Як виготовляють світлодіодні дисплеї: процес виробництва та пояснення технологій

Що таке цифровий світлодіодний дисплей? Основне визначення та перевага самосвітності

Цифровий світлодіодний дисплей проти LCD/OLED: фундаментальна архітектура та генерація світла

Цифрові LED-екрани працюють інакше, ніж більшість інших технологій дисплеїв, оскільки кожен крихітний піксель самостійно випромінює світло через маленькі напівпровідникові компоненти. Традиційним LCD-панелям потрібні спеціальні шари рідких кристалів та окреме LED-підсвічування ззаду, щоб контролювати те, що ми бачимо. Технологія OLED також генерує світло самостійно, але використовує органічні матеріали замість неорганічних, які використовуються в типових світлодіодах, таких як Indium Gallium Nitride або Aluminum Indium Gallium Phosphide. Саме така конструкція LED-дисплеїв надає їм певних переваг. Вони можуть досягати неймовірного рівня яскравості — близько 10 000 ніт для зовнішнього застосування, забезпечують гарну видимість навіть під екстремальними кутами огляду понад 160 градусів і загалом довго зберігають стабільну яскравість без швидкого витіння, як це може траплятися з іншими технологіями.

Принцип самосвічення: як пікселі RGB LED випромінюють світло без підсвічування чи фільтрів

Піксель RGB працює як окрема маленька лампочка. Чарівність відбувається, коли електрика проходить через спеціальну ділянку переходу діода. Там електрони зустрічаються з дірками та створюють частинки світла, які називаються фотонами, завдяки явищу, що називається електролюмінесценція. Що робить цю конструкцію такою чудовою? Не потрібні додаткові компоненти, такі як підсвічування, поляризатори чи кольорові фільтри, які вимагаються в інших дисплеях. Це означає, що дисплей може окремо керувати кожним пікселем. Ми отримуємо глибші чорні рівні, оскільки пікселі можуть повністю вимикатися. Кольори залишаються точними, оскільки немає фільтрів, які б їх спотворювали. Результатом є значно краща якість зображення загалом у порівнянні з традиційними технологіями екранів.

Виробничий процес LED-дисплеїв: від напівпровідникового пластини до інтегрованого модуля

Виготовлення LED-чіпів: епітаксіальне зростання, обробка пластин та сортування кристалів

Виробничий процес починається з епітаксіального зростання шляхом металоорганічного осадження з парової фази, або МОСВД, якщо скорочено. Це відбувається на підкладках із сапфіру або карбіду кремнію, утворюючи кристалічні шари, які в кінцевому підсумку визначають, чи отримаємо ми червоне світло від матеріалів AlInGaP, зелені відтінки чи блакитне випромінювання, характерне для сполук InGaN. Далі слідує робота з фотолітографії в поєднанні з плазмовим травленням для створення дрібних схем на мікронному рівні. Потім йде етап легування, який допомагає покращити рекомбінацію носіїв у матеріалі. Як тільки все розрізають на окремі одиниці, автоматизовані системи перевіряють кожен мікролед-кристал на рівень яскравості та узгодженість довжини хвилі. Проте лише ті, що потрапляють у жорсткий допуск кольору ±2 нм, проходять перевірку якості. Це сортування має вирішальне значення, оскільки навіть один чіп із відхиленням кольору може призвести до помітних невідповідностей, коли ці компоненти збираються в більші модулі дисплеїв.

Упаковка та збірка: домінування SMD, тепловий дизайн і автоматична калібрування

Упаковка SMD продовжує домінувати на ринку завдяки високій масштабованості виробництва та ефективному вирішенню проблем з нагріванням. Сучасне виробництво ґрунтується на використанні високоточних автоматичних установлювальних верстатів, які здатні точно розміщувати кристали світлодіодів на керамічних або FR4 матеріалах із мікронною точністю. Щоб забезпечити стабільну роботу, виробники часто використовують друковані плати з алюмінієвим сердечником разом із спеціальними термопрокладками, які допомагають утримувати робочу температуру на прийнятному рівні, бажано нижче 85 градусів Цельсія, що має важливе значення для збереження світлового потоку з часом. Після завершення збірки виконується додатковий крок, під час якого автоматизовані системи перевіряють кольорові характеристики кожного окремого світлодіода та в реальному часі корегують струм, що проходить через нього. Це забезпечує узгодженість кольорів у всіх одиницях, щоб у жодного споживача не виникло помітних відмінностей у яскравості чи відтінку між сусідніми світлодіодами.

Інтеграція шаф: конструкційне проектування, розподіл електроживлення та герметизація з індексом захисту

Модулі розміщуються всередині спеціально розроблених алюмінієвих шаф, які виготовлені досить міцними, щоб витримати будь-які природні впливи. Ми проводимо аналіз цих каркасів за допомогою програмного забезпечення методу скінченних елементів, щоб перевірити їхню стійкість до сильних вітрів, навіть тих, швидкість яких досягає 150 кілометрів на годину. Енергетичні системи мають резервні компоненти, що забезпечує мінімальні коливання рівнів напруги в великих установках. Коли шафи встановлюються на вулиці, вони мають ступінь захисту IP65 завдяки спеціальним ущільненням із стиснених прокладок та матеріалів, які відштовхують воду. Це поєднання не допускає потрапляння пилу та запобігає проникненню води навіть під час сильних дощів. Перед відправленням кожна шафа проходить суворі перевірки в умовах, що імітують екстремальні середовища. Їх піддають перепадам температур від мінус 30 градусів Цельсія до плюс 60 градусів, а також повністю занурюють під воду на цілий день. Ці випробування допомагають забезпечити надійну роботу як у величезних спортивних аренах, так і в завантажених транспортних центрах чи будь-яких інших місцях, де обладнання має працювати бездоганно, незважаючи на складні умови.

Архітектура пікселів та колірна наука світлодіодних дисплеїв

Макет RGB-субпікселів: геометрія з прямим випромінюванням, наслідки кроку пікселів та оптимізація кута огляду

Пікселі складаються з окремих червоних, зелених і синіх діодів, які розташовуються певним чином, зазвичай у формі шестикутників, щоб забезпечити краще змішування світла та зменшити ті неприємні зміни кольору, які виникають під кутом зору. Відстань між пікселями, яка називається кроком пікселя і вимірюється в міліметрах, суттєво впливає на те, наскільки чітким виглядає зображення, і на мінімальну відстань, з якої воно сприймається ясно. Зверніть увагу на ці цифри: дисплеї з індексом P1.2 мають близько 694 тисяч пікселів на квадратний метер, тоді як моделі P4.8 мають лише близько 44 тисяч. Коли виробники групують пікселі у вигляді шестикутників замість квадратів, кольори залишаються стабільними навіть тоді, коли глядачі дивляться не прямо на екран. Це чудово працює для глядачів, які сидять збоку від зали або далеко в ложах. Найкраща частина? Не потрібно додаткових шарів чи спеціальних плівок для виправлення кольорових проблем.

Точність передачі кольору: напівпровідникові матеріали (InGaN, AlInGaP), охоплення колірного охоплення та стабільність білої точки

Секрет точних кольорів криється глибоко в матеріалознавстві. Для синіх і зелених відтінків виробники використовують шари індію-галію-нітриду (InGaN), тоді як червоний отримують із алюмінію-індію-галію-фосфіду (AlInGaP). Ці матеріали було обрано спеціально, оскільки вони забезпечують точний контроль над довжиною хвиль світла й зберігають чистий, насичений колір. За умови правильного виконання та використання високоякісних епітаксіальних технологій, дисплеї можуть досягати вражаючого охоплення колірної палітри NTSC на рівні 90–110 відсотків. Це приблизно на 40 відсотків краще, ніж у більшості стандартних LCD-екранів. Заводи компенсують природні невідповідності матеріалів за допомогою ретельних процесів калібрування. Вони перевіряють, наскільки точки білого відхиляються від стандартної точки відліку D65, і потім окремо регулюють струм кожного діода. Це дозволяє утримувати помилки кольору нижче ΔE<3 по всьому спектру яскравості, що доходить аж до 10 000 ніт. Навіть за умов яскравого навколишнього освітлення ці дисплеї зберігають колірну цілісність.

Ключові показники продуктивності, які визначають якість LED-дисплеїв

Крок пікселя, роздільна здатність та відстань перегляду: практичні рекомендації щодо вибору LED-дисплеїв для приміщень та вулиці

Розмір пікселів на екрані відіграє важливу роль у тому, наскільки чітким буде зображення та який тип налаштування буде найкращим. Коли мова йде про менші відстані між пікселями, ті, що менші за 2,5 мм, ідеально підходять для внутрішніх приміщень, де люди стоять поруч, наприклад, у контрольних центрах або при встановленні відеостін у магазинах. Ці екрани добре працюють, коли люди перебувають на відстані від одного до десяти метрів. Навпаки, більші відстані між пікселями, від P4 до P10, більше зосереджені на тому, щоб залишатися яскравими, довговічними та доступними для зовнішніх вивісок або дисплеїв на стадіонах, де люди спостерігають із значно більших відстаней, часто понад 100 метрів. Існує навіть корисний трюк, який варто запам’ятати: помножте значення відстані між пікселями в міліметрах на 1000, щоб отримати мінімальну відстань, на якій повинен перебувати глядач від екрана, щоб не бачити окремі пікселі. Візьмемо, наприклад, дисплей P3 — ніхто не хоче бачити квадрати, якщо перебуває ближче, ніж на трьох метрах. Для внутрішніх установок більшість потребують роздільної здатності вище 1920x1080, щоб текст залишався читабельним. Зовнішні екрани, однак, повинні бути яскравішими за 5000 нітів і мати гарне співвідношення контрастності, щоб протистояти денному світлу та іншим джерелам навколишнього освітлення.

Частота оновлення, глибина відтінків сірого та керування ШІМ: забезпечення зображення без мерехтіння та відео якості мовлення

Частота оновлення, виміряна в Гц, визначає, наскільки чіткими зображаються рухомі зображення на екрані. Дисплеї з частотою нижче 1920 Гц схильні до розмиття під час перегляду сцен з інтенсивною дією, тоді як професійні системи потребують щонайменше 3840 Гц, щоб обробляти трансляції спортивних матчів або студійну роботу без візуальних спотворень. Що стосується глибини відтінків сірого, це кількість відтінків між чорним і білим, які може відтворити дисплей. Система з глибиною 14 біт забезпечує близько 16 тисяч різних рівнів інтенсивності в кожному кольоровому каналі, що означає відсутність видимих смуг у плавних переходах від темних до світлих ділянок. Модуляція ширини імпульсу (ШІМ), як її зазвичай називають, працює шляхом швидкого вмикання та вимикання світлодіодів для регулювання рівня яскравості. Якщо частота занадто низька, наприклад нижче 1000 Гц, люди можуть помітити мерехтіння, яке з часом викликає дискомфорт. Але коли виробники використовують частоти понад 3000 Гц, досягається значно плавніше затемнення та краща підтримка HDR-контенту. Це має велике значення в місцях, де якість зображення є абсолютно критичною, наприклад, у телевізійних мовних установах або лікарнях, де лікарі покладаються на точну візуальну інформацію для постановки діагнозів.

Розділ запитань та відповідей

Що таке крок пікселя і чому він важливий?

Крок пікселя — це відстань між пікселями на цифровому світлодіодному дисплеї, яка вимірюється в міліметрах. Він впливає на чіткість зображення та мінімальну відстань перегляду, необхідну, щоб не помічати окремі пікселі. Менші значення кроку пікселя підходять для внутрішніх приміщень, де глядачі знаходяться близько, тоді як більші значення ідеальні для вуличних установок, де відстань перегляду є значною.

Чим технологія LED відрізняється від LCD та OLED?

Технологія LED передбачає наявність самосвітних пікселів, які виробляють світло за допомогою напівпровідникових компонентів, на відміну від екранів LCD, які потребують підсвічування, та екранів OLED, що використовують органічні матеріали. Це надає світлодіодним екранам переваги, такі як вищий рівень яскравості та краща точність кольору без додаткових фільтрів.

Які основні показники продуктивності світлодіодних дисплеїв?

Важливі експлуатаційні характеристики LED-дисплеїв включають крок пікселя, роздільну здатність, частоту оновлення, глибину сірих тонів та керування ШІМ. Ці фактори визначають чіткість, яскравість, точність передачі кольорів та здатність плавно відображати рухомі сцени.