LEDs empacotados em escala de mini-chip planar de alta uniformidade com conversor de ponto quântico para fonte de luz branca

Resumo

Este estudo propõe uma nova unidade de retroiluminação (BLU) de díodo emissor de luz em escala de mini-chip com iluminação direta direta (mini-CSPLED) que usou filme de ponto quântico (QD), placa de difusão e dois filmes de prisma para melhorar a uniformidade de brilho. Três unidades de intensidade luminosa diferentes, 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED e 180 ° mini-CSPLED com diferentes estruturas de ângulo de emissão foram fabricadas usando um processo CSP. Em termos de características dos componentes, embora a potência de saída de luz do mini-CSPLED 180 ° seja de cerca de 4% de perda (a 10 mA) em comparação com o mini-CSPLED 150 °, ele tem um grande ângulo de emissão que forma uma fonte de luz plana que contribui para melhorar a uniformidade de brilho do BLU e redução da quantidade de LEDs na mesma área. Em termos de análise BLU, os mini-CSPLEDs azuis com diferentes ângulos de emissão excitam as diferentes espessuras de filme QD; a conversão de coordenadas de cromaticidade para a região de luz branca. O brilho BLU aumenta conforme a espessura do filme QD aumenta de 60, 90 e 150 μm. Este resultado pode atingir uma uniformidade de brilho de 86% em filmes QD mini-CSPLED BLU + 150 μm de espessura de 180 ° em comparação com o BLU mini-CSPLED 120 ° e BLU mini-CSPLED 150 °.

Histórico

A tela de cristal líquido (LCD) está ganhando cada vez mais popularidade como a tecnologia de tela principal em vários campos da sociedade contemporânea. Com a melhoria dos padrões de vida, as pessoas têm requisitos cada vez maiores em relação à qualidade dos monitores LCD. Especialmente em termos de gama de cores e brilho, os LCDs estão constantemente sendo superados por outras tecnologias de exibição, como diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs) e visores a laser [1,2,3]. Para melhorar o desempenho do LCD, os diodos emissores de luz (LEDs) substituíram gradualmente a lâmpada fluorescente de cátodo frio tradicional (CCFL) devido ao seu tamanho pequeno, baixo consumo de energia e baixa geração de calor. Os LEDs se tornaram a nova geração de fonte de unidade de luz de fundo de LCD (BLU) [4,5,6]. Atualmente, o LED BLU usa um LED azul para excitar o fósforo amarelo para formar uma luz de fundo branca. No entanto, a baixa eficiência do fósforo, o amplo espectro, a grande degradação da luz e a baixa uniformidade das partículas impedem a melhoria do brilho e a faixa de cromaticidade CIE do LCD; portanto, ainda há espaço para melhorias. É bem conhecido que os LEDs brancos são fabricados principalmente revestindo uma camada de fósforo amarelo YAG sobre um LED azul de nitreto de gálio (GaN) (comprimento de onda 450–470 nm) [7, 8]. No entanto, seu espectro de emissão carece de luz vermelha, emite luz branca fria, não é natural o suficiente e tem renderização de cores pobre (CRI inferior a 75), o que limita sua aplicação em iluminação de ponta e campos especiais. Para obter LEDs de alto CRI, uma pequena quantidade de fósforo vermelho e uma pequena quantidade de fósforo verde são adicionados ao fósforo amarelo para compensar e alterar o espectro [6, 9]. No entanto, este método de LED revestido com fósforo ainda é insuficiente em termos de eficiência luminosa e estabilidade química, sendo difícil obter popularização e aplicação em larga escala.

Como um novo tipo de nanocristais semicondutores fluorescentes, os pontos nano quânticos (QDs) têm muitas propriedades ópticas exclusivas, como alto rendimento quântico de fotoluminescência, espectro de emissão estreito, espectro de emissão ajustável e alta pureza de cor [10,11,12,13,14 , 15,16]. Foi demonstrado que no gerenciamento eficiente de fótons, o conversor QD pode ser amplamente utilizado em células solares [17, 18], LEDs [19, 20] e fotodetectores [21,22,23]. Especialmente, fotodetectores QD com comprimentos de onda selecionáveis e alta responsividade e relação liga / desliga foram relatados [24, 25]. Recentemente, QDs também foram aplicados para separação de água devido às suas propriedades eletrocatalíticas e fotocatalíticas superiores [26]. QDs se tornaram um material candidato adequado no campo de exibição, que tem grande potencial para substituir o pó de fósforo tradicional e aumentar a gama de cores do LCD [27, 28]. A tecnologia de retroiluminação com base em QD é atualmente o principal alvo de aplicação em monitores, que têm uma grande atenção dos círculos científicos e industriais. QDs são geralmente compostos de elementos dos grupos II – VI ou III – V e têm um diâmetro de grão de cristal de apenas cerca de 2–10 nm [29, 30]. Devido ao efeito de confinamento quântico, a lacuna de energia QD pode mudar com o tamanho da partícula. Nos últimos anos, a pesquisa sobre seleneto de cádmio (CdSe) e seus QDs de núcleo-casca em tecnologia de display tem sido a mais popular, principalmente porque seu comprimento de onda de emissão de luz está dentro da faixa do visível. A estrutura do dispositivo QD-LED é semelhante à de um diodo emissor de luz de polímero (PLED), e sua camada de emissão é revestida por rotação usando uma solução de QDs semicondutor coloidal, tendo assim as vantagens do processo de preparação simples, baixo custo e flexibilidade para fabricação [31,32,33].

No momento, o arranjo da fonte de luz LED BLU principal pode ser dividido em dois tipos:com iluminação lateral e iluminação direta. Em geral, o contraste e a uniformidade de brilho fornecidos pela luz direta serão melhores do que pela iluminação lateral. A uniformidade de brilho iluminada pelas bordas usa uma placa de guia de luz para distribuir a luz por toda a tela. No entanto, o peso da placa guia de luz torna-se muito grande para aplicações de TV LCD de tamanho grande. Além disso, precisa ter boa qualidade óptica, resultando em alto custo. A iluminação direta não usa guia de luz; o conjunto de LEDs é colocado uniformemente abaixo do painel LCD, o que oferece excelente desempenho em uniformidade de brilho e boa eficiência óptica [34,35,36]. O brilho e a uniformidade do BLU têm uma grande influência na uniformidade do módulo de exibição. Portanto, é muito importante melhorar a uniformidade de brilho do BLU. No entanto, em aplicações reais, a uniformidade de iluminação BLU é difícil de manter. A não uniformidade do brilho será significativamente diferente quando o módulo se tornar mais fino. Para obter um LED fino e boa uniformidade, é mais desafiador projetar um BLU que atenda aos requisitos. Este estudo propõe um método para melhorar a uniformidade de brilho do LED BLU. A uniformidade de brilho BLU foi discutida através dos diferentes ângulos de emissão de LED e as diferentes espessuras de filme QD.

Métodos

O GaN LED epiwafer com um comprimento de onda de emissão de 460 nm foi cultivado por deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD) em um substrato de safira plano c. A estrutura do LED consiste em uma camada de GaN não dopada de 2 μm de espessura, uma camada de revestimento de GaN tipo n dopada com Si dopada com 2,0 μm de espessura, seis períodos de InGaN / GaN múltiplos poços quânticos (MQW), uma camada de 25 nm de espessura Camada de bloqueio de elétrons p-AlGaN dopada com Mg e uma camada de cladeamento de GaN tipo p dopada com Mg de 0,2 μm de espessura. As camadas de Ni / Ag / Ni / Pt para a camada de contato ôhmica e o refletor foram depositadas no LED por meio do sistema de evaporação de feixe de elétrons. Três diferentes estruturas de ângulo de emissão mini FC-LED (mini-LED) usadas neste estudo foram fabricadas pela técnica de transferência de filme e método de pacote de escala de chip moldado (CSP), com uma comparação detalhada:120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED e 180 ° mini-CSPLED, como mostrado na Fig. 1. A estrutura 120 ° mini-CSPLED tem uma camada protetora em todos os quatro lados do chip e uma camada transparente na superfície de emissão de luz. A estrutura mini-CSPLED 150 ° tem uma camada transparente na lateral e a superfície de emissão de luz do chip. A estrutura do mini-CSPLED 180 ° possui uma camada transparente na lateral e a emissão de luz na superfície do chip, com uma camada refletora de difusão coberta na camada superior. Onde a fonte material da camada transparente é o TiO ₂ / nanocompósito de resina de silicone, tanto a camada protetora espessa quanto a camada refletora de difusão fina são o TiO ₂ pós. Os filmes QD foram fabricados usando QDs núcleo-casca CdSe / ZnS como fonte de material. Os QDs de núcleo-casca de CdSe / ZnS de emissão verde (~ 525 nm) e de emissão vermelha (~ 617 nm) foram misturados com polimetilmetacrilato (PMMA) para preparar várias espessuras de filme QD, em que as características ópticas do filme QD podem ser encontradas em Arquivo adicional 1:Figura S1. Esses filmes QD foram fabricados como um conversor de cores em um chip LED ( λ =450 nm) para obter dispositivos de luz branca. A Figura 2 mostra a estrutura BLU (18 mm × 18 mm), que consiste em uma matriz de mini-LED 3 × 3 quadrada, placa de difusão, filmes QD e dois filmes prismáticos. A matriz de mini-LED foi montada em uma placa de circuito com um tamanho de chip de 20 mil × 20 mil e comprimento de passo de 5,1 mm. A distância ótica efetiva (OD), considerando entre o chip e a placa de difusão, é fixada em 2,5 mm para se obter uma boa uniformidade espacial. A Figura 3 mostra uma matriz de mini LED azul para excitar filmes QD de diferentes espessuras (por exemplo, filmes QD de 60 μm, 90 μm e 150 μm de espessura) para obter uma fonte de luz plana branca. A uniformidade de brilho de todo o painel é avaliada conforme mostrado na Fig. 3 medindo o brilho em cinco pontos, L1 – L5, localizados no painel. A uniformidade de brilho BLU neste estudo é expressa pela seguinte fórmula:
$$ \ mathrm {Brilho} \ \ mathrm {uniformidade} =\ frac {\ mathrm {L} 1+ \ mathrm {L} 2+ \ mathrm {L} 3+ \ mathrm {L} 4+ \ mathrm {L} 5} {5} $$ (1)

Diagramas esquemáticos de três tipos de estrutura de ângulo de emissão mini-CSPLED. a 120 ° mini-CSPLED, b 150 ° mini-CSPLED e c 180 ° mini-CSPLED

Diagramas esquemáticos da estrutura da unidade de luz de fundo

Diagramas esquemáticos da medição de uniformidade de brilho

A potência-corrente-tensão de saída de luz ( L-I-V ) as características desses mini-CSPLED foram medidas à temperatura ambiente usando um medidor de fonte Keithley 2400 e uma esfera integrada com um medidor de potência calibrado (CAS 140B, Instrument Systems, Munich). Os padrões de radiação espacial desses mini-CSPLEDs foram medidos usando um goniofotômetro (LEDGON-100, Instrument Systems, Munich). Os espectros de luminância e eletroluminescência (EL) BLU com filmes QD foram analisados usando um medidor de luminância espectral (SRI-RL-5000, Optimum Optoelectronics Corp., Taiwan).

Resultados e discussão

A Figura 4 apresenta o L – I – V medido características para os três tipos de mini-CSPLED. A uma corrente de injeção de 20 mA, as tensões diretas do mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° e mini-CSPLED de 180 ° foram todas iguais e ∼ 2,72 V. Aumentando ainda mais a corrente de injeção para 200 mA, o as tensões diretas desses três tipos de mini-CSPLED foram aumentadas para 3,09-3,14 V. É claro que o I – V as curvas desses três dispositivos são quase idênticas, demonstrando que o processo CSP não prejudica as propriedades elétricas. Por outro lado, o L – I a curva mostra apenas uma ligeira diferença na potência de saída de luz do mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° e mini-CSPLED de 180 °, o que indica o resultado da otimização bem-sucedida do dispositivo por meio da estrutura CSP. Por outro lado, a potência de saída de luz dos três tipos de mini-CSPLEDs inicialmente aumenta linearmente com a corrente de injeção. O L – I a curva mostra apenas uma ligeira diferença na potência de saída de luz do mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° e mini-CSPLED de 180 °, o que indica o resultado da otimização bem-sucedida do dispositivo por meio da estrutura CSP. Conforme a corrente de injeção aumentou até 200 mA, a potência de saída de luz dos três tipos de mini-CSPLEDs foi de aproximadamente 250,9, 258,0 e 245,9 mW. A potência de saída de luz do mini-CSPLED de 120 ° exibe menos de 150 ° do mini-CSPLED, que pode ser absorvido pela camada reflexiva de difusão. O mini-CSPLED de 180 ° dá 2,05% e 4,93% de deterioração na potência de saída de luz em uma corrente alta de 200 mA em comparação com o mini-CSPLED de 120 ° e o mini-CSPLED de 150 °. A deterioração pode ser atribuída à adição de uma camada reflexiva de difusão no topo da camada transparente / CSPLED, a luz pode ser levemente absorvida, ou a maior parte da luz está concentrada na camada transparente, com o reflexo emitido pela parede lateral.

O L – I – V características do mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° e mini-CSPLED de 180 °

A Figura 5 mostra os padrões de radiação do mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° e mini-CSPLED de 180 ° em uma corrente de injeção de 100 mA. O padrão de radiação de mini-CSPLEDs pode ser controlado variando as estruturas do pacote. Os ângulos de visão de 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED e 180 ° mini-CSPLED foram medidos em 110,6 °, 148,7 ° e 180 °, respectivamente. Obviamente, o ângulo de visão do padrão de radiação do mini-CSPLED de 180 ° era maior do que o do mini-CSPLED de 120 ° e do mini-CSPLED de 150 °. Pode-se descobrir que a intensidade de saída de luz central do padrão de radiação do mini-CSPLED 180 ° foi reduzida à metade devido à camada reflexiva de difusão na parte superior. O ângulo de visão mais amplo foi causado por muito escape de luz da camada transparente após ser refletido pela camada reflexiva de difusão, isto é, o padrão de emissão com uma distribuição de luz em forma de asa de borboleta; assim, ele pode ser usado como uma fonte de luz plana. Por outro lado, o mini-CSPLED 120 ° foi coberto com uma camada reflexiva de difusão em todos os quatro lados, de modo que a luz foi concentrada e emitida para cima para formar uma distribuição de luz em forma lambertiana. Além disso, devido à conformação de cinco lados coberta por uma camada transparente, a distribuição de luz do mini-CSPLED 150 ° foi semelhante à distribuição de luz em forma de asa de morcego.

Padrões de radiação do mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° e mini-CSPLED de 180 ° (a 10 mA)

A Tabela 1 mostra as propriedades optoeletrônicas dos mini-CSPLED blue BLUs com diferentes ângulos de emissão. Com a mesma tensão direta de 24 V (a 10 mA), as coordenadas de cromaticidade CIE ( x , y ) do 120 ° mini-CSPLED BLU, do 150 ° mini-CSPLED BLU e do 180 ° mini-CSPLED BLU foram todos semelhantes e ( x , y ) =( x =0,1518 - 0,15,2, y =0,026 - 0,0281). Além disso, as potências de saída de luz do 120 ° mini-CSPLED blue BLU, 150 ° mini-CSPLED blue BLU e 180 ° mini-CSPLED blue BLU foram medidas em 147,43, 153,02 e 146,71 mW, respectivamente. Devido ao fator de estrutura do pacote mini-CSPLED de 180 °, a potência de saída de luz era um pouco fraca, mas a área de iluminação foi aumentada.

As Figuras 6a-c mostram o diagrama de cromaticidade CIE de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU e 180 ° mini-CSPLED BLU com diferentes espessuras de filme QD. As coordenadas de cromaticidade CIE ( x , y ) dos três tipos de mini-CSPLED BLUs com diferentes espessuras de filme QD foram medidos da seguinte forma :( x , y ) =( x =0,1977 - 0,2525, y =0,1297 - 0,2284), ( x , y ) =( x =0,1941 - 0,2478, y =0,1239 - 0,2295), e ( x , y ) =( x =0,1947 - 0,2496, y =0,1328 - 0,2331), respectivamente. Ficou claro que as coordenadas de cromaticidade de emissão do BLU correspondente com filmes QD de várias espessuras exibindo coordenadas de cromaticidade CIE estavam localizadas perto da região azul. Conforme a espessura do filme QD aumenta, as coordenadas de cromaticidade CIE mudam em direção à região branca. Além disso, o brilho BLU aumenta conforme a espessura do filme QD aumenta de 60, 90 e 150 μm. Esse resultado foi atribuído ao aumento significativo da probabilidade de excitação com filmes QD espessos para produzir luz branca e aumentar o brilho. Por outro lado, o brilho BLU do mini-CSPLED BLU 180 ° foi significativamente reduzido, o que pode ser atribuído à diminuição média do brilho como resultado da maior área de iluminação. Os resultados deste estudo mostram as coordenadas de cromaticidade CIE ( x , y ) e brilho para os três tipos de estrutura de ângulo de emissão mini-CSPLED com diferentes espessuras de filme QD e estão resumidos nas Tabelas 2, 3 e 4, nas quais a medição de dados pode ser encontrada no Arquivo adicional 1:Figuras S2-S10.

Diagramas de cromaticidade CIE de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU e 180 ° mini-CSPLED BLU com diferentes espessuras de filme QD

As Figuras 7a-e mostram as imagens de distribuição de luz de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU e 180 ° mini-CSPLED BLU com e sem um difusor e diferentes espessuras de filme QD. A Figura 7a mostra as imagens de distribuição de luz dos três tipos de mini-CSPLED blue BLUs sem difusor e filmes QD. Ao colocar a placa de difusão nos três tipos de mini-CSPLED BLU, pode ser visto que o mini-CSPLED BLU 180 ° tem uma luz plana uniforme melhor em comparação com o mini-CSPLED BLU 120 ° e mini-CSPLED BLU 150 °. No entanto, o mini-CSPLED BLU 120 ° e o mini-CSPLED BLU 150 ° mostram os padrões de listras, em que o mini-CSPLED BLU 120 ° é o mais visível, conforme mostrado na Fig. 4b. Da mesma forma, como mostrado nas Figs. 7c-e, os filmes QD são colocados na placa de difusão e, conforme a espessura do filme QD é aumentada, as imagens de distribuição de luz dos três tipos de mini-CSPLED BLUs apresentaram claramente que o brilho do BLU é aumentado e está mais próximo da luz branca; o padrão de listras também é cada vez menos obscuro. As observações das imagens de distribuição de luz estão em bom acordo com as coordenadas de cromaticidade CIE ( x , y ) e resultados de brilho.

Imagens de distribuição de luz de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU e 180 ° mini-CSPLED BLU com e sem uma placa de difusão e diferentes espessuras de filme QD

A partir dos resultados acima, pode-se verificar que as coordenadas de cores CIE ( x , y ) pode ser aproximado da região branca usando filmes QD de 150 μm de espessura. Portanto, a espessura dos filmes QD foi fixada e os efeitos da uniformidade de brilho dos três tipos de mini-CSPLED BLUs foram discutidos. Usando o método de medição de uniformidade de brilho de 5 pontos, a uniformidade de brilho dos três tipos de filmes QD mini-CSPLED BLU + 150 μm de espessura foi estimada em 35%, 39% e 86%, respectivamente. Obviamente, houve 1,47 vezes e 1,19 vezes de melhoria na uniformidade de brilho BLU de 180 ° mini-CSPLED BLU em comparação com a de 120 ° mini-CSPLED BLU e 150 ° mini-CSPLED BLU. Portanto, verificou-se que o uso de filme QD de mini-CSPLED BLU + 150 μm de espessura de 180 ° poderia melhorar efetivamente a uniformidade de brilho BLU geral. O cálculo da uniformidade de brilho dos três tipos de filmes mini-CSPLED BLUs + 150 μm de espessura QD foi resumido na Tabela 5, na qual a medição dos dados pode ser encontrada no Arquivo adicional 1:Figuras S11-S22.

As Figuras 8a – c mostram o diagrama de cromaticidade CIE e os espectros EL dos três tipos de filmes mini-CSPLED BLUs + 150 μm de espessura com e sem LCD. Conforme mostrado na Fig. 8a, pode-se observar que a coordenada de cromaticidade CIE ( x , y ) do mini-CSPLED BLU de 120 ° com LCD alterado de (0,2525, 0,2284) para (0,2873, 0,3099). O 150 ° mini-CSPLED BLU com LCD foi de (0,2478, 0,2295) a (0,2830, 0,3072). O mini-CSPLED BLU 180 ° com LCD foi de (0,2496, 0,2331) a (0,2794, 0,3063). Isso mostra que, com a adição do LCD, as coordenadas de cromaticidade CIE mudaram mais em direção à região branca. O espectro EL dos três tipos de filmes QD mini-CSPLED BLUs + 150 μm de espessura sem LCD exibe uma forte intensidade de luz azul, e a coordenada de cromaticidade CIE está localizada na região próxima do azul, como mostrado na Fig. 8b (ver Arquivo adicional 1:Figuras S4, S7 e S10). Quando o LCD foi colocado nos três tipos de mini-CSPLED BLUs + 150 μm de filmes QD de espessura, o espectro EL mostra que a intensidade da luz vermelha, verde e azul eram semelhantes, e a coordenada de cromaticidade CIE estava localizada na região branca . Este resultado pode ser atribuído ao filtro de cores da estrutura do LCD, que melhora a posição das coordenadas de cores, conforme mostrado na Fig. 8c (ver Arquivo Adicional 1:Figuras S23 – S25). A inserção mostra a foto da aplicação real do filme QD mini-CSPLED BLU + 150 μm de espessura de 180 ° com LCD.

a Diagrama de cromaticidade CIE. b , c Espectros EL de três tipos de filmes mini-CSPLED BLUs + 150 μm de espessura QD com e sem LCD

Conclusões

Em conclusão, usamos com sucesso o mini-CSPLED BLU como a luz azul e fonte de energia de excitação, junto com os filmes QD, para produzir uma luz de fundo branca uniforme. Os mini-CSPLEDs foram submetidos à estrutura empacotada com ângulos de emissão fabricados para 120 °, 150 ° e 180 ° para verificar se o desempenho óptico do mini-CSPLED tinha diferenças significativas. O ângulo de emissão maior e uma área de iluminação de 180 ° mini-CSPLED melhoraram significativamente quando comparados com os de 120 ° mini-CSPLED e 150 ° mini-CSPLED. Impressionantemente, 180 ° mini-CSPLED BLU com um filme QD de 150 μm de espessura alcançou uma fonte de luz branca plana de brilho uniforme excelente para telas de luz de fundo de aproximadamente 86%, o que é significativo para a futura tecnologia de tela ultrafina. Implementamos tecnologia CSP altamente confiável que pode proteger o chip de LED, resolver os problemas de ângulo de emissão e área de iluminação dos LEDs e fabricar uma fonte de luz de fundo para monitores com boa uniformidade de brilho.

Abreviações

BLU:: Unidade de luz de fundo
CCFL:: Lâmpada fluorescente de cátodo frio
CdSe:: Seleneto de cádmio
GaN:: Nitreto de gálio
LCD:: Visor de cristal líquido
mini-CSPLED:: Díodo emissor de luz embalado em mini escala de chip
OLED:: Díodo emissor de luz orgânico
PLED:: Díodo emissor de luz de polímero
QDs:: Pontos quânticos
YAG:: Granada ítrio alumínio

Sensor de pressão flexível capacitivo baseado em papel de alto desempenho e sua aplicação em medições relacionadas a humanos Investigação de nitridação no alinhamento de bandas nas interfaces MoS2 / HfO2

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias