Ultra-uniforme witte achterverlichting met 180° mini-CSPLEDs en quantumdotfilms

Samenvatting

We presenteren een direct-geverlichte mini-chip-scale packaged LED (mini-CSPLED) achterverlichtingseenheid (BLU) met hoge uniformiteit, die een quantumdot (QD) film, een diffusieplaat en twee prismafilms integreert. Drie mini-CSPLEDs met emissiehoeken van 120°, 150° en 180° werden geproduceerd via een chip-scale package (CSP) proces. Het 180° apparaat, ondanks een bescheiden vermogensverlies van 4% bij 10 mA ten opzichte van de 150° variant, levert een aanzienlijk bredere emissiekegel die de vlakke lichtuniformiteit verbetert en het aantal LEDs per oppervlakte vermindert. Door de QD-filmdikte te variëren (60, 90, 150 µm) op de blauwe mini-CSPLEDs, bereikten we CIE-chromaticiteitsomzetting naar het witte gebied en verhoogde BLU-helheid. De 180° mini-CSPLED BLU met een 150-µm QD-film haalde een helderheidsuniformiteit van 86%, duidelijk superieur aan de 120° en 150° ontwerpen.

Achtergrond

Vloeistofkristalschermen (LCD's) domineren moderne visuele technologie, maar hun prestaties worden beperkt door fosfor-gebaseerde achterverlichting, die lijdt aan lage efficiëntie, brede spectra, snelle degradatie en slechte uniformiteit. Blauwe LEDs die YAG-gele fosforen aansturen zijn de standaard BLU-bron geworden, maar produceren koel wit licht met suboptimale kleurweergave (CRI < 75). Het verbeteren van lumineuze efficiëntie en kleurkwaliteit blijft een kernonderzoekdoel.

Quantum dots (QDs) bieden uitzonderlijke optische eigenschappen—hoge fotoluminescentie quantum yield, smalle emissie en spectrale afstembaarheid—wat ze aantrekkelijk maakt als vastestof-kleurenconverters. QDs hebben al hun waarde bewezen in zonnecellen, LEDs, fotodetectoren en zelfs electrocatalyse. In display-achterverlichting kunnen QD-films conventionele fosforen vervangen om het CIE-gamut te vergroten en de kleurgetrouwheid te verbeteren.

Backlight-architecturen worden ruwweg ingedeeld als kant-geverlicht of direct-geverlicht. Direct-geverlichte BLU's, die LEDs direct onder het paneel plaatsen, bieden superieure helderheidsuniformiteit en optische efficiëntie, met name voor dunne TV-panelen. Het bereiken van uniforme verlichting over het paneel blijft echter uitdagend, zeker naarmate de apparaatdikte afneemt. Deze studie onderzoekt hoe emissiehoekinrichting en QD-filmdikte-optimalisatie de BLU-uniformiteit kunnen verbeteren.

Methoden

Het GaN LED epitaxiale wafer (λ = 460 nm) werd gegroeid door MOCVD op een c-vlak sappirsubstraat. De structuur bestond uit een 2-µm ongedopeerde GaN buffer, een 2-µm Si-gedopeerde n-GaN kledinglaag, zes InGaN/GaN MQWs, een 25-nm Mg-gedopeerde p-AlGaN blokkeringslaag, en een 0,2-µm Mg-gedopeerde p-GaN kledinglaag. Ni/Ag/Ni/Pt contacten werden gedeponeerd via elektronenbundelverdamping. Drie mini-CSPLEDs werden geproduceerd met 120°, 150° en 180° emissiekegels met behulp van een film-transfer en CSP-mouldtechniek. Het 180° ontwerp omvat een transparante TiO₂/siliconehars nanocomposiet zijwand en een bovenste diffusie-reflectieve laag.

CdSe/ZnS kern-schelp QDs (groen ≈ 525 nm, rood ≈ 617 nm) werden gemengd met PMMA om QD-films van 60, 90 en 150 µm dikte te vormen. Deze films fungeerden als kleurenconverters op 450-nm blauwe mini-CSPLED chips. De BLU bestond uit een 18 mm × 18 mm 3 × 3 mini-LED array, een diffusieplaat, de QD-film en twee prismafilms. De optische afstand tussen chip en diffusieplaat was 2,5 mm.

Elektrische prestaties werden gemeten met een Keithley 2400 bronmeter en een gekalibreerde vermogensmeter (CAS 140B). Ruimtelijke stralingspatronen werden vastgelegd met een goniometer (LEDGON-100). Luminantie en electroluminescentie (EL) spectra werden geregistreerd met een spectrale luminantiemeter (SRI-RL-5000). Helderheidsuniformiteit werd geëvalueerd in vijf punten (L1–L5) met behulp van formule (1).

Resultaten en Discussie

Alle drie mini-CSPLEDs vertoonden identieke I-V kenmerken, met een voorwaartsspanning van ~2,72 V bij 20 mA en ~3,12 V bij 200 mA, wat bevestigt dat het CSP-proces de elektrische integriteit behoudt. Lichtopbrengst steeg lineair met de stroom, tot ~250 mW bij 200 mA. Het 180° apparaat toont een lichte (~5%) daling in opbrengst, toegeschreven aan de diffusie-reflectieve laag en bredere emissie.

Stralingspatronen bevestigden de ontworpen emissiehoeken: 120° mini-CSPLED (110,6°), 150° mini-CSPLED (148,7°) en 180° mini-CSPLED (180°). Het 180° ontwerp produceerde een vlinder-vormige distributie, ideaal voor vlakke verlichting, terwijl het 120° apparaat een Lambertiaans patroon vertoonde door volledige zijwandbedekking.

Bij een voorwaartsspanning van 24 V bij 10 mA, bereikten alle BLU's CIE-coördinaten van (x ≈ 0,15, y ≈ 0,027) en blauwe uitgangsvermogens tussen 147–153 mW. Het verhogen van de QD-filmdikte verschuifde de chromaticiteit naar het witte gebied en verhoogde de helderheid proportioneel: 60 µm → 90 µm → 150 µm. De 180° BLU met een 150-µm QD-film leverde de hoogste helderheid en meest uniforme lichtverdeling, zoals blijkt uit het verminderde streep patroon in de diffusieplaat-beelden.

Helderheidsuniformiteit, gemeten over vijf punten, bereikte 86% voor de 180° BLU met een 150-µm QD-film, vergeleken met 35% en 39% voor de 120° en 150° ontwerpen. Dit vertegenwoordigt een 1,47-voudige en 1,19-voudige verbetering respectievelijk.

Het toevoegen van een LCD-paneel verschuifde de CIE-coördinaten verder naar het witte gebied voor alle BLU's, wat aantoont dat de QD-geconverteerde achterverlichting effectief hoog-kleuraccurate displays kan ondersteunen.

Conclusies

Door 180° mini-CSPLEDs te combineren met 150-µm QD-films, bereikten we een ultra-uniforme vlakke witte achterverlichting met 86% helderheidsuniformiteit, geschikt voor ultra-dunne displaymodules. De CSP-technologie beschermt de LED-chip, vergroot de emissiehoek en verlaagt de LED-dichtheid, wat de weg baant voor next-generation high-performance displays.

Afkortingen

BLU

Achterverlichtingseenheid

CCFL

Koude-kathode fluorescentielamp

CdSe

Cadmiumselenide

GaN

Galliumnitride

LCD

Vloeistofkristalscherm

mini-CSPLED

Mini chip-scale packaged lichtemitterende diode

OLED

Organische lichtemitterende diode

PLED

Polymeer lichtemitterende diode

QDs

Quantum dots

YAG

Yttriumaluminiumgranaat