กระบวนการผลิตจอแสดงผล LED: ขั้นตอนการผลิตและเทคโนโลยีที่อธิบายไว้

จอแสดงผลดิจิทัล LED คืออะไร? คำจำกัดความหลักและข้อได้เปรียบของจอแบบปล่อยแสงเอง

จอแสดงผลดิจิทัล LED เทียบกับ LCD/OLED: สถาปัตยกรรมพื้นฐานและการสร้างแสง

หน้าจอดิจิทัล LED ทำงานต่างจากเทคโนโลยีการแสดงผลอื่นๆ ส่วนใหญ่ เพราะพิกเซลขนาดเล็กแต่ละจุดสร้างแสงของตัวเองขึ้นมาผ่านส่วนประกอบกึ่งตัวนำขนาดเล็ก แผง LCD แบบดั้งเดิมจำเป็นต้องใช้ชั้นผลึกเหลวพิเศษรวมถึงการให้แสงสว่างจากไฟ LED แยกต่างหากด้านหลัง เพื่อควบคุมสิ่งที่เรามองเห็น OLED เทคโนโลยีก็สามารถสร้างแสงได้ในตัวเช่นกัน แต่จะใช้วัสดุอินทรีย์แทนวัสดุอนินทรีย์ที่พบใน LED มาตรฐาน เช่น อินเดียม-แกลเลียม-ไนไตรด์ หรือ อลูมิเนียม-อินเดียม-แกลเลียม-ฟอสไฟด์ วิธีการสร้างหน้าจอ LED เหล่านี้ทำให้มีข้อได้เปรียบอย่างมาก สามารถเข้าถึงระดับความสว่างสูงมากประมาณ 10,000 นิตสำหรับการใช้งานกลางแจ้ง รักษาระดับความชัดเจนได้ดีแม้มองจากมุมเอียงเกิน 160 องศา และโดยทั่วไปสามารถคงความสว่างไว้ได้อย่างสม่ำเสมอตลอดอายุการใช้งาน โดยไม่จางหายเร็วเท่ากับตัวเลือกอื่นๆ

หลักการทำงานแบบปล่อยแสงในตัว: พิกเซล RGB LED สร้างแสงโดยไม่ต้องใช้แบ็คไลท์หรือตัวกรอง

ซับพิกเซล RGB ทำงานเหมือนหลอดไฟขนาดเล็กของตัวเอง เกิดปรากฏการณ์อันน่าอัศจรรย์เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านบริเวณข้อต่อพิเศษของไดโอด อิเล็กตรอนจะมาบรรจบกับช่องว่าง (holes) ที่บริเวณนี้ และสร้างอนุภาคแสงที่เรียกว่า โฟตอน ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า การเรืองแสงด้วยกระแสไฟฟ้า (electroluminescence) สิ่งที่ทำให้โครงสร้างนี้ยอดเยี่ยมคือ ไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมอย่างเช่น แบ็คไลท์ โพลาร์ไรเซอร์ หรือตัวกรองสี ซึ่งจอแสดงผลชนิดอื่นๆ จำเป็นต้องใช้ นั่นหมายความว่าหน้าจอนี้สามารถควบคุมพิกเซลแต่ละตัวได้อย่างอิสระ เราจึงได้ระดับสีดำที่ลึกยิ่งขึ้น เพราะพิกเซลสามารถปิดได้สมบูรณ์ นอกจากนี้สีสันยังคงความแม่นยำ เนื่องจากไม่มีตัวกรองใดๆ มาบิดเบือน ส่งผลให้คุณภาพภาพโดยรวมดีกว่าเทคโนโลยีหน้าจอแบบดั้งเดิมอย่างมาก

กระบวนการผลิตจอแสดงผล LED: จากเวเฟอร์สารกึ่งตัวนำถึงโมดูลแบบบูรณาการ

การผลิตชิป LED: การเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กซี่ การประมวลผลเวเฟอร์ และการคัดแยกได

กระบวนการผลิตเริ่มต้นด้วยสิ่งที่เรียกว่าการเติบโตแบบเอพิเท็กซีด้วยวิธีการตกตะกอนฟิล์มบางจากสารประกอบทางเคมีเชิงอินทรีย์ของโลหะ หรือย่อว่า MOCVD ซึ่งดำเนินการบนวัสดุพื้นฐานที่เป็นแซฟไฟร์หรือซิลิคอนคาร์ไบด์ เพื่อสร้างชั้นผลึกที่จะกำหนดว่าเราจะได้แสงสีแดงจากวัสดุ AlInGaP โทนสีเขียว หรือการปล่อยแสงสีน้ำเงินเฉพาะตัวของสารประกอบ InGaN ต่อมาเป็นขั้นตอนโฟโตลิโธกราฟีร่วมกับเทคนิคการกัดเซาะด้วยพลาสมา เพื่อสร้างลวดลายวงจรขนาดเล็กในระดับไมครอน จากนั้นเป็นขั้นตอนการโดปปิง ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพในการรวมตัวของพาหะภายในวัสดุ เมื่อทุกอย่างถูกตัดแยกเป็นหน่วยเดี่ยวๆ ระบบอัตโนมัติจะตรวจสอบชิปไมโคร LED แต่ละตัวเพื่อประเมินระดับความสว่างและความสม่ำเสมอของความยาวคลื่น โดยมีเพียงชิปที่อยู่ในช่วงยอมรับสีที่เข้มงวด ±2 นาโนเมตรเท่านั้นที่จะผ่านการตรวจสอบคุณภาพ ขั้นตอนการคัดกรองนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะหากมีชิปใดหลุดรอดไปแม้เพียงชิปเดียวที่ให้แสงผิดเพี้ยน ก็อาจทำให้เกิดความไม่สม่ำเสมอที่มองเห็นได้เมื่อชิ้นส่วนเหล่านี้ถูกประกอบเข้าไปในโมดูลจอแสดงผลขนาดใหญ่ในขั้นตอนถัดไป

บรรจุภัณฑ์และการประกอบ: การครองตลาดของ SMD, การออกแบบด้านความร้อน และการปรับเทียบอัตโนมัติ

การบรรจุภัณฑ์แบบ SMD ยังคงครองตลาดต่อไป เนื่องจากสามารถขยายการผลิตได้ดีและจัดการปัญหาความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ การผลิตในยุคปัจจุบันพึ่งพาเครื่องจักรวางชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งสามารถวางชิป LED บนวัสดุเซรามิกหรือ FR4 ได้อย่างแม่นยำระดับไมครอน เพื่อให้การทำงานราบรื่น ผู้ผลิตมักใช้แผ่นวงจรพิมพ์ที่มีแกนอลูมิเนียมร่วมกับแผ่นรองถ่ายเทความร้อนพิเศษ เพื่อควบคุมอุณหภูมิในการทำงานให้อยู่ในระดับต่ำกว่า 85 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากในการรักษาระดับแสงสว่างให้คงที่ตามเวลาที่ใช้งาน เมื่อประกอบทุกอย่างเสร็จแล้ว จะมีขั้นตอนเพิ่มเติมโดยระบบอัตโนมัติจะตรวจสอบคุณสมบัติด้านสีของแต่ละชิ้น LED และปรับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านแบบเรียลไทม์ ซึ่งจะทำให้มั่นใจได้ว่าสีจะสม่ำเสมอทั่วทั้งหน่วยผลิต ไม่มีใครพบความแตกต่างที่สังเกตเห็นได้ในเรื่องความสว่างหรือเฉดสีระหว่าง LED ที่อยู่ติดกัน

