Quo vadis LED

Quo Vadis LED? Budowa, technologia i przyszłość ekranów LED

Quo Vadis LED? Gdyby mocno zastanowić się, jak szerokim tematem są ściany LED i jak wiele skomplikowanych pod względem techniki, technologii i biznesu aspektów poruszają, można by dojść do wniosku, że lepiej sobie odpuścić i nie zapuszczać się na takie pełne wybojów pole. Niemniej jednak, z mojej perspektywy – głównie tej technicznej, jakościowej, a w dużej mierze też biznesowej – to bardzo ciekawy, nadal słabo eksploatowany temat. Szczerze powiedziawszy nie udało mi się znaleźć żadnych konkretnych publikacji w prasie branżowej odnoszących się do LED-ów z bardziej ludzkiego, prostego punktu widzenia. Większość tego, co można dzisiaj przeczytać, to powtarzany przez wielu producentów w taki sam sposób, wręcz nudny marketing. Jeżeli zatem poświęcisz kilkanaście minut na przeczytanie tej publikacji, postaram się w prosty sposób wyjaśnić Ci, dokąd zmierza technologia LED, jak ją rozumieć i dlaczego wszyscy tak bardzo prężą się, żeby mieć LED-y w ofercie.

Zacznijmy jednak od początku, a właściwie może od środka, bo tak będzie wygodniej. Z czego składa się ściana LED? Swoją drogą właściwie dlaczego ściana? Przecież wyświetlacz LED może mieć wielkość standardowego monitora 40” albo nawet mniejszego. Rynkowo przyjęło się, że wszystko, co wyświetla obraz za pomocą diod LED, to ściana technologie wyświetlania obrazu takie jak LCD, DLP czy OLED, LED jest dość prostym tworem składającym się z zazwyczaj niewielkich diod umieszczonych w  tak zwanych kartach (piksel), z  kolei te umieszczone są w  kabinetach, w  których prócz kart z  LED-owymi pikselami znajdują się zasilacze (czasami jeden, czasami dwa), karty odbierające sygnał i płyta główna, na której wszystko jest zainstalowane. Prócz tego do poprawnego działania wyświetlacza LED potrzebny jest kontroler, który zazwyczaj nie jest fizyczną częścią wyświetlacza i łączy się z nim poprzez popularną skrętkę.

Oczywiście w  zależności od producenta w  konstrukcji wyświetlacza LED występują mniejsze lub większe różnice. Karty pikselowe mogą być montowane w ten czy inny sposób, za pomocą szybkozłącza magnetycznego czy za pomocą standardowych przewodów. Wielkość pojedynczego kabinetu może być mniejsza lub większa. Okablowanie może być zorganizowane wewnątrz wyświetlacza lub za pomocą zewnętrznych złączy – jest tego naprawdę sporo. Oczywiście, tak jak i w przypadku każdej technologii, są tutaj rozwiązania lepsze i gorsze. Za lepsze można uznać przykładowo takie, dzięki któremu w prosty sposób można zdemontować uszkodzoną kartę z pikselami lub zasilacz czy kartę odbiorczą bez konieczności pracochłonnego rozbierania modułów.

Mimo tego, że ta czysta technika jest niezwykle ważna i z  pewnością stanowi bardzo istotny aspekt w całokształcie produktu, to nie w niej tkwi kwintesencja różnic między danymi producentami i  nie na niej należałoby się skupiać najbardziej. Szczególnie, że prawdę powiedziawszy większość producentów bardzo dobrze radzi sobie w tej kwestii i temat można uznać za bardzo dobrze ogarnięty – przynajmniej na tę chwilę i przy tym zaawansowaniu technologii. Za różnice w  jakości wyświetlanego obrazu oraz problemy – bądź ich brak – z samymi pikselami (np. migotanie lub brak świecenia) odpowiedzialne są przede wszystkim LED-y oraz, w tym pierwszym przypadku, w bardzo dużej mierze kontroler wyświetlacza.

Nie od dziś wiadomo, że większość producentów wyświetlaczy LED kupuje diody od chińskich firm – tutaj też są te lepsze, sprzedające droższe rozwiązania i  te bardziej mainstreamowe, oferujące atrakcyjne cenowo produkty. Na rynku są dostępne trzy technologie, w których wykonuje się piksele. DIP (Dual-in-line Pack) to najstarsza z nich, charakteryzująca się pojedynczymi diodami czerwoną, niebieską i zieloną. To też stosunkowo wysoka jasność i niska cena, ale też bardzo wąskie kąty widzenia ze względu na kierunkowość światła oraz niewielką rozdzielczość. Tego typu technologia nadal używana jest przy obszernych zewnętrznych instalacjach niewymagających wysokiej jakości obrazu, w tym też dużej rozdzielczości – jest stosunkowo niezawodna.

COB – technologia przyszłości, jeżeli liczy się na mocne upowszednienie się dobrej jakości ekranów LED-owych, to za tę technologię należy trzymać kciuki. To przynajmniej dziewięć pojedynczych diod na jednym chipie. W  przyszłości COB charakteryzować się będzie doskonałą jednorodnością, bardzo wysoką niezawodnością, zdecydowanie najlepszym rozpraszaniem ciepła i najlepszą z możliwych obecnie odpornością na wilgoć.

Niemniej jednak, obecne zaawansowanie technologii nie pozwala na skuteczną produkcję tanich diod COB do zastosowania w ekranach LED. SMD (Surface-mount device) to technologia aktualnie królująca w  większości nowych instalacji wyświetlaczy LED. To przeważnie trzy diody na jednym chipie, można powiedzieć stosunkowo szerokie kąty widzenia (zdecydowanie szersze niż w przypadku technologii DIP, chociaż standaryzacja pomiarowa ma tu jeszcze wiele do zrobienia), również lepsza jednorodność porównując do DIP, niższe zużycie energii i dłuższy czas życia. SMD pozwala tworzyć mniejsze gabarytowo diody, a co za tym idzie większe rozdzielczości, przy zachowaniu tej samej wielkości ekranu.

Swoją drogą diody SMD w obecnym zaawansowaniu technologicznym są dość proste w wytwarzaniu i praktycznie cała produkcja (99%) działa. W tym przypadku warto również podkreślić, że diody produkuje się w tak zwanych partiach, między którymi zawsze występują różnice w świeceniu LED w zakresie spektrum widmowego i  jasności. Producenci diod dopuszczają różnicę 5 nm w spektrum widmowym między dwoma partiami i nawet do 50% w jasności. Dlatego też wyświetlacze LED powinno budować się z jednej partii diod. Fakt ten utrudnia serwis i ewentualną rozbudowę, jeżeli mamy do czynienia z  klientem niezwykle dbającym o  jakość. W  przypadku diod SMD stosowane jest zazwyczaj oznaczenie za pomocą dwóch cyfr, przykładowo: 1010SMD oznaczające, że pojedyncza dioda RGB w pełnym opakowaniu charakteryzuje się wymiarem 1 mm na 1 mm – z tego typu diod można tworzyć ekrany o pixel pitch (plamce) od 1, 2 mm.

Swoją drogą z diod 1010SMD wykonuje się również ekrany o plamce 1,5 i 1,9 mm, z tym że przestrzenie między poszczególnymi diodami RGB są większe. Ciekawy jest fakt, że w przypadku tych trzech rozmiarów najjaśniejszy będzie p1.2, ale jednocześnie najmniej kontrastowy ze względu na najmniejszą przestrzeń pomiędzy pikselami (która jest zwyczajowo czarna i nie odbija za wiele światła), większe rozmiary będą ciemniejsze (mniej użytych diod), ale za to bardziej kontrastowe ze względu na wspomniane wcześniej przestrzenie.

Kontrastowość diod SMD można regulować przy użyciu różnego rodzaju materiału epoksydowego wypełniającego powierzchnię nad fizycznymi diodami czerwoną, zieloną i niebieską. Może być on ciemniejszy lub jaśniejszy. Powierzchnia większości wyświetlaczy LED przy mocnym oświetleniu otoczenia i, szczególnie patrząc pod kątem, wydawać się będzie brązowa, co ilustruje przykład poniżej. Zdjęcie to pokazuje również, że istnieją wyświetlacze LED z ciemniejszymi wypełnieniami epoksydowymi, które znacząco obniżają jasność diody, diametralnie podnosząc jej natywny kontrast – tego typu rozwiązania dedykowane są do studio telewizyjnego lub do rozwiązań control room.

