High-Uniformity Planar Mini-Chip-Scale verpakte LED's met Quantum Dot Converter voor witte lichtbron
Abstract
Deze studie stelt een nieuwe, direct verlichte mini-chip-schaal verpakte light-emitting diode (mini-CSPLED) backlight unit (BLU) voor die quantum dot (QD) film, diffusieplaat en twee prismafilms gebruikte om de helderheidsuniformiteit te verbeteren. Drie verschillende lichtsterkte-eenheden, 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED en 180 ° mini-CSPLED met verschillende emissiehoekstructuren werden vervaardigd met behulp van een CSP-proces. In termen van componentkenmerken, hoewel het 180° mini-CSPLED-lichtuitgangsvermogen ongeveer 4% (bij 10 mA) verlies is in vergelijking met 150° mini-CSPLED, heeft het een grote emissiehoek die een vlakke lichtbron vormt die bijdraagt aan het verbeteren de uniformiteit van de BLU-helderheid en het verminderde aantal LED's in hetzelfde gebied. In termen van BLU-analyse wekken de blauwe mini-CSPLED's met verschillende emissiehoeken de verschillende QD-filmdiktes op; de kleurkwaliteit coördineert de conversie naar het witte lichtgebied. De BLU-helderheid neemt toe naarmate de QD-filmdikte toeneemt van 60, 90 en 150 m. Dit resultaat kan een helderheidsuniformiteit van 86% bereiken in een 180° mini-CSPLED BLU + 150 μm dikke QD-films in vergelijking met de 120° mini-CSPLED BLU en 150° mini-CSPLED BLU.
Achtergrond
Liquid crystal display (LCD) wordt steeds populairder als de reguliere weergavetechnologie in verschillende hedendaagse samenlevingsgebieden. Met de verbetering van de levensstandaard stellen mensen steeds hogere eisen aan de kwaliteit van LCD-schermen. Vooral op het gebied van kleurengamma en helderheid worden LCD's voortdurend overtroffen door andere weergavetechnologieën, zoals organische lichtemitterende diodes (OLED's) en laserschermen [1,2,3]. Om de LCD-prestaties te verbeteren, hebben light-emitting diodes (LED's) geleidelijk de traditionele koude kathode fluorescentielamp (CCFL) vervangen vanwege het kleine formaat, het lage energieverbruik en de lage warmteontwikkeling. LED's zijn de nieuwe generatie van LCD-backlight unit (BLU) bron [4,5,6] geworden. Momenteel gebruikt de LED BLU een blauwe LED om de gele fosfor op te wekken om een witte achtergrondverlichting te vormen. De lage efficiëntie van de fosfor, het brede spectrum, het grote lichtverval en de slechte uniformiteit van de deeltjes belemmeren echter de verbetering van de helderheid en het CIE-chromaticiteitsbereik van de LCD; dus er is nog ruimte voor verbetering. Het is algemeen bekend dat witte LED's voornamelijk worden vervaardigd door een gele YAG-fosforlaag te coaten op een galliumnitride (GaN) blauwe LED (golflengte 450-470 nm) [7, 8]. Het emissiespectrum mist echter rood licht, straalt koel wit licht uit, is niet natuurlijk genoeg en heeft een slechte kleurweergave (CRI lager dan 75), wat de toepassing ervan in hoogwaardige verlichting en speciale velden beperkt. Om LED's met een hoge CRI te verkrijgen, wordt een kleine hoeveelheid rode fosfor en een kleine hoeveelheid groene fosfor toegevoegd aan de gele fosfor om het spectrum te compenseren en te veranderen [6, 9]. Deze methode van LED gecoat met fosfor is echter nog steeds onvoldoende in termen van lichtopbrengst en chemische stabiliteit, en het is moeilijk om grootschalige popularisering en toepassing te verkrijgen.
Als een nieuw type fluorescerende halfgeleider-nanokristallen hebben nano-kwantumdots (QD's) veel unieke optische eigenschappen, zoals een hoge fotoluminescentie-kwantumopbrengst, een smal emissiespectrum, een afstembaar emissiespectrum en een hoge kleurzuiverheid [10,11,12,13,14 ,15,16]. Er is aangetoond dat QD-converter bij efficiënt fotonenbeheer op grote schaal kan worden gebruikt in zonnecellen [17, 18], LED's [19, 20] en fotodetectoren [21,22,23]. Vooral QD-fotodetectoren met selecteerbare golflengten en hoge responsiviteit en aan/uit-verhouding zijn gerapporteerd [24, 25]. Onlangs werden QD's ook toegepast voor watersplitsing vanwege de superieure elektrokatalytische en fotokatalytische eigenschappen [26]. QD's zijn een geschikt kandidaatmateriaal geworden in het weergaveveld, dat een groot potentieel heeft om het traditionele fosforpoeder te vervangen en het LCD-kleurengamma te vergroten [27, 28]. Op QD gebaseerde achtergrondverlichtingstechnologie is momenteel het belangrijkste toepassingsdoel in beeldschermen, die veel aandacht krijgen van zowel wetenschappelijke als industriële kringen. QD's zijn over het algemeen samengesteld uit groep II-VI- of III-V-elementen en hebben een kristalkorreldiameter van slechts ongeveer 2-10 nm [29, 30]. Vanwege het kwantumbegrenzingseffect kan de QD-energiekloof veranderen met de deeltjesgrootte. In de afgelopen jaren is onderzoek naar cadmiumselenide (CdSe) en de core-shell QD's in beeldschermtechnologie het populairst, vooral omdat de golflengte van de lichtemissie binnen het zichtbare bereik valt. De structuur van het QD-LED-apparaat is vergelijkbaar met die van een polymere lichtemitterende diode (PLED), en de emissielaag is spin-gecoat met behulp van een colloïdale halfgeleider QD-oplossing, waardoor de voordelen van het eenvoudige voorbereidingsproces, lage kosten en flexibiliteit voor fabricage [31,32,33].
Op dit moment kan de mainstream LED BLU-lichtbronopstelling grofweg worden onderverdeeld in twee typen:edge-lit en direct-lit. Over het algemeen zullen het contrast en de helderheidsuniformiteit die door direct verlicht worden geboden, beter zijn dan de edge-lit. Randverlichte helderheidsuniformiteit maakt gebruik van een lichtgeleiderplaat om het licht over het hele scherm te verdelen. Het gewicht van de lichtgeleiderplaat wordt echter te groot voor grote lcd-tv-toepassingen. Bovendien moet het een goede optische kwaliteit hebben, wat resulteert in hoge kosten. Direct-lit gebruikt geen lichtgeleider; de LED-array is gelijkmatig direct onder het LCD-paneel geplaatst, wat uitstekende prestaties levert op het gebied van helderheidsuniformiteit en goede optische efficiëntie [34,35,36]. De BLU-helderheid en uniformiteit heeft een grote invloed op de uniformiteit van de displaymodule. Daarom is het erg belangrijk om de BLU-helderheidsuniformiteit te verbeteren. In werkelijke toepassingen is de uniformiteit van de BLU-verlichting echter moeilijk te handhaven. De niet-uniformiteit van de helderheid zal aanzienlijk verschillen wanneer de module dunner wordt. Om een dunne LED en een goede uniformiteit te bereiken, is het een grotere uitdaging om een BLU te ontwerpen die aan de eis voldoet. Deze studie stelt een methode voor om de helderheidsuniformiteit van LED BLU te verbeteren. De uniformiteit van de BLU-helderheid werd besproken door de verschillende LED-emissiehoeken en de verschillende QD-filmdiktes.
Methoden
De GaN LED-epiwafer met een emissiegolflengte van 460 nm werd gekweekt door metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) op een c-vlak saffiersubstraat. De LED-structuur bestaat uit een 2 m dikke ongedoteerde GaN-laag, een 2,0 μm dikke Si-gedoteerde n-type GaN-bekledingslaag, zes perioden van InGaN/GaN meervoudige kwantumputten (MQW), een 25 nm dikke Mg-gedoteerde p-AlGaN-elektronenblokkerende laag en een 0,2 μm dikke Mg-gedoteerde p-type GaN-bekledingslaag. De Ni/Ag/Ni/Pt-lagen voor ohmse contactlaag en reflector werden via een elektronenstraalverdampingssysteem op de LED afgezet. Drie verschillende mini FC-LED-structuren (mini-LED) die in deze studie werden gebruikt, werden vervaardigd met behulp van filmoverdrachtstechniek en gegoten chipschaalpakket (CSP)-methode, met een gedetailleerde vergelijking:120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED , en 180° mini-CSPLED, zoals getoond in Fig. 1. De 120° mini-CSPLED-structuur heeft een beschermende laag aan alle vier de zijden van de chip en een transparante laag op het lichtemissie-oppervlak. De 150° mini-CSPLED-structuur heeft een transparante laag aan de zijkant en het lichtuitstralende oppervlak van de chip. De 180° mini-CSPLED-structuur heeft een transparante laag aan de zijkant en de lichtemissie op het chipoppervlak, met een diffusiereflecterende laag bedekt op de bovenste laag. Waar de materiële bron van de transparante laag de TiO2 . is /siliconenhars nanocomposiet, zowel de dikke beschermende laag als de dunne diffusiereflecterende laag zijn de TiO2 poeders. QD-films werden gefabriceerd met behulp van CdSe / ZnS core-shell QD's als materiaalbron. De groene emissie (~ 525 nm) en rode emissie (~ 617 nm) CdSe/ZnS core-shell QD's werden gemengd met polymethylmethacrylaat (PMMA) om verschillende QD-filmdiktes te bereiden, waarin de optische kenmerken van de QD-film te vinden zijn in Extra bestand 1:figuur S1. Deze QD-films werden gefabriceerd als een kleurconvertor op een LED-chip (λ =450 nm) om apparaten met wit licht te verkrijgen. Figuur 2 toont de BLU-structuur (18 mm × 18 mm), die bestaat uit 3 × 3 vierkante mini-LED-array, diffusieplaat, QD-films en twee prismafilms. De mini-LED-array werd gemonteerd op een printplaat met een chipgrootte van 20 mil × 20 mil en een steeklengte van 5,1 mm. De effectieve optische afstand (OD), door rekening te houden tussen chip en diffusieplaat, wordt ingesteld op 2,5 mm om een goede ruimtelijke uniformiteit te verkrijgen. Figuur 3 toont een blauwe mini-LED-array om QD-films van verschillende diktes (bijvoorbeeld 60-μm-, 90-μm- en 150-m dikke QD-films) op te wekken om een witte vlakke lichtbron te verkrijgen. De uniformiteit van de helderheid van het gehele paneel wordt geëvalueerd zoals weergegeven in Fig. 3 door de helderheid te meten in vijf punten, L1-L5, die zich op het paneel bevinden. De uniformiteit van de BLU-helderheid in deze studie wordt uitgedrukt door de volgende formule:
$$ \mathrm{Helderheid}\ \mathrm{uniformity}=\frac{\mathrm{L}1+\mathrm{L}2+\mathrm{L}3+\mathrm{L}4+\mathrm{L} 5}{5} $$ (1)Nanomaterialen
- Verbonden LED's verlichten de weg voor slimme steden
- Hoogreflecterende dunnefilmoptimalisatie voor micro-LED's met volledige hoek
- MoS2 met gecontroleerde dikte voor elektrokatalytische waterstofevolutie
- S, N co-gedoteerde grafeen Quantum Dot/TiO2-composieten voor efficiënte fotokatalytische waterstofgeneratie
- Heldere enkelvoudige fotonbron op 1,3 μm gebaseerd op InAs Bilayer Quantum Dot in Micropillar
- Elektrospun polymeer nanovezels versierd met edele metalen nanodeeltjes voor chemische detectie
- Bipolaire effecten in fotovoltage van metamorfe InAs/InGaAs/GaAs Quantum Dot heterostructuren:karakterisering en ontwerpoplossingen voor lichtgevoelige apparaten
- Opeenvolgend door damp gegroeid hybride perovskiet voor vlakke heterojunctie zonnecellen
- Eliminatie van bimodale grootte in InAs/GaAs Quantum Dots voor de voorbereiding van 1,3-μm Quantum Dot Lasers
- Natuurkundigen ontwikkelen op nanodraad gebaseerde leds met 5 keer hogere lichtintensiteit
- Platform voor kwantumtechnologieën die goud gebruiken