Ультраравномерная белая подсветка с использованием 180° mini-CSPLED и квантово-точечных пленок

Аннотация

Представлен блок подсветки (BLU) прямого типа с высокой однородностью, основанный на миниатюрных чип-масштабных упакованных светодиодах (mini-CSPLED), интегрированном с квантово-точечной (QD) пленкой, диффузорной пластиной и двумя призматическими пленками. Были изготовлены три mini-CSPLED с углами излучения 120°, 150° и 180° методом чип-масштабной упаковки (CSP). Устройство с углом 180°, несмотря на незначительные потери мощности (4% при 10 мА по сравнению с 150°), обеспечивает существенно более широкий угол излучения, что улучшает плоскую однородность света и уменьшает количество светодиодов на единицу площади. Изменение толщины QD-пленки (60, 90, 150 мкм) на синих mini-CSPLED позволило достичь преобразования хроматичности в белую область и увеличить яркость BLU. Блок подсветки на базе 180° mini-CSPLED с QD-пленкой толщиной 150 мкм показал 86% однородности яркости, что значительно превосходит конструкции с углами 120° и 150°.

Введение

Жидкокристаллические дисплеи (LCD) доминируют в современной визуальной технологии, однако их характеристики ограничены фосфорными подсветками, страдающими от низкого КПД, широкого спектра, быстрого деградации и плохой однородности. Синие светодиоды с желтым фосфором YAG стали стандартом, но излучают холодный белый свет с неоптимальным цветопередачей (CRI < 75). Повышение светосилы и качества цвета остается ключевой задачей.

Квантовые точки (QD) обладают выдающимися оптическими свойствами — высоким квантовым выходом фотолюминесценции, узким излучением и настраиваемым спектром — что делает их привлекательными как твердотельные цветопреобразователи. QD уже проявили себя в солнечных элементах, светодиодах, фотодетекторах и даже электро катализе. В подсветке дисплеев QD-пленки могут заменить обычные фосфоры, расширяя цветовой охват CIE и улучшая цветовую точность.

Архитектуры подсветки делятся на краевую и прямую. Прямые BLU, где светодиоды размещены непосредственно под панелью, обеспечивают лучшую однородность яркости и оптический КПД, особенно для тонких телевизоров. Однако достижение равномерного освещения остается сложной задачей, особенно при уменьшении толщины устройства. В данном исследовании изучается, как инженерия угла излучения и оптимизация толщины QD-пленки могут повысить однородность BLU.

Методы

Эпитаксиальный пласт GaN (λ = 460 нм) вырос методом MOCVD на сапфировой подложке (111). Структура включала 2-мкм нелегированный GaN-буфер, 2-мкм Si-легированный n-GaN, шесть квантовых ям InGaN/GaN, 25-нм Mg-легированный p-AlGaN блокирующий слой и 0.2-мкм Mg-легированный p-GaN. Контакты Ni/Ag/Ni/Pt наносились электронно-лучевым испарением. Три mini-CSPLED с углами 120°, 150° и 180° изготавливались методом переноса пленки и CSP-молдинга. Конструкция 180° включает прозрачный нанокомпозит TiO₂/силиконовой смолы на боковых гранях и верхний диффузно-рефлектирующий слой.

Ядро-оболочечные QD CdSe/ZnS (зеленый ≈ 525 нм, красный ≈ 617 нм) смешивали с PMMA для получения пленок толщиной 60, 90 и 150 мкм. Эти пленки служили цветопреобразователями на синих чипах mini-CSPLED (450 нм). BLU состоял из массива 3×3 mini-LED размером 18×18 мм, диффузорной пластины, QD-пленки и двух призматических пленок. Оптическое расстояние между чипом и диффузором составляло 2.5 мм.

Электрические характеристики измерялись источником-измерителем Keithley 2400 и калиброванным измерителем мощности (CAS 140B). Пространственные диаграммы направленности фиксировались гониофотометром (LEDGON-100). Спектры электролюминесценции и люминанция записывались спектральным люминометром (SRI-RL-5000). Однородность яркости оценивалась в пяти точках (L1–L5) по формуле (1).

Результаты и обсуждение

Все три mini-CSPLED показали идентичные вольт-амперные характеристики: прямое напряжение ~2.72 В при 20 мА и ~3.12 В при 200 мА, что подтверждает сохранение электрической целостности CSP-процессом. Светосила линейно росла с током, достигая ~250 мВт при 200 мА. Устройство 180° демонстрирует незначительное (~5%) снижение выхода, обусловленное диффузно-рефлектирующим слоем и более широким излучением.

Диаграммы направленности подтвердили заданные углы: 120° (110.6°), 150° (148.7°) и 180° (180°). 180°-устройство дало бабочкообразное распределение, идеальное для плоского освещения, в то время как 120°-устройство показало Ламбертовский рисунок из-за полного покрытия боковых граней.

При прямом напряжении 10 мА (24 В) все BLU достигли координат CIE (x ≈ 0.15, y ≈ 0.027) и синей выходной мощности 147–153 мВт. Увеличение толщины QD-пленки сдвигало хроматичность в белую область и пропорционально увеличивало яркость: 60 мкм → 90 мкм → 150 мкм. BLU на 180° с QD-пленкой 150 мкм дал максимальную яркость и наиболее равномерное распределение света, что подтверждается уменьшением полосатого рисунка на изображениях диффузорной пластины.

Однородность яркости в пяти точках составила 86% для 180° BLU с QD-пленкой 150 мкм, против 35% и 39% для 120° и 150° конструкций. Это представляет улучшение в 1.47 и 1.19 раза соответственно.

Добавление LCD-панели дополнительно сдвинуло координаты CIE в белую область для всех BLU, демонстрируя, что QD-преобразованная подсветка может эффективно поддерживать дисплеи с высокой цветовой точностью.

Заключение

Комбинация 180° mini-CSPLED с QD-пленками толщиной 150 мкм позволила получить ультраравномерную плоскую белую подсветку с 86% однородностью яркости, подходящую для ультратонких дисплейных модулей. CSP-технология защищает кристалл светодиода, расширяет угол излучения и снижает плотность светодиодов, открывая путь к высокопроизводительным дисплеям следующего поколения.

Аббревиатуры

BLU

Блок подсветки (Backlight unit)

CCFL

Лампы с холодным катодом (Cold cathode fluorescent lamp)

CdSe

Селенيد кадмия

GaN

Нитрид галлия

LCD

Жидкокристаллический дисплей

mini‑CSPLED

Мини чип-масштабный упакованный светодиод

OLED

Органический светодиод

PLED

Полимерный светодиод

QDs

Квантовые точки

YAG

Иттрий-алюминиевый гранат