بزرگ LED از نظر رنگ در تمام سطح خود بسیار یکنواخت به نظر می‌رسند.

بردهای مدار چاپی و مدیریت حرارت در طراحی نمایشگرهای LED

بردهای مدار چاپی چندلایه‌ای که در نمایشگرهای LED استفاده می‌شوند، نقش بسیار مهمی در حفظ اتصال الکتریکی تمام اجزا و همچنین مدیریت تجمع حرارت دارند. این برد معمولاً از ماده زیرلایه FR4 با فرکانس بالا به همراه لایه‌های مسی با وزن حدود 2 اونس استفاده می‌کنند. این ترکیب به حفظ یکپارچگی سیگنال لازم برای عمق رنگ غنی 16 بیتی که در صفحه‌های مدرن مشاهده می‌کنیم کمک می‌کند. در زمینه مدیریت حرارتی، سازندگان اغلب هسته‌های آلومینیومی را به کار می‌برند که قادر به پراکندن گرما در نرخی نزدیک به 15 وات بر سانتی‌متر مربع هستند. هنگامی که این سیستم‌ها با راهکارهای خنک‌کنندگی فعال همراه شوند، نه اینکه تنها به روش‌های غیرفعال متکی باشند، دمای کارکرد حدود 40 درصد کاهش می‌یابد؛ بدین معنا که این نمایشگرها قبل از نیاز به تعویض، معمولاً بیش از 70 هزار ساعت عمر می‌کنند. همچنین مدارهای ایمنیِ ذخیره‌ای (فیل-سِیفتی) نیز در آن‌ها تعبیه شده تا عملکرد منظم حفظ شود و اطمینان حاصل گردد که خرابی پیکسل‌ها در کاربردهای واقعی بسیار نادر باشد و کمتر از یک مورد در هر ده هزار پیکسل رخ دهد.

فرآیند تولید مرحله‌به‌مرحله نمایشگر LED

ساخت وافل: پایه‌گذاری تولید تراشه LED

فرآیند تولید با استفاده از وافل‌های نیمه‌هادی سапفایر یا سیلیکونی آغاز می‌شود که معمولاً قطری در حدود 4 تا 8 اینچ دارند. این وافل‌ها باید پس از پولیش بسیار صاف، تقریباً اتمی و بدون ناهمواری باشند. در مرحله بعد، فرآیند لیتوگرافی نوری همراه با برخی تکنیک‌های خوردگی شیمیایی انجام می‌شود که ساختار پیکسل‌های ریز را بر روی سطح ایجاد می‌کند. این مرحله در واقع پایه‌ای را ایجاد می‌کند که بعدها تعیین‌کننده خواص نوری و رفتار الکتریکی خواهد بود. تحقیقات انجام‌شده در یک مقاله علمی مواد منتشرشده در سال 2023 یافته جالبی داشته است — زمانی که ناهمواری سطح وافل کمتر از 5 نانومتر باشد، بازدهی تولید نور حدود 18 درصد بهتر از سطوح زبرتر است.

رشد اپی‌تاکسیال و تکنیک‌های دوپینگ برای افزایش بازدهی LED

فرآیند رشد لایه‌های بلوری از طریق رسوب بخار شیمیایی فلزات آلی (MOCVD) معمولاً در دماهای بسیار بالا، حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد تا حدود ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. این شرایط، اتصالات p-n لازم برای امکان نورتابی الکتریکی را ایجاد می‌کند. در مورد کنترل دقیق خروجی رنگ، تولیدکنندگان به‌طور دقیق عناصر خاصی را در حین تولید وارد می‌کنند. منیزیم معمولاً زمانی استفاده می‌شود که انتشار نور آبی مد نظر باشد، در حالی که بریلیوم برای نسخه‌های فرابنفش عملکرد بهتری دارد. این افزودن دقیق باعث می‌شود دقت طول موج بسیار خوبی حفظ شود، معمولاً در محدوده مثبت و منفی ۲ نانومتر. بهبودهای اخیر در ساختارهای چاه کوانتومی چندگانه (multi quantum well) پیشرفت‌های بیشتری را فراهم کرده است. برخی از مدل‌های آزمایشگاهی اکنون به راندمان قابل توجهی معادل ۲۲۰ لومن بر وات دست یافته‌اند که طبق گزارش سال گذشته تولید نیمه‌هادی‌ها این چنین است.