การรวมตู้: วิศวกรรมโครงสร้าง การจัดจำหน่ายพลังงาน และการปิดผนึกตามระดับ IP

โมดูลเหล่านี้ติดตั้งอยู่ภายในตู้อลูมิเนียมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งมีความทนทานแข็งแรงเพียงพอที่จะรับมือกับสภาพอากาศทุกประเภทที่ธรรมชาติสร้างขึ้น เราใช้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (finite element analysis) เพื่อตรวจสอบความมั่นคงของโครงสร้างเมื่อเผชิญกับลมแรง แม้แต่ลมที่พัดด้วยความเร็วสูงถึง 150 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ระบบจ่ายไฟมีส่วนประกอบสำรองเพื่อให้ระดับแรงดันไฟฟ้าคงที่แทบไม่เกิดการผันผวนในติดตั้งขนาดใหญ่ เมื่อติดตั้งภายนอกอาคาร ตู้เหล่านี้มีค่าการป้องกันระดับ IP65 ด้วยซีลพิเศษที่ทำจากก๊อกเก็ตอัดและวัสดุที่ช่วยสะท้อนน้ำ ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้อนุภาคฝุ่นเข้ามาและหยุดยั้งไม่ให้น้ำซึมเข้าภายใน แม้ในช่วงที่มีพายุฝนตกหนัก ก่อนจัดส่ง ตู้ทุกตู้จะผ่านการทดสอบอย่างเข้มงวดภายใต้สภาวะที่จำลองสภาพแวดล้อมสุดขั้ว ซึ่งรวมถึงช่วงอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตั้งแต่ลบ 30 องศาเซลเซียส ไปจนถึง 60 องศาเซลเซียส และเรายังจุ่มตู้ลงในน้ำทั้งหมดเป็นเวลาหนึ่งวันเต็ม การทดสอบเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ ไม่ว่าจะติดตั้งในสนามกีฬาขนาดใหญ่ ศูนย์กลางการขนส่งที่พลุกพล่าน หรือสถานที่ใดๆ ก็ตามที่อุปกรณ์ต้องทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ แม้ในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย

สถาปัตยกรรมพิกเซลและวิทยาศาสตร์สีของจอแสดงผล LED

การจัดเรียงซับพิกเซล RGB: เรขาคณิตแบบปล่อยแสงโดยตรง ความห่างของพิกเซล และการเพิ่มประสิทธิภาพมุมมอง

พิกเซลประกอบด้วยไดโอดสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินที่แยกจากกัน ซึ่งจัดเรียงในรูปแบบเฉพาะ โดยทั่วไปเป็นรูปหกเหลี่ยม เพื่อให้สามารถผสมแสงได้ดีขึ้นและลดการเปลี่ยนสีที่รบกวนสายตาเมื่อมองจากมุมเอียง ระยะห่างระหว่างพิกเซล หรือที่เรียกว่าพิกเซลพิทช์ (pixel pitch) ซึ่งวัดเป็นมิลลิเมตร มีผลอย่างมากต่อความคมชัดของภาพและความใกล้ชิดที่ผู้ชมจำเป็นต้องอยู่เพื่อให้เห็นภาพอย่างชัดเจน พิจารณาตัวเลขเหล่านี้: จอแสดงผลที่มีค่า P1.2 จะบรรจุพิกเซลประมาณ 694,000 พิกเซลต่อตารางเมตร ในขณะที่รุ่น P4.8 มีเพียงประมาณ 44,000 พิกเซลเท่านั้น เมื่อผู้ผลิตจัดกลุ่มพิกเซลในรูปแบบหกเหลี่ยมแทนสี่เหลี่ยม สีจะคงความสม่ำเสมอแม้ผู้ชมจะไม่ได้มองตรงกลาง ซึ่งเหมาะมากสำหรับผู้ที่นั่งอยู่บริเวณข้างสนามหรือในห้องพักฟุ่มเฟือยที่อยู่ด้านหลัง อีกทั้งยังมีข้อดีคือ ไม่จำเป็นต้องใช้ชั้นวัสดุเพิ่มเติมหรือฟิล์มพิเศษในการแก้ไขปัญหาสี

การอธิบายความถูกต้องของสี: วัสดุกึ่งตัวนำ (InGaN, AlInGaP), การครอบคลุมพื้นที่สี (Gamut Coverage) และความสม่ำเสมอของจุดสีขาว

