LED empaquetados a escala de mini chip planar de alta uniformidad con convertidor de punto cuántico para fuente de luz blanca

Resumen

Este estudio propone una nueva unidad de retroiluminación (BLU) de diodos emisores de luz empaquetados a escala de mini chip con iluminación directa (mini-CSPLED) que utilizaba película de punto cuántico (QD), placa de difusión y dos películas de prisma para mejorar la uniformidad del brillo. Se fabricaron tres unidades de intensidad luminosa diferentes, mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° y mini-CSPLED de 180 ° con diferentes estructuras de ángulos de emisión utilizando un proceso CSP. En términos de características de los componentes, aunque la potencia de salida de luz del mini-CSPLED de 180 ° tiene una pérdida de 4% (a 10 mA) en comparación con el mini-CSPLED de 150 °, tiene un gran ángulo de emisión que forma una fuente de luz plana que contribuye a mejorar la uniformidad de brillo BLU y la cantidad reducida de LED en la misma área. En términos de análisis BLU, los mini-CSPLED azules con diferentes ángulos de emisión excitan los diferentes espesores de película QD; la conversión de coordenadas de cromaticidad a la región de luz blanca. El brillo de BLU aumenta a medida que aumenta el espesor de la película QD de 60, 90 y 150 μm. Este resultado puede lograr una uniformidad de brillo del 86% en películas mini-CSPLED BLU de 180 ° + 150 μm de espesor QD en comparación con las películas mini-CSPLED BLU de 120 ° y mini-CSPLED BLU de 150 °.

Antecedentes

La pantalla de cristal líquido (LCD) está ganando mayor aceptación como tecnología de visualización convencional en varios campos de la sociedad contemporánea. Con la mejora de los niveles de vida, las personas tienen requisitos cada vez más altos sobre la calidad de las pantallas LCD. Especialmente en términos de gama de colores y brillo, las pantallas LCD son superadas constantemente por otras tecnologías de visualización, como los diodos emisores de luz orgánicos (OLED) y las pantallas láser [1, 2, 3]. Para mejorar el rendimiento de la pantalla LCD, los diodos emisores de luz (LED) han reemplazado gradualmente a la lámpara fluorescente de cátodo frío tradicional (CCFL) debido a su pequeño tamaño, bajo consumo de energía y baja generación de calor. Los LED se han convertido en la nueva generación de fuentes de unidades de retroiluminación LCD (BLU) [4, 5, 6]. En la actualidad, el LED BLU utiliza un LED azul para excitar el fósforo amarillo para formar una luz de fondo blanca. Sin embargo, la baja eficiencia del fósforo, el amplio espectro, el gran decaimiento de la luz y la escasa uniformidad de las partículas dificultan la mejora del brillo y el rango de cromaticidad CIE de la pantalla LCD; por tanto, todavía hay margen de mejora. Es bien sabido que los LED blancos se fabrican principalmente recubriendo una capa de fósforo amarillo YAG sobre un LED azul de nitruro de galio (GaN) (longitud de onda 450–470 nm) [7, 8]. Sin embargo, su espectro de emisión carece de luz roja, emite luz blanca fría, no es lo suficientemente natural y tiene una reproducción cromática deficiente (CRI inferior a 75), lo que limita su aplicación en iluminación de alta gama y campos especiales. Para obtener LED de alto CRI, se agrega una pequeña cantidad de fósforo rojo y una pequeña cantidad de fósforo verde al fósforo amarillo para compensar y cambiar el espectro [6, 9]. Sin embargo, este método de LED revestido con fósforo todavía es insuficiente en términos de eficiencia luminosa y estabilidad química, y es difícil obtener una popularización y aplicación a gran escala.

Como un nuevo tipo de nanocristales semiconductores fluorescentes, los nano puntos cuánticos (QD) tienen muchas propiedades ópticas únicas, como alto rendimiento cuántico de fotoluminiscencia, espectro de emisión estrecho, espectro de emisión sintonizable y alta pureza de color [10,11,12,13,14 , 15,16]. Se ha demostrado que en la gestión eficiente de fotones, el convertidor QD se puede utilizar ampliamente en células solares [17, 18], LED [19, 20] y fotodetectores [21,22,23]. Especialmente, se han informado fotodetectores QD con longitudes de onda seleccionables y alta capacidad de respuesta y relación de encendido / apagado [24, 25]. Recientemente, las QD también se aplicaron para la división del agua debido a sus propiedades electrocatalíticas y fotocatalíticas superiores [26]. Los QD se han convertido en un material candidato adecuado en el campo de las pantallas, que tiene un gran potencial para reemplazar el polvo de fósforo tradicional y aumentar la gama de colores de las pantallas LCD [27, 28]. La tecnología de retroiluminación basada en QD es actualmente el objetivo de la aplicación principal en pantallas, que tienen una gran atención tanto en los círculos científicos como industriales. Los QD se componen generalmente de elementos de los grupos II-VI o III-V y tienen un diámetro de grano de cristal de sólo alrededor de 2 a 10 nm [29, 30]. Debido al efecto de confinamiento cuántico, la brecha de energía QD puede cambiar con el tamaño de partícula. En los últimos años, la investigación sobre el seleniuro de cadmio (CdSe) y sus QD core-shell en tecnología de visualización ha sido la más popular, principalmente porque su longitud de onda de emisión de luz cae dentro del rango visible. La estructura del dispositivo QD-LED es similar a la de un diodo emisor de luz de polímero (PLED), y su capa de emisión está recubierta por rotación utilizando una solución QD de semiconductores coloidales, por lo que tiene las ventajas de un proceso de preparación simple, bajo costo y flexibilidad para la fabricación [31,32,33].

En la actualidad, la disposición principal de la fuente de luz LED BLU se puede dividir aproximadamente en dos tipos:con iluminación de borde y con iluminación directa. En general, la uniformidad de contraste y brillo proporcionada por la iluminación directa será mejor que la iluminación de borde. La uniformidad de brillo de los bordes iluminados utiliza una placa de guía de luz para distribuir la luz por toda la pantalla. Sin embargo, el peso de la placa de guía de luz es demasiado grande para aplicaciones de TV LCD de gran tamaño. Además, debe tener una buena calidad óptica, lo que resulta en un alto costo. La iluminación directa no utiliza una guía de luz; la matriz de LED se coloca de manera uniforme directamente debajo del panel LCD, lo que proporciona un rendimiento sobresaliente en uniformidad de brillo y buena eficiencia óptica [34,35,36]. El brillo y la uniformidad de BLU tienen una gran influencia en la uniformidad del módulo de visualización. Por lo tanto, es muy importante mejorar la uniformidad del brillo de BLU. Sin embargo, en aplicaciones reales, la uniformidad de la iluminación BLU es difícil de mantener. La falta de uniformidad del brillo será significativamente diferente cuando el módulo se adelgace. Para lograr un LED delgado y una buena uniformidad, es más desafiante diseñar un BLU que cumpla con los requisitos. Este estudio propone un método para mejorar la uniformidad de brillo del LED BLU. La uniformidad de brillo de BLU se discutió a través de los diferentes ángulos de emisión de LED y los diferentes espesores de película QD.

Métodos

La epiwafer de LED de GaN con una longitud de onda de emisión de 460 nm se hizo crecer mediante deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD) en un sustrato de zafiro plano-c. La estructura del LED consta de una capa de GaN sin dopar de 2 μm de espesor, una capa de revestimiento de GaN de tipo n dopado con Si de 2,0 μm de espesor, seis períodos de pozos cuánticos múltiples (MQW) de InGaN / GaN, un espesor de 25 nm Capa de bloqueo de electrones p-AlGaN dopado con Mg y una capa de revestimiento de GaN de tipo p dopado con Mg de 0,2 μm de espesor. Las capas de Ni / Ag / Ni / Pt para la capa de contacto óhmico y el reflector se depositaron sobre el LED mediante un sistema de evaporación por haz de electrones. Se fabricaron tres estructuras mini FC-LED (mini-LED) de ángulo de emisión diferentes utilizadas en este estudio mediante la técnica de transferencia de película y el método de paquete de escala de chip moldeado (CSP), con una comparación detallada:120