برش، آزمایش و دسته‌بندی تراشه برای عملکرد یکنواخت

پس از رشد اپی‌تاکسیال، ویفرها با استفاده از تیغ‌های الماسی به تراشه‌های LED فردی (0.1–2.0 mm²) برش داده می‌شوند. هر تراشه مورد آزمایش خودکار برای موارد زیر قرار می‌گیرد:

• یکنواختی روشنایی (تحمل ±5%)
• ولتاژ مستقیم (محدوده 2.8V–3.4V)
• مختصات رنگی (ΔE < 0.005 برای سطل‌های درجه بالا)
  دسته‌بندی تحت کنترل بینایی ماشین دقت 98.7% بازدهی دارد و انسجام را در سرتاسر دسته‌های تولیدی تضمین می‌کند (معیارهای صنعتی 2023).

فناوری نصب سطحی (SMT) در مونتاژ نمایشگرهای LED

سیستم‌های رباتیک پیک‌آندپلیس تراشه‌های LED را با سرعتی بیش از 30,000 قطعه در ساعت روی برد مدار چاپی (PCB) نصب می‌کنند. لحیم‌کاری عبوری اتصالاتی با دقت ترازبندی زیر 10 میکرومتر ایجاد می‌کند، در حالی که دستگاه SPI سه‌بعدی (بررسی خمیر لحیم) نقص‌ها را با وضوح 15 میکرومتر تشخیص می‌دهد. اتوماسیون SMT هزینه مونتاژ را نسبت به روش‌های دستی باندینگ سیمی 40٪ کاهش می‌دهد (تحلیل تولید 2024).

مونتاژ پنل‌های نمایشگر LED ماژولار برای کاربردهای تجاری

ساختار ماژولار و ملاحظات گام پیکسلی در چیدمان نمایشگر LED

اکثر صفحه‌های تجاری LED با استفاده از پنل‌های ماژولار ساخته می‌شوند که معمولاً به اندازه حدود ۵۰۰ در ۵۰۰ میلی‌متر تا ۱۰۰۰ در ۱۰۰۰ میلی‌متر هستند و بدون شکاف در کنار هم قرار می‌گیرند. اصطلاح «پیچ پیکسل» به فاصله بین دیودهای نوری فرد اشاره دارد که معمولاً از حدود ۱٫۵ میلی‌متر تا ۱۰ میلی‌متر متغیر است. این اندازه در واقع دو چیز را مشخص می‌کند: وضوح تصویر و فاصله‌ای که بیننده باید برای دیدن واضح آن در آن باشد. نمایشگرهایی با پیچ پیکسل بسیار کوچک، یعنی هر چیزی زیر ۲٫۵ میلی‌متر، زمانی که بینندگان در نزدیکی آن قرار دارند عملکرد بهتری دارند، مانند مراکز کنترل یا استودیوهای پخش زنده. از سوی دیگر، پیچ‌های پیکسل بزرگ‌تر ترکیب بهتری از قیمت و عملکرد برای مکان‌هایی فراهم می‌کنند که مردم از فاصله دور تماشا می‌کنند، مانند ورزشگاه‌ها یا محل‌های برگزاری کنسرت.

ادغام کابینت و توزیع برق در سیستم‌های بزرگ LED

کابینت‌های مدرن آلیاژ آلومینیوم تمامی قطعات ضروری از جمله پنل‌های ماژولار، منابع تغذیه، واحدهای پردازش و مکانیزم‌های خنک‌کننده را در خود جای داده‌اند. بیشتر کابینت‌هایی که ابعادی حدود ۹۶۰ در ۹۶۰ میلی‌متر دارند، قادر به جایگاه‌دهی بین هشت تا دوازده پنل هستند و در عین حال سطح صدای عملیاتی را زیر آستانه ۶۵ دسی‌بل نگه می‌دارند. یکی از ویژگی‌های هوشمندانه قابل توجه، طراحی مدار موازی برق است که به تکنسین‌ها اجازه می‌دهد بدون نیاز به خاموش کردن کامل سیستم، کارهای نگهداری را روی بخش‌هایی از سیستم انجام دهند؛ که البته این امر قابلیت اطمینان این سیستم‌ها را در عمل بسیار افزایش می‌دهد. از نظر مدیریت حرارت، مدل‌های جدید راهکارهای پیشرفته حرارتی را به کار می‌گیرند که بر اساس تحقیقات اخیر در سال ۲۰۲۴، نرخ پراکندگی گرما را حدود ۱۵ تا ۲۵ درصد افزایش می‌دهند. این بهبود منجر به عمر طولانی‌تر قطعات می‌شود و برخی گزارش‌ها نشان می‌دهند که طول عمر قطعات می‌تواند تا ۳۰ درصد افزایش یابد.

تعادل بین ال‌ای‌دی‌های فاصله کوچک و کارایی هزینه در کاربردهای واقعی

ماژول‌های با گیت 0.9 میلی‌متری وضوح شگفت‌انگیز 4K را زمانی که از فاصله حدود 3 متری مشاهده شوند، فراهم می‌کنند، اما بیایید صادق باشیم، با قیمت 1200 دلار در هر متر مربع، اکثر کسب‌وکارها نمی‌توانند به سادگی آنها را تقبل کنند. به همین دلیل طبق آخرین گزارش اقتصاد نمایشگر در سال 2024، حدود 78 درصد از شرکت‌ها به جای آن به سمت راه‌حل‌های ترکیبی حرکت می‌کنند. آنچه این شرکت‌ها انجام می‌دهند این است که ماژول‌های با وضوح بالا از نوع P2.5 تا P3 را در مناطقی که مردم مستقیماً به نمایشگر نگاه می‌کنند استفاده می‌کنند، در حالی که از پنل‌های ارزان‌تر P4 تا P6 در گوشه‌ها و کناره‌ها بهره می‌برند. این رویکرد هزینه‌ها را تقریباً 40 درصد کاهش می‌دهد بدون اینکه کسی تفاوتی در کیفیت تصویر متوجه شود. و جالب اینجاست که این ترفند کاهش هزینه اکنون تقریباً استاندارد شده و در حدود دو سوم از تمام نصب‌های نمایشگرهای دیجیتالی که امروزه در فروشگاه‌ها و مراکز حمل و نقل مشاهده می‌کنیم، دیده می‌شود.

الکترونیک راننده و سیستم‌های کنترل در نمایشگرهای مدرن LED

نحوه تنظیم ICهای درایور روشنایی و دقت رنگ در پیکسل‌های LED

مدارهای درایور در نمایشگرهای مدرن، جریان ثابتی را به هر زیرپیکسل ارسال می‌کنند که این امر به کاهش مشکلات ناشی از تغییرات ولتاژ و نوسانات دما کمک می‌کند که ممکن است بر روی رنگ‌ها تأثیر بگذارند. این تراشه‌ها سرعت بالایی نیز دارند و قادر به پردازش سیگنال‌ها در حدود 25 مگاهرتز هستند و از 16 بیت خاکستری پشتیبانی می‌کنند. این بدان معناست که آنها می‌توانند تقریباً 281 تریلیون ترکیب رنگی مختلف تولید کنند و کیفیت بصری غنی‌ای را برای صفحه‌نمایش فراهم کنند. مهم‌تر از همه، کالیبراسیون خودکار داخلی باعث می‌شود که رنگ‌ها حتی پس از سال‌ها استفاده نیز به درستی حفظ شوند. استانداردهای صنعتی این موضوع را به صورت دلتای E کمتر از 3 اندازه‌گیری می‌کنند که در عمل به این معناست که طی تمام عمر نمایشگر، که اغلب به مدت بیش از 50,000 ساعت کارکرد دوام دارد، هیچ‌کس تغییری در دقت رنگی آن متوجه نخواهد شد.

پردازش سیگنال و نرخ نوسازی در نمایشگرهای LED با عملکرد بالا

نمایشگرهای LED درجه‌یک سیگنال‌های 12G-SDI را با نرخ نوسازی بالاتر از 3840 هرتز پردازش می‌کنند و باعث حذف تاری حرکت در محتوای پویا می‌شوند. دیترینگ زمانی عمق بیت ظاهری را بدون افزایش تقاضای پهنای باند بهبود می‌بخشد. معماری‌های پردازش توزیع‌شده بیش از 2000 ماژول را با اختلاف کمتر از 0.01 درجه در زمان‌بندی همگام‌سازی می‌کنند و هم‌ترازی بی‌نقص در دیوارهای ویدئویی گسترده را تضمین می‌کنند.

مدیریت تعادل بین نیازهای وضوح و مصرف توان

پشتیبانی از 33 میلیون دیود نوردهی فردی در یک نمایشگر 4K چالش‌های قابل توجهی از نظر توان مطرح می‌کند. مهندسان این چالش را از طریق سه استراتژی کلیدی برطرف می‌کنند:

1. مقیاس‌بندی ولتاژ پویا که توان مصرفی در مناطق غیرفعال صفحه نمایش را کاهش می‌دهد
2. تکنیک‌های رندرینگ ساب‌پیکسل که با 25 درصد دیود نوردهی فیزیکی کمتر، تیزی ظاهری را حفظ می‌کنند
3. توپولوژی‌های ترکیبی توان که شامل تنظیم متمرکز و توزیع‌شده هستند

این نوآوری‌ها امکان این را فراهم می‌کنند که نمایشگرهای با گام 2.5 میلی‌متری در روشنایی 800 نیت و با مصرفی کمتر از 450 وات بر متر مربع کار کنند — بهبودی 40 درصدی نسبت به طراحی‌های قبلی (معیارهای مهندسی نمایشگر در سال 2023).

‫سوالات متداول‬

الکترولومینسانس در فناوری LED چیست؟

الکترولومینسانس اصلی است که در آن مواد نیمه‌هادی هنگام عبور جریان برق، نور تولید می‌کنند و به هر LED در یک نمایشگر اجازه می‌دهد بدون نیاز به نور پس‌زمینهٔ جداگانه، نور خود را تولید کند.

زیرپیکسل‌های RGB در نمایشگرهای LED چگونه کار می‌کنند؟

زیرپیکسل‌های RGB در نمایشگرهای LED با ترکیب نورهای قرمز، سبز و آبی در شدت‌های مختلف، طیف گسترده‌ای از رنگ‌ها را ایجاد می‌کنند و امکان تولید 16.7 میلیون تنوع رنگ را فراهم می‌آورند.

چرا GaN و InGaN در نمایشگرهای LED مهم هستند؟

GaN و InGaN مواد نیمه‌هادی حیاتی هستند که کنترل دقیق طول موج، پایداری حرارتی عالی و عمر عملیاتی طولانی را در نمایشگرهای LED فراهم می‌کنند.

مزایای نمایشگرهای LED در مقایسه با LCD و OLED چیست؟

نمایشگره‏های LED نسبت به نمایشگرهای LCD و OLED، روشنایی و کنتراست بهتری دارند، مصرف انرژی کمتری دارند و عمر طولانی‌تری دارند و همچنین خطر سوختگی (burn-in) مرتبط با OLEDها را ندارند.

فاصله پیکسلی چگونه بر کیفیت نمایشگر LED تأثیر می‌گذارد؟

گام پیکسل تعیین‌کننده وضوح تصویر و فاصله دید بهینه است، به‌طوری که گام‌های کوچک‌تر برای تماشای از فاصله نزدیک و گام‌های بزرگ‌تر برای تماشای از فاصله دور مناسب هستند.

مدارهای راه‌انداز (Driver ICs) در نمایشگرهای LED چه نقشی دارند؟

مدارهای راه‌انداز جریان الکتریکی هر زیرپیکسل را تنظیم می‌کنند و از این طریق دقت رنگی و روشنایی یکنواخت را علی‌رغم نوسانات ولتاژ و تغییرات دما حفظ می‌کنند.