ความลับของการแสดงสีที่แม่นยำอยู่ลึกภายในวิทยาศาสตร์วัสดุ สำหรับเฉดสีน้ำเงินและเขียว ผู้ผลิตจะใช้ชั้นอินเดียม-แกลเลียม-ไนไตรด์ (InGaN) ในขณะที่สีแดงมาจากการฟอสไฟด์ของอะลูมิเนียม-อินเดียม-แกลเลียม (AlInGaP) วัสดุเหล่านี้ได้รับการคัดเลือกโดยเฉพาะเพราะให้การควบคุมความยาวคลื่นของแสงได้อย่างแม่นยำ และรักษาคุณภาพของสีให้บริสุทธิ์ สะอาด เมื่อทำอย่างถูกต้องด้วยเทคนิคเอพิแทกซี (epitaxy) ที่มีคุณภาพสูง หน้าจอสามารถครอบคลุมพื้นที่สี NTSC ได้สูงถึง 90 ถึง 110 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งมากกว่าหน้าจอ LCD มาตรฐานทั่วไปประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ โรงงานจัดการกับความไม่สม่ำเสมอตามธรรมชาติของวัสดุด้วยกระบวนการปรับเทียบอย่างระมัดระวัง โดยตรวจสอบว่าจุดสีขาวเบี่ยงเบนจากจุดอ้างอิงมาตรฐาน D65 ไปมากน้อยเพียงใด จากนั้นจึงปรับกระแสไฟฟ้าของไดโอดแต่ละตัวแยกกัน เพื่อรักษาระดับความผิดพลาดของสีให้อยู่ต่ำกว่า ΔE<3 ตลอดช่วงสเปกตรัมความสว่าง ซึ่งสามารถสูงได้ถึง 10,000 นิต แม้ในสภาวะแสงแวดล้อมที่สว่างจ้า หน้าจอก็ยังคงรักษาความถูกต้องของสีไว้ได้

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักที่กำหนดคุณภาพของจอแสดงผล LED

ระยะพิกเซล ความละเอียด และระยะการรับชม: แนวทางปฏิบัติสำหรับการเลือกจอแสดงผล LED สำหรับใช้ในร่มและกลางแจ้ง

ขนาดของพิกเซลในหน้าจอมีบทบาทสำคัญต่อความชัดเจนของภาพ และประเภทของการตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุด เมื่อพูดถึงระยะพิกเซลที่เล็กลง ซึ่งมีค่าน้อยกว่า 2.5 มม. จะเหมาะกับการใช้งานในร่ม เช่น ในห้องควบคุม หรือการติดตั้งวิดีโอวอลล์ในร้านค้า โดยหน้าจอเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ที่ดีเมื่อผู้ชมยืนอยู่ในระยะห่างประมาณหนึ่งถึงสิบเมตร แต่ในทางกลับกัน พิกเซลระยะใหญ่ขึ้น เช่น ตั้งแต่ P4 ถึง P10 จะเน้นที่ความสว่างคงที่ ความทนทาน และราคาที่เหมาะสม สำหรับป้ายหรือจอแสดงผลภายนอกอาคาร เช่น ในสนามกีฬา ที่ผู้ชมต้องมองจากระยะไกลมาก บางครั้งเกิน 100 เมตรไปแล้ว มีเทคนิคง่ายๆ ที่สามารถใช้ได้จริง คือ นำค่าระยะพิกเซลที่วัดเป็นมิลลิเมตรมาคูณด้วย 1000 เพื่อคำนวณระยะห่างขั้นต่ำที่ผู้ชมควรอยู่จากหน้าจอโดยไม่เห็นพิกเซลเป็นจุด เช่น จอ P3 ผู้ชมควรอยู่ห่างอย่างน้อยสามเมตร มิฉะนั้นจะมองเห็นภาพเป็นช่องสี่เหลี่ยมเล็กๆ สำหรับการติดตั้งในร่ม ส่วนใหญ่ต้องการความละเอียดสูงกว่า 1920x1080 เพื่อให้ข้อความยังคงอ่านได้ชัดเจน ขณะที่จอภายนอกต้องมีความสว่างมากกว่า 5000 ไนท์ และมีอัตราส่วนคอนทราสต์ที่ดี เพื่อลดผลกระทบจากแสงแดดและแหล่งกำเนิดแสงแวดล้อมอื่นๆ

อัตราการรีเฟรช, ความลึกของสีเทา, และการควบคุม PWM: การรับรองการเคลื่อนไหวที่ไม่กะพริบและวิดีโอคุณภาพระดับการออกอากาศ

อัตราการรีเฟรชที่วัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) กำหนดความคมชัดของภาพเคลื่อนไหวบนหน้าจอ อุปกรณ์แสดงผลที่มีอัตราการรีเฟรสน้อยกว่า 1920Hz มักจะแสดงภาพที่เบลอเมื่อรับชมฉากที่มีการเคลื่อนไหวเร็ว ในขณะที่ระบบที่ใช้ในงานระดับมืออาชีพจำเป็นต้องมีอย่างน้อย 3840Hz เพื่อจัดการกับการถ่ายทอดสดกีฬาหรืองานสตูดิโอโดยไม่มีสัญญาณรบกวนทางภาพ ส่วนความลึกของเฉดสีเทานั้น หมายถึงจำนวนเฉดสีระหว่างดำและขาวที่หน้าจอสามารถแสดงได้ ระบบ 14 บิต ให้ระดับความเข้มประมาณ 16,000 ระดับในแต่ละช่องสี ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีแถบสีปรากฏให้เห็นในพื้นที่ที่มีการเปลี่ยนผ่านจากมืดไปสว่างอย่างค่อยเป็นค่อยไป การปรับความกว้างของสัญญาณพลัส (Pulse Width Modulation) หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า PWM ทำงานโดยการเปิด-ปิดไฟ LED อย่างรวดเร็วเพื่อปรับระดับความสว่าง หากความถี่ต่ำเกินไป เช่น ต่ำกว่า 1000Hz ผู้คนอาจสังเกตเห็นแสงกระพริบซึ่งก่อให้เกิดความไม่สบายตาเมื่อใช้งานเป็นเวลานาน แต่เมื่อผู้ผลิตใช้ความถี่สูงกว่า 3000Hz จะได้ผลการลดความสว่างที่เนียนขึ้น และรองรับเนื้อหา HDR ได้ดีขึ้น สิ่งนี้มีความสำคัญมากในสถานที่ที่คุณภาพของภาพมีความสำคัญอย่างยิ่ง เช่น ศูนย์ถ่ายทอดโทรทัศน์ หรือโรงพยาบาล ที่แพทย์ต้องพึ่งพาข้อมูลภาพที่แม่นยำสำหรับการวินิจฉัย

ส่วน FAQ

พิทช์พิกเซลคืออะไร และทำไมมันถึงสำคัญ

พิทช์พิกเซลหมายถึงระยะห่างระหว่างพิกเซลในจอแสดงผล LED ดิจิทัล ซึ่งวัดเป็นมิลลิเมตร มันส่งผลต่อความคมชัดของภาพและระยะการรับชมที่จำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงการมองเห็นพิกเซลแต่ละตัว พิทช์พิกเซลที่เล็กลงเหมาะสำหรับการใช้งานภายในอาคารที่ผู้ชมอยู่ใกล้ ในขณะที่พิทช์ที่ใหญ่ขึ้นเหมาะกับการใช้งานภายนอกอาคารที่มีระยะการรับชมที่ไกลกว่า

เทคโนโลยี LED แตกต่างจาก LCD และ OLED อย่างไร

เทคโนโลยี LED เกี่ยวข้องกับพิกเซลที่ปล่อยแสงเองได้ โดยสร้างแสงผ่านส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งต่างจากหน้าจอ LCD ที่ต้องใช้แบ็กไลท์ และหน้าจอ OLED ที่ใช้วัสดุอินทรีย์ สิ่งนี้ทำให้หน้าจอ LED มีข้อได้เปรียบ เช่น ระดับความสว่างที่สูงกว่า และความแม่นยำของสีที่ดีขึ้นโดยไม่ต้องใช้ตัวกรองเพิ่มเติม

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักสำหรับจอแสดงผล LED มีอะไรบ้าง

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญสำหรับจอแสดงผล LED ได้แก่ ระยะพิทซ์พิกเซล ความละเอียด อัตราการรีเฟรช ความลึกของระดับสีเทา และการควบคุม PWM ปัจจัยเหล่านี้กำหนดความคมชัด ความสว่าง ความถูกต้องของสี และความสามารถในการแสดงลำดับภาพเคลื่อนไหวได้อย่างลื่นไหล