Zazwyczaj dobór materiału epoksydowego to kompromis pomiędzy wysoką jasnością i poziomem czerni, a co za tym idzie kontrastem – który to również zależy od oświetlenia otoczenia. Zmiennych jest sporo, zastosowań i odpowiednich do nich rozwiązań – jeszcze więcej. Stworzenie idealnego, uniwersalnego LED-a jest praktycznie niemożliwe – dokładnie tak jak z monitorami i telewizorami LCD/OLED. Będąc przy „wypełniaczu” warto podkreślić, że konstrukcja ścieżek na PCB diody w połączeniu z epoksydową „czapką” ma tutaj kluczowe znaczenie dla trwałości całego rozwiązania.

Okazuje się bowiem, że „czapka” czy „soczewka” najlepiej przywiera do PCB w miejscach, gdzie nie ma ścieżek, zabezpieczając w ten sposób diodę przed zawilgoceniem – a  wilgoć to największy wróg diod LED. Tak, temperatura również, ale z wilgocią ciężej sobie poradzić. 

Przykładowa dioda 1010SMD pod mikroskopem. Z powyższego obrazka można wywnioskować kilka rzeczy. Mamy do czynienia ze standardowym ułożeniem pojedynczych diod LED (tak jest zwyczajowo, chociaż są odstępstwa) – RGB, ścieżki są złote (bardziej odporne na wilgoć) i nie ma szczelnej „czarnej” wyspy dookoła poszczególnych diod, co może ułatwić zawilgocenie układu.

wyświetlacze

Tutaj jest podobnie, chociaż układ diod LED jest inny, rzadziej spotykany, dość charakterystyczny dla jednego producenta, GRB. Ułożenie poszczególnych kolorowych diod LED ma znaczenie w przypadku oglądania ekranu pod kątem, a w szczególności patrząc na niego jakoby z dołu (częsta sytuacja, gdy wyświetlacz wisi nad głowami). W  obu wymienionych przypadkach ekran wpadał będzie w kolor niebieski. Lepsza sytuacja jest w przypadku kątów poziomych.

ściany LED

Są na rynku również rozwiązania zupełnie izolujące diody przed niebezpieczną wilgocią. Na zdjęciu mikroskopowym zobaczyć można, że wszystkie diody zupełnie odizolowane są od krawędzi PCB.

Wiemy już z  grubsza, mocno podkreślając z grubsza, jak wygląda najpopularniejsza technologia produkcji diod LED na rynku, warto zadać sobie pytanie: czy to wystarczy do osiągnięcia dobrej jakości wyświetlania obrazu? Może zanim zadamy sobie to pytanie, spróbuję sprecyzować, czym jest dobra jakość obrazu, oczywiście w ujęciu bardzo normatywnym. Ta zasada dotyczy nie tylko ekranów LED, ale każdego innego ekranu w dowolnej technologii wyświetlania obrazu i można ją sprowadzić do ujednolicenia kilku podstawowych parametrów (chociaż tych jest więcej):

Jasność – tutaj rzecz ma się o tyle dobrze, że w teorii im więcej, tym lepiej. Oczywiście w dobie treści HDR i wyświetlania outdoorowego, są różne podejścia do wykorzystania wysokiej jasności, ale to rzecz wtórna – można prosto założyć, że im więcej tym lepiej. No dobrze, nie zawsze: w przypadku wyświetlaczy LED sterowanie jasnością jest nieco bardziej skomplikowane i może ograniczać zakres dynamiki wyświetlacza (musiałem to wtrącić).

Temperatura barwowa – oczywiście najsłuszniejszą ze słusznych jest skorelowana temperatura barwowa 6500 K, która powinna być stabilna w całym zakresie jasności monitora w  idealnym świecie ze współczynnikiem deltauv nie większym niż zero.

EOTF – krzywa transferu elektrooptycznego, również powinna przyjmować zadaną wartość, czy to statyczna power-law gamma 2,2, 2,4, 2,8 (najczęściej spotykana jako natywna w ekranach LED), czy też krzywe związane z technologią HDR PQ czy HLG. Ważne jest to, żeby w całym zakresie jasności była zgodna ze standardem.

Odwzorowanie barw – sprawa również banalnie prosta, im niższy współczynnik deltaE, tym lepiej, koniec i kropka, na szczęście nie ma tu ukrytej filozofii.

Gamut barwowy – tutaj podobnie, jak w przypadku odwzorowania barw, sprawa jest dość prosta: im więcej, tym lepiej, chociaż w  szczególnych przypadkach wypadałoby mieć możliwość zawężania gamutu, mogąc w ten sposób licować się z danym standardem np. RECbt709.

Teraz, wracając do naszego pytania, czy dobra jakość diody wystarczy do osiągnięcia dobrego obrazu? A no NIE, niestety NIE! Okazuje się, że dobra dioda oczywiście pozwala na więcej, zarówno w przypadku jakości wyświetlanego obrazu, jak i  trwałości, ale kluczową rolę odgrywa tutaj sterowanie, a precyzyjniej rzecz ujmując – kontroler LED.

W  tym niestety przypadku producenci mają wiele do poprawy. Okazuje się bowiem, że większość kontrolerów LED steruje diodami bardzo mało precyzyjnie (chociaż te pozwalają na więcej) w zakresie parametrów wymienionych wyżej. Brak możliwości precyzyjnego skalibrowania wyświetlaczy LED powoduje, że porównując ich jakość do przeciętnej jakości monitora LCD lub telewizora wypadają bardzo blado, żeby nie powiedzieć żenująco (szczególnie tanie rozwiązania). Obecnie sterowanie ekranem LED sprowadza się do ustalenia maksymalnej jasności, skorelowanej temperatury barwowej przy tejże maksymalnej jasności, orientacyjnie krzywej EOTF (bardzo rzadko jest ona jednolita w  zakresie dynamiki wyświetlacza) oraz gamutu barwowego. To zdecydowanie za mało.

Co więcej, większość ekranów LED obecnych na rynku nawet w  tym wąskim zakresie regulacji ustawiona jest dramatycznie źle! Głównym grzechem popełniamy przez producentów i integratorów jest ustawienie gargantuicznie wysokiej temperatury barwowej sięgającej o  wiele wyżej niż 12 000 K, nie wspominając o  czymś bardziej optymalnym jak 6500 K, no może na potrzeby reklamy – 9300 K. W swojej karierze mierzyłem ekran świecący natywnie skorelowaną temperaturą barwową wynoszącą 20 000 K! Przecież od takiego światła można dostać ataku epileptycznego. Nie wspomnę już o utrzymaniu jednorodności EOTF czy CCT w funkcji jasności ekranu – to marzenia, z  realizacją w  dłuższej perspektywie.

Precyzyjne sterowanie LED w  zakresie parametrów wyświetlania obrazu jest dodatkowo utrudnione faktem, że poszczególne LED-y zachowują się zupełnie inaczej przy zmiennej temperaturze otoczenia. Najmniej wrażliwa jest w tym przypadku dioda zielona, której jasność pozostaje relatywnie niezmienna. Najbardziej narażona na zmianę jasności jest dioda czerwona, niebieska o wiele mniej, ale w  przeciwległym kierunku (jaśnieje wraz ze wzrastającą temperaturą, czerwona ciemnieje). Posiadając nawet bardzo precyzyjny kontroler pozwalający na szczegółową kalibrację ekranu LED, trzeba taką kalibrację wykonywać przy danej temperaturze otoczenia, zmiana o 10°C spowoduje zupełnie inne świecenie diod, a  co za tym idzie totalną zmianę parametrów obrazu. Do tego potrzebne jest stabilizowanie przez kontroler LED lub diody mniej wrażliwe na zmianę temperatury otoczenia – również pieśń przyszłości.

Quo Vadis LED?
Przyszłość w pewnych segmentach zdecydowanie należy do wyświetlaczy LED. Jednym z takich sektorów, w którym jest już praktycznie dominującą, wznoszącą technologią, jest retail. Kolejnym jest telewizja, gdzie wyświetlacze LED o  ogromnych gabarytach wypierają mocno tylną projekcję oraz rozwiązania LCD. Jedno jest pewne, na pewno LED-a będzie więcej, na pewno będzie tańszy i  bardziej powszechny, niemniej jednak na pewno nie wyprze, tak jak to niektórzy prognozują, ścian wideo LCD, a  będzie technologią działającą równolegle. Życzyłbym sobie, żeby w najbliższych latach jakość rozwiązań LED rosła nie tylko pod względem rozdzielczości i malejącej plamki, ale przede wszystkim pod względem poprawnego odwzorowania podstawowych parametrów wyświetlania obrazu.

 

TEKST: Wojciech Kosek
ZDJĘCIA: AVIntegracje, Wojciech Kosek

Najchętniej czytane