Плоские компактные светодиоды высокой однородности в корпусе с квантовым преобразователем точек для источника белого света

Фон

Жидкокристаллический дисплей (ЖКД) становится все более популярным в качестве основной технологии отображения в различных областях современного общества. С повышением уровня жизни люди предъявляют все более высокие требования к качеству ЖК-дисплеев. Особенно с точки зрения цветовой гаммы и яркости ЖК-дисплеи постоянно превосходят другие технологии отображения, такие как органические светодиоды (OLED) и лазерные дисплеи [1,2,3]. Чтобы улучшить характеристики ЖК-дисплея, светодиоды (СИД) постепенно вытеснили традиционную люминесцентную лампу с холодным катодом (CCFL) из-за ее небольшого размера, низкого энергопотребления и низкого тепловыделения. Светодиоды стали источником нового поколения ЖК-подсветки (BLU) [4,5,6]. В настоящее время светодиод BLU использует синий светодиод для возбуждения желтого люминофора для формирования белой подсветки. Однако низкая эффективность люминофора, широкий спектр, сильное затухание света и плохая однородность частиц препятствуют улучшению яркости и диапазона цветности CIE ЖК-дисплея; таким образом, есть еще возможности для улучшения. Хорошо известно, что белые светодиоды в основном изготавливаются путем нанесения слоя желтого люминофора YAG на синий светодиод из нитрида галлия (GaN) (длина волны 450–470 нм) [7, 8]. Однако в его спектре излучения отсутствует красный свет, он излучает холодный белый свет, не является достаточно естественным и имеет плохую цветопередачу (CRI менее 75), что ограничивает его применение в высококачественном освещении и специальных полях. Чтобы получить светодиоды с высоким индексом цветопередачи, к желтому люминофору добавляют небольшое количество красного люминофора и небольшое количество зеленого люминофора для компенсации и изменения спектра [6, 9]. Однако этот метод изготовления светодиодов, покрытых люминофором, все еще недостаточен с точки зрения светоотдачи и химической стабильности, и его трудно получить широкую популяризацию и применение.

Как новый тип флуоресцентных полупроводниковых нанокристаллов, наноквантовые точки (КТ) обладают множеством уникальных оптических свойств, таких как высокий квантовый выход фотолюминесценции, узкий спектр излучения, настраиваемый спектр излучения и высокая чистота цвета [10,11,12,13,14 , 15,16]. Было продемонстрировано, что для эффективного управления фотонами преобразователь квантовых точек может широко использоваться в солнечных элементах [17, 18], светодиодах [19, 20] и фотодетекторах [21,22,23]. В частности, сообщалось о фотоприемниках с квантовыми точками с выбираемой длиной волны, высокой чувствительностью и отношением включения / выключения [24, 25]. В последнее время квантовые точки также применялись для расщепления воды из-за их превосходных электрокаталитических и фотокаталитических свойств [26]. КТ стали подходящим материалом-кандидатом в области отображения, который имеет большой потенциал для замены традиционного порошка люминофора и увеличения диапазона цветовой гаммы ЖК-дисплея [27, 28]. Технология подсветки на основе квантовых точек в настоящее время является основным направлением применения в дисплеях, которым уделяется большое внимание как в научных, так и в промышленных кругах. КТ обычно состоят из элементов II – VI или III – V групп и имеют диаметр кристаллического зерна всего около 2–10 нм [29, 30]. Из-за эффекта квантового ограничения запрещенная зона КТ может изменяться в зависимости от размера частицы. В последние несколько лет исследования селенида кадмия (CdSe) и его квантовых точек типа ядро-оболочка в технологии отображения были самыми популярными, главным образом потому, что длина волны его излучения света попадает в видимый диапазон. Структура устройства QD-LED аналогична структуре полимерного светоизлучающего диода (PLED), а его эмиссионный слой покрывается методом центрифугирования с использованием раствора коллоидных полупроводниковых квантовых точек, что дает такие преимущества, как простой процесс изготовления, низкая стоимость и гибкость для изготовления [31,32,33].

В настоящее время основные источники света LED BLU можно условно разделить на два типа:с боковой подсветкой и с прямым освещением. В целом, равномерность контрастности и яркости, обеспечиваемая прямым освещением, будет лучше, чем при боковом освещении. Для равномерного распределения яркости по краям используется световодная пластина для распределения света по всему экрану. Однако вес световодной пластины становится слишком большим для ЖК-телевизоров большого размера. Кроме того, он должен иметь хорошее оптическое качество, что влечет за собой высокую стоимость. При прямом освещении световод не используется; Светодиодная матрица равномерно размещена непосредственно под ЖК-панелью, что обеспечивает выдающуюся однородность яркости и хорошую оптическую эффективность [34,35,36]. Яркость и однородность BLU имеют большое влияние на однородность модуля дисплея. Поэтому очень важно улучшить равномерность яркости BLU. Однако в реальных приложениях трудно поддерживать равномерность освещения BLU. Неравномерность яркости будет значительно отличаться, когда модуль станет тоньше. Чтобы добиться тонкого светодиода и хорошей однородности, сложнее разработать BLU, отвечающий требованиям. В этом исследовании предлагается метод улучшения равномерности яркости светодиода BLU. Равномерность яркости BLU обсуждалась с учетом разных углов излучения светодиодов и различной толщины пленки QD.

Методы

Светодиодная эпиванка из GaN с длиной волны излучения 460 нм была выращена методом химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) на сапфировой подложке с c-плоскостью. Светодиодная структура состоит из нелегированного слоя GaN толщиной 2 мкм, плакирующего слоя GaN n-типа толщиной 2,0 мкм, шести периодов множественных квантовых ям (MQW) InGaN / GaN, толщины 25 нм Слой блокировки электронов p-AlGaN, легированный магнием, и плакирующий слой GaN p-типа, легированный магнием, толщиной 0,2 мкм. Слои Ni / Ag / Ni / Pt для омического контактного слоя и отражателя были нанесены на светодиод с помощью системы испарения электронного луча. Три структуры mini FC-LED (mini-LED) с разными углами излучения, использованные в этом исследовании, были изготовлены методом переноса пленки и методом литого чипа (CSP) с подробным сравнением:120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED , и 180 ° mini-CSPLED, как показано на рис. 1. Структура 120 ° mini-CSPLED имеет защитный слой на всех четырех сторонах чипа и прозрачный слой на светоизлучающей поверхности. Структура mini-CSPLED под углом 150 ° имеет прозрачный слой сбоку и светоизлучающую поверхность чипа. Структура mini-CSPLED на 180 ° имеет прозрачный слой сбоку и световое излучение на поверхности чипа, а на самый верхний слой нанесен диффузионно-отражающий слой. Если источником материала прозрачного слоя является TiO ₂ / нанокомпозита силиконовой смолы, толстый защитный слой и тонкий диффузионно-отражающий слой представляют собой TiO ₂ порошки. Пленки КТ были получены с использованием КТ CdSe / ZnS ядро-оболочка в качестве источника материала. Зеленые (~ 525 нм) и красные (~ 617 нм) КТ CdSe / ZnS ядро-оболочка были смешаны с полиметилметакрилатом (ПММА) для получения пленок КТ различной толщины, оптические характеристики которых можно найти в Дополнительный файл 1:Рисунок S1. Эти пленки с квантовыми точками были изготовлены в качестве преобразователя цвета на светодиодном чипе ( λ =450 нм) для получения устройств белого света. На рисунке 2 показана структура BLU (18 мм × 18 мм), которая состоит из матрицы мини-светодиодов квадратной формы 3 × 3, диффузионной пластины, пленок с квантовыми точками и двух призматических пленок. Матрица мини-светодиодов была установлена ​​на печатной плате с размером кристалла 20 мил × 20 мил и шагом 5,1 мм. Эффективное оптическое расстояние (OD) между чипом и рассеивающей пластиной устанавливается равным 2,5 мм для обеспечения хорошей пространственной однородности. На рисунке 3 показана синяя матрица мини-светодиодов для возбуждения пленок КТ разной толщины (например, пленки КТ толщиной 60 мкм, 90 мкм и 150 мкм) для получения белого планарного источника света. Равномерность яркости всей панели оценивается, как показано на рис. 3, путем измерения яркости в пяти точках, L1 – L5, расположенных на панели. Равномерность яркости СИН в этом исследовании выражается следующей формулой:

Принципиальные схемы трех видов угловой структуры излучения mini-CSPLED. а 120 ° мини-CSPLED, b 150 ° мини-CSPLED и c 180 ° мини-CSPLED

Принципиальные схемы конструкции блока подсветки

Принципиальные схемы измерения равномерности яркости

Выходная мощность света – ток – напряжение ( L – I – V ) характеристики этих мини-CSPLED были измерены при комнатной температуре с использованием измерителя источника Keithley 2400 и интегрированной сферы с откалиброванным измерителем мощности (CAS 140B, Instrument Systems, Мюнхен). Пространственные диаграммы направленности этих мини-CSPLED были измерены с помощью гониофотометра (LEDGON-100, Instrument Systems, Мюнхен). Спектры яркости и электролюминесценции (EL) BLU с пленками QD были проанализированы с помощью измерителя спектральной яркости (SRI-RL-5000, Optimum Optoelectronics Corp., Тайвань).

Результаты и обсуждение

На рисунке 4 представлены измеренные L – I – V характеристики трех видов мини-CSPLED. При токе инжекции 20 мА прямые напряжения 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED и 180 ° mini-CSPLED были одинаковыми и составляли ~ 2,72 В. При дальнейшем увеличении тока инжекции до 200 мА прямое напряжение этих трех типов mini-CSPLED было увеличено до 3,09–3,14 В. Очевидно, что I – V Кривые этих трех устройств практически идентичны, что свидетельствует о том, что процесс CSP не нарушает электрических свойств. С другой стороны, L – I Кривая показывает лишь небольшую разницу в светоотдаче 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED и 180 ° mini-CSPLED, что указывает на результат успешной оптимизации устройства через структуру CSP. С другой стороны, выходная мощность света трех типов мини-CSPLED изначально увеличивается линейно с током инжекции. L – I Кривая показывает лишь небольшую разницу в светоотдаче 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED и 180 ° mini-CSPLED, что указывает на результат успешной оптимизации устройства через структуру CSP. При увеличении тока инжекции до 200 мА выходная световая мощность трех типов мини-CSPLED составляла приблизительно 250,9, 258,0 и 245,9 мВт. Выходная мощность света 120 ° mini-CSPLED составляет менее 150 ° mini-CSPLED, которая может поглощаться диффузионно-отражающим слоем. Мини-CSPLED 180 ° дает ухудшение выходной мощности света на 2,05% и 4,93% при высоком токе 200 мА по сравнению с мини-CSPLED 120 ° и мини-CSPLED 150 °. Ухудшение может быть связано с добавлением диффузно отражающего слоя поверх прозрачного слоя / CSPLED, свет может немного поглощаться, или большая часть света концентрируется в прозрачном слое с отражением, исходящим от боковой стенки.

L – I – V характеристики 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED и 180 ° mini-CSPLED

На рис. 5 показаны диаграммы направленности 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED и 180 ° mini-CSPLED при токе инжекции 100 мА. Диаграммой направленности мини-CSPLED можно управлять, изменяя структуру корпуса. Углы обзора 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED и 180 ° mini-CSPLED составили 110,6 °, 148,7 ° и 180 ° соответственно. Очевидно, что угол обзора диаграммы направленности 180 ° mini-CSPLED был больше, чем угол обзора 120 ° mini-CSPLED и 150 ° mini-CSPLED. Можно обнаружить, что интенсивность центрального светового выхода диаграммы направленности 180 ° mini-CSPLED была снижена наполовину из-за диффузно-отражающего слоя наверху. Более широкий угол обзора был вызван значительным выходом света из прозрачного слоя после его отражения диффузионным отражающим слоем, то есть диаграмма излучения с распределением света в форме крыла бабочки; таким образом, его можно использовать как планарный источник света. С другой стороны, 120 ° mini-CSPLED был покрыт диффузионно-отражающим слоем со всех четырех сторон, так что свет концентрировался и излучался вверх, образуя распределение света в форме Ламберта. Кроме того, благодаря пятистороннему конформу, покрытому прозрачным слоем, распределение света 150 ° mini-CSPLED было похоже на распределение света в форме крыла летучей мыши.

Диаграммы излучения 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED и 180 ° mini-CSPLED (при 10 мА)

В таблице 1 показаны оптоэлектронные свойства синих BLU mini-CSPLED с разными углами излучения. При том же прямом напряжении 24 В (при 10 мА) координаты цветности CIE ( x , y ) 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU и 180 ° mini-CSPLED BLU все были похожи и ( x , y ) =( x =0,1518 - 0,15,2, y =0,026 - 0,0281). Кроме того, светоотдача синего BLU 120 ° mini-CSPLED, синего BLU 150 ° mini-CSPLED и синего BLU 180 ° mini-CSPLED составила 147,43, 153,02 и 146,71 мВт соответственно. Из-за структурного фактора корпуса mini-CSPLED 180 ° выходная мощность света была немного плохой, но площадь освещения была увеличена.

На рисунках 6a – c показана диаграмма цветности CIE 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU и 180 ° mini-CSPLED BLU с разной толщиной пленки QD. Координаты цветности CIE ( x , y ) трех видов mini-CSPLED BLU с разной толщиной пленки QD были измерены следующим образом :( x , y ) =( x =0,1977–0,2525, y =0,1297–0,2284), ( x , y ) =( x =0,1941–0,2478, y =0,1239–0,2295) и ( x , y ) =( x =0,1947 - 0,2496, y =0,1328 - 0,2331) соответственно. Было ясно, что координаты цветности излучения соответствующего BLU с пленками QD различной толщины, показывающими координаты цветности CIE, расположены вблизи синей области. По мере увеличения толщины пленки КТ координаты цветности CIE смещаются в сторону белой области. Кроме того, яркость СИН увеличивается с увеличением толщины пленки КТ с 60, 90 и 150 мкм. Этот результат был объяснен значительным увеличением вероятности возбуждения толстыми пленками квантовых точек для получения белого света и увеличения яркости. С другой стороны, яркость BLU 180 ° mini-CSPLED BLU была значительно снижена, что может быть связано со снижением средней яркости в результате большей площади освещения. Результаты этого исследования показывают координаты цветности CIE ( x , y ) и яркость для трех видов угловой структуры излучения mini-CSPLED с различной толщиной пленки квантовых точек и суммированы в таблицах 2, 3 и 4, в которых измерения данных можно найти в дополнительном файле 1:рисунки S2 – S10.

Диаграммы цветности CIE 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU и 180 ° mini-CSPLED BLU с разной толщиной пленки QD

На рисунках 7a – e показаны изображения распределения света 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU и 180 ° mini-CSPLED BLU с диффузором и без диффузора и различной толщины пленки QD. На рис. 7а показаны изображения распределения света трех типов синих BLU mini-CSPLED без диффузора и пленок с квантовыми точками. Поместив рассеивающую пластину на три типа mini-CSPLED BLU, можно увидеть, что 180 ° mini-CSPLED BLU имеет лучший равномерный планарный свет по сравнению с 120 ° mini-CSPLED BLU и 150 ° mini-CSPLED BLU. Тем не менее, 120 ° mini-CSPLED BLU и 150 ° mini-CSPLED BLU демонстрируют полосы, в которых 120 ° mini-CSPLED BLU является наиболее заметным, как показано на рис. 4b. Аналогично, как показано на фиг. 7c – e, пленки QD помещаются на рассеивающую пластину, и по мере увеличения толщины пленки QD изображения распределения света трех типов mini-CSPLED BLU четко показывают, что яркость BLU увеличивается и приближается к белому свету.; узор в виде полос также становится все менее и менее неочевидным. Наблюдения за изображениями распределения света хорошо согласуются с координатами цветности CIE ( x , y ) и результаты яркости.

Изображения распределения света 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU и 180 ° mini-CSPLED BLU с рассеивающей пластиной и без нее и различной толщиной пленки QD

Из приведенных выше результатов видно, что координаты цвета CIE ( x , y ) можно приблизить к белой области с помощью пленок КТ толщиной 150 мкм. Поэтому толщина пленок QD была фиксированной, и обсуждались эффекты однородности яркости трех типов mini-CSPLED BLU. Используя метод измерения однородности яркости по 5 точкам, однородность яркости трех видов пленок mini-CSPLED BLU + толщиной 150 мкм с квантовыми точками была оценена как 35%, 39% и 86% соответственно. Очевидно, что равномерность яркости BLU 180 ° mini-CSPLED BLU улучшилась в 1,47 и 1,19 раза по сравнению с таковой у 120 ° mini-CSPLED BLU и 150 ° mini-CSPLED BLU. Таким образом, было обнаружено, что использование пленки КТ 180 ° mini-CSPLED BLU + толщиной 150 мкм может эффективно улучшить общую однородность яркости BLU. Расчет однородности яркости трех типов мини-CSPLED BLU + пленок с квантовыми точками толщиной 150 мкм был сведен в Таблицу 5, данные измерений которой можно найти в Дополнительном файле 1:Рисунки S11 – S22.

На рисунках 8a – c показаны диаграмма цветности CIE и спектры электролюминесценции трех видов пленок mini-CSPLED BLU + КТ толщиной 150 мкм с ЖК-дисплеем и без него. Как показано на рис. 8a, можно видеть, что координата цветности CIE ( x , y ) 120 ° mini-CSPLED BLU со сдвигом ЖК-дисплея с (0,2525, 0,2284) на (0,2873, 0,3099). 150 ° mini-CSPLED BLU с ЖК-дисплеем был от (0,2478, 0,2295) до (0,2830, 0,3072). 180 ° mini-CSPLED BLU с ЖК-дисплеем был от (0,2496, 0,2331) до (0,2794, 0,3063). Это показывает, что с добавлением ЖК-дисплея координаты цветности CIE сместились больше в сторону белой области. Спектр ЭЛ трех видов пленок mini-CSPLED BLU + 150 мкм толщиной без ЖК-дисплея демонстрирует сильную интенсивность синего света, а координата цветности CIE расположена в ближней синей области, как показано на рис. 8b (см. Рис. 8b). Дополнительный файл 1:Рисунки S4, S7 и S10). Когда ЖК-дисплей был размещен на трех типах пленок mini-CSPLED BLU + КТ толщиной 150 мкм, спектр электролюминесценции показывает, что интенсивность красного, зеленого и синего света была одинаковой, а координата цветности CIE была расположена в белой области. . Этот результат можно отнести к цветовому фильтру в структуре ЖК-дисплея, который улучшает положение цветовой координаты, как показано на рис. 8c (см. Дополнительный файл 1:рисунки S23 – S25). На вставке показана фактическая фотография применения пленки 180 ° mini-CSPLED BLU + QD толщиной 150 мкм с ЖК-дисплеем.

а Диаграмма цветности CIE. б , c Спектры электролюминесценции трех видов мини-CSPLED BLU + пленки QD толщиной 150 мкм с ЖК-дисплеем и без него

Выводы

В заключение, мы успешно использовали mini-CSPLED BLU в качестве источника синего света и энергии возбуждения вместе с пленками с квантовыми точками для получения однородной белой подсветки. Мини-CSPLED были подвергнуты изготовлению упакованной структуры с углом излучения для 120 °, 150 ° и 180 °, чтобы убедиться, что оптические характеристики mini-CSPLED имеют существенные различия. Угол излучения лагера и площадь освещения 180 ° mini-CSPLED значительно улучшились по сравнению с таковыми у 120 ° mini-CSPLED и 150 ° mini-CSPLED. Впечатляюще, 180 ° mini-CSPLED BLU с пленкой QD толщиной 150 мкм обеспечивает превосходную равномерную яркость планарного источника белого света для дисплеев с подсветкой примерно 86%, что важно для будущей технологии ультратонких дисплеев. Мы внедрили высоконадежную технологию CSP, которая может защитить светодиодный чип, решить проблемы с углом излучения и площадью освещения светодиодов, а также изготовить источник задней подсветки для дисплеев с хорошей однородностью яркости.

Сокращения

BLU:

Блок подсветки

CCFL:

Люминесцентная лампа с холодным катодом

CdSe:

Селенид кадмия

GaN:

Нитрид галлия

ЖК-дисплей:

Жидкокристаллический дисплей

мини-CSPLED:

Миниатюрный светодиод в корпусе микросхемы

OLED:

Органический светодиод

PLED:

Полимерный светодиод

QD:

Квантовые точки

YAG:

Иттрий-алюминиевый гранат