全彩色点阵模块显示屏最新的技术创新与发展.doc

全彩色点阵模块显示屏最新的技术创新与发展自2008年7月份以来，健隆集团前后斥资近两千万元，进行全彩色点阵模块的研制与设计，整个过程中各种规格的新型模块已不断成功运用于上海分众项目、北京分众项目、CCTV移动传媒项目（包括郑州机场、济南机场、昆明机场、海口机场等全国100多个机场的运用）等。新的点阵模块产品所展现的魅力和其具有的成本及技术优势正不断得到行业内的认同与期待，全彩色点阵模块的研制成功标志着一个LED显示屏技术的新时代将很快到来。单双色模块的全国市场占有率达到近70%。05年后即进行全彩模块的研制，并以单双色模块为基础进行改进，但经过三年的研发工作，最后宣告失败。从08年7月开始，健隆集团彻底抛弃了以往单双色模块的设计理念，进行了大量创新，最终确定了新的发展方向并取得成功。在国内户内显示屏应用中，普通单双色模块仍然占据着国内单双色显示屏80%的应用，比如银行内的窗口叫号显示屏、火车站引导显示屏、机场值机柜台显示屏、政府机关大厅宣传显示屏、各服务机构和众多公共场所的户内广告显示屏和条屏等，数量众多，市场巨大。伴随科技的进步、社会经济的发展以及LED显示屏制造成本的不断下降，用户对于产品选择已逐渐开始从单双色的需求转变为对全彩色的要求，已不满足于单双色单调的颜色和文字、图片的显示。国内市场目前大量使用的户内全彩色显示屏仍以亚表贴、表贴三拼一和表贴三合一为主，同时也有部分以LED单灯设计的高密度户内全彩色显示屏。在2008年前，全彩色点阵模块市场上也在少量使用，外形与设计同普通单双色显示模块差别不大，由于存在马赛克和平整度等主要问题，因此，在市场上户内显示屏所占比重很小，不能成为主流产品。以下分析一下各种产品在户内显示屏运用的优缺点。1.单灯方案借鉴户外显示屏技术的一种方案，同时将户外的像素复用技术（又叫像素共享技术，虚拟像素技术）移植到了室内显示屏。优势：色彩一致性较好。缺点：混色效果不佳，视角不大，水平方向左右观看有色差。加工较复杂，抗静电要求高。实际物理像素分辨率做到10000点以上较难。2.贴片方案：采用贴片发光管为显示元件的方案。优势：色彩一致性，视角等重要显示指标是当前市场使用上最好的一种，特别是三合一表贴的混色效果非常好。缺点：加工工艺麻烦，成本高。3.亚表贴方案：实际上是单灯方案的一种改进，不够成熟，现在还在不断完善之中。4.全彩点阵模块最早的设计方案，是由室内单双色点阵模块发展而来优势：原材料成本最有优势，且生产加工工艺简单，质量稳定。缺点：色彩一致性差，马赛克现象较严重，显示效果较差。综合以上分析,我们似乎可以得出一个简单的结论,作为以视频为主要播放方式的显示屏对于画面质量以及观看视角、颜色显现等要求很高，全彩色点阵模块显然不能适用于这种要求。但是，作为点阵模块最大的优点是成本低、质量稳定。与表贴三合一产品比，模块由于是采用内部整体灌胶工艺，因此，模块表面防水并且不怕静电，散热好，非常皮实，能够在很恶劣的环境中使用并且寿命很长，全彩色模块的单个像素构成酷似表贴三合一，具有和表贴三合一同样的发光品质，而且在视角上更好。通过实际使用对比，我们发现，使用高质量发光芯片的表贴三合一显示屏在初期老化过程中，死灯率高于普通全彩模块（使用台湾芯片）显示屏两到三倍，并且在恶劣环境下使用，其寿命远低于模块显示屏。虽然发光二极管标称的寿命都是十万小时，但封装保护方式不同，表贴三合一和模块比起来明显要脆弱得多。综合以上分析,我们似乎可以得出一个简单的结论,作为以视频为主要播放方式的显示屏对于画面质量以及观看视角、颜色显现等要求很高，全彩色点阵模块显然不能适用于这种要求。但是，作为点阵模块最大的优点是成本低、质量稳定。与表贴三合一产品比，模块由于是采用内部整体灌胶工艺，因此，模块表面防水并且不怕静电，散热好，非常皮实，能够在很恶劣的环境中使用并且寿命很长，全彩色模块的单个像素构成酷似表贴三合一，具有和表贴三合一同样的发光品质，而且在视角上更好。通过实际使用对比，我们发现，使用高质量发光芯片的表贴三合一显示屏在初期老化过程中，死灯率高于普通全彩模块（使用台湾芯片）显示屏两到三倍，并且在恶劣环境下使用，其寿命远低于模块显示屏。虽然发光二极管标称的寿命都是十万小时，但封装保护方式不同，表贴三合一和模块比起来明显要脆弱得多。综合以上原因，我们可以设想如果能够解决掉点阵模块的劣势，扬长避短，那么，点阵模块仍然将能重新占领市场，在性价比与高技术层面的创新与改造空间将是点阵模块重新崛起的最大法宝。通过健隆集团一年多的研制过程，我们可以清晰地了解到针对点阵模块的劣势是如何通过不断创新而能够化腐朽为神奇的：1、 模块的物理平整度问题：l 老式模块存在的尴尬问题，如图1所示：老式模块存在模块中间部分往里面凹陷弯曲的问题，在单双色运用中，由于对显示质量要求不高因此在大量实际项目中这个问题并不影响大局，但在全彩色模块显示屏中，由于播放的是高清晰视频画面，因此，对于模块、单元板、箱体之间的表面平整度要求很高，每个像素点的发光必须均匀一致，因此，老式模块运用在全彩色项目中在播放全黑色或低灰度画面时，由于模块表面对于环境光的反射，人眼能轻易发现模块间的不平整造成的物理马赛克视觉效应，这是老式模块先天性无法解决的问题。对于单元板和箱体之间的拼缝，模块单元板和箱体设计与其他产品并无二致。表贴显示屏是将单元板组合在一起，因此，只要单元板之间不存在明显的平整度差异，人的肉眼是可以接受的，因为表贴产品是将表贴灯直接焊在单元板上，而对于模块而言，模块是直接插在单元板上的，所以，还必须要解决好模块之间的平整度问题。l 原因分析：经过长时间的科学实验，我们总结出影响模块表面平整度的四个因素：一是模块的用料材质，模块一般采用PC材料，PC具有强度好的优点，但在模块运用中由于模块前盖比较薄，在灌胶后还要经过高温烘烤，因为胶体张力等因素影响容易产生变形。二是胶体的涨缩系数。胶体与PC材料以及内部PCB的涨缩系数完全不同，在不同环境下长期使用，三者之间胶体受环境温度影响最大，因此，胶体的坚固稳定程度对模块内部影响很大。三是制造工艺的技巧。针对模块的生产制造，看似简单，但任何一个生产环节都是严谨、科学的。比如对于封胶工艺，要考虑到在不同季节环境下烘烤温度的控制以及模块烘烤前后表面的温度差异细节问题。四是模块设计理念与结构设计技巧。采用普通老式模块仍然沿袭过去的理念，单纯强调亮度要高、制作简单等性价比成本因素。对于高端显示屏市场领域，许多模块生产供应商缺乏创新理念，大多数人认为模块无法做成精品，是不能进入高端市场的，毫无疑问，这个观点是陈旧、过时的。通过健隆集团一年多的创新工作证明，只要有好的理念，并且坚持发展之路，模块同样可以做成精品，而且在档次上不但不亚于表贴三合一产品，甚至在某些关键显示技术指标上能够大幅超越表贴产品，实现化腐朽为神奇的奇迹。l 改进措施：针对以上问题，健隆集团通过以下措施进行了对点阵模块革命化的改良：首先，通过大量试验，我们在模块前盖所采用的PC材质中加入特定比例的相关其他原料配方，从而十分明显地加强了模块前盖的强度和硬度，新做出来的模块具有物理平整度好，不易变形的优点。其次，对于模块所选用的胶水配方和选型也是与国内著名的提供环氧树脂的专业公司进行联合试制，具有混合粘度低，脱泡性好；常温可使用期长（pot life），中温固化速度快；固化物具有极佳的机械强度、电气特性和耐高温性能；固化物透光性均匀，不变色等优点。弯曲强度达到10.2kg/平方毫米，在高低温试验中，胶水可经受在零下15度到80摄氏度环境下保持良好性能，使用的胶水经过特殊配方处理甚至还具有抗UV功能，这为模块未来运用在户外环境中打下了坚实的基础。第三，加强了制造工艺和检测手段。以下是模块制造的基本工艺流程：第四，不断加强的创新理念：化腐朽为神奇的纯黑色模块设计。虽然采取了材料与加工方面的各项措施，模块的先天性缺陷物理马赛克问题依然存在，虽然与老式模块比已经不会出现弯曲变形现象，但各个模块之间仍然存在微小差异（如图2所示），因此，如果没有创新，这个问题并不能得到彻底解决。如图2，虽然健隆集团去年开始采用了新的工艺和材料我们仍然可以发现在环境光下的模块之间反光造成的微小差异，这个问题如何解决呢？如图3，这是健隆集团去年8月份刚开始试制的新设计，此设计与老式模块相比最大的变化是将圆形发光窗口改成方形孔。在总体视觉效果上比老式设计好很多，由于采用了新的材质和工艺，我们可以看到模块之间拼装的平整度与老式模块比有了较大提高。通过对国外产品和新技术潮流的追踪调查，本人去年终于找到灵感，决定尝试黑色模块理念，黑色背景下，模块边缘的微小反光差异将得到较大抑制，在视觉上将变得不明显，同时，黑色背景提高了画面对比度，画面更加清晰，模块的档次给人的感觉也会大幅提升。如图4，清晰度的概念重要的不仅仅是亮度概念，在户外或环境光比较强的情况下，加强对比度是提高清晰度的捷径。如图5，第一批黑色模块于2008年10月试制成功，采用的方法较简单，即将白色的PCB涂上专利设计的黑色油墨，形成黑色模块背景。与老式模块圆形窗口对比，方形设计比较大方，档次看上去比圆形要高，并且是为未来单点维修技术打下伏笔，方形窗口对于单点维修要比圆形方便，但聚光效率比圆形要略低一点。不过，实现模块的单点维修技术成本与实际更换模块成本差别很小，因此，方形模块给人带来的更多的是概念上的高档感觉，在搭配黑色PCB后，这种黑色概念融入了方形设计中，看上去相当别致、有特色。如图6，采用黑色模块构成的单元板所播放的视频效果。由于采用黑色模块的创新构思，视频画面对比度提高到接近2000：1。由于黑色底面具有吸光作用，因此，发光亮度很多人怀疑会有损失，经实际测量，确实有微小损失，但损失不大在百分之二以内，可以忽略。2008年12月，我们技术人员用美国著名的RadentImage公司的先进设备对白模块和黑模块在户外环境下进行了对比分析测试，得出了结论：在同样外界环境条件下，虽然黑色模块亮度似乎不比白模块亮度高，但显示画面却比白模块清晰，人眼视觉观看画面清晰度提高了接近15%-30%的程度。如图5，虽然黑色模块得到了认可和赞扬，但并没有理由满足，从图5中我们可以看到模块显示窗口内黄色的焊线位和晶点位。由于模块内黑色成分不够大，因此，真正的纯黑色模块理念并没有实现。按照黑色理念的构思，我们希望能够在显示窗口中只露出晶点位而遮蔽住焊线位，从而能更进一大步实现这个理念。如图7，经过不懈的努力与大量模块结构的改进试验，2009年2月终于实现了黑色理念这个专利性技术，最大限度地提高了模块对比度接近4000：1。新型模块抛弃了方形窗口设计，采用八面体构造，专门设计有蔽空位遮住焊线位，在蔽空位与窗口平面设计成聚光杯形，加强光线的聚光亮度。八面体接近圆形，但对于人眼观看上更有针对性，圆形窗体各个角度发光均匀，但是，对于观看者而言更注重左右视角，对于上下视角要求并不高。如图8，4000：1的对比度显示屏理念实现效果。可以预言，当新型模块实现黑色理念之际，将会有大量的行业人士认可并形成新的技术潮流。黑色模块将成为引领潮流的领头羊。2、 模块的白平衡马赛克问题：在解决模块平整度的过程同时，我们还发现，对于模块产品另一个致命打击，这就是模块存在严重的白平衡下马赛克问题。当我们采用正常工艺进行生产后，发现模块之间的发光存在明显的亮度与色度差异，在白平衡时看得非常清楚，画面上颜色差异大，在播放视频时画面不纯净，画面质量不佳。人眼在观看两个普通LED时，一般情况下，肉眼很难区分色度在5纳米波长差异、亮度差异在30% 以内的LED，健隆集团所采购的同批次LED其红、绿、蓝波长范围差异均严格控制在2.5纳米，亮度差异小于20%的范围内，那么，为什么肉眼却能分辨出模块的色差呢？在固晶工艺中，同一张蓝膜上同一个区域承载的发光芯片其波长是基本完全一样的，但同一张蓝膜的不同区域或不同蓝膜上承载的发光芯片却不一致，正是这个原因造成了模块间的色差。在固晶过程中，同一块8*8模块中64个像素点其红、绿、蓝波长基本一样非常整齐，两个模块之间红、绿、蓝的波长差异不会超过2.5纳米，亮度差异不会超过20%，按道理，人眼是很难分辨的，但前提是两个LED之间的比较。如果两块8*8的模块之间比较，人眼实际上是在分辨两边各64个点整齐排列的LED，这样一来，即使两个模块之间色度波长差异在1纳米，肉眼也能轻易分辨出来，也就是说，模块把这种差异进行了放大，因此模块间的色度差异成为了最头疼的问题。在初期试验中，健隆集团邀请了多家国内著名的系统公司共同参与进行亮度和色度逐点调整的研发工作。对于模块显示屏的系统逐点调研发过程中，各家公司都遇到了前所未有的难题。由于亮度和色度之间有必然的曲线关系，在调整亮度的过程中必然会影响色度，而调整色度，亮度也会相应发生变化。因此，单纯调整亮度并不能解决模块色度差异，但可以减轻这种差异，而单纯调整色度时，亮度损失却非常大。在比较各家公司系统的产品过程中，我们最终倾向于北京中庆微数字设备开发有限公司提供的亮度逐点调方案，北京中庆的显示屏系统方案是目前所有参与研发公司中最完善和最成熟的，尤其是其逐点调整方案在实验中，显示屏几乎无亮度损失，系统先进稳定。由于初期北京中庆公司逐点调试解决方案中，对于色度调整尚未投入商用，经过同其他产品比较，我们注意到表贴三合一产品色纯度比较好，如果采用质量好的同批次LED封装，即使不用逐点调整，白平衡画面也能接受。那么，这是什么原因呢？实际上，这是任何一个真正的显示屏生产厂家都清楚的道理，就是必须要有混灯工艺，当把统一批次的LED进行混合后，人的肉眼是无法分辨出任意两颗LED的色差的，其他产品混灯工艺非常容易实现，但是模块不同，因为模块的传统固晶方式无法对晶粒进行混合，这就造成了马赛克效应。既然传统方式不行，那么就必须创新改良，通过不断试验，我们终于找到了混灯的批量生产工艺，我们称之为“炒晶”，在经过炒晶工艺后，同一块显示屏上的模块果然没有了马赛克现象，搭配成熟的中庆系统进行白平衡亮度逐点调试后，白平衡画面如同一张白纸般干净清澈！目前，北京中庆公司研发人员正与健隆集团合作进一步解决亮度和色度同时调整解决方案，找到LED亮度和色度之间的平衡点调整方案，将为未来进一步提高显示屏画面品质和减少生产流程，降低生产成本起到积极的作用。如图9，采用炒晶工艺和中庆系统逐点调试后的模块显示屏白平衡效果。3、 新型模块的户外使用设计：模块因为是整体灌胶，因此模块具有表面防水的天然特性，但模块的PIN脚以及模块之间结合的部分并不防水，因此，水将从模块结合部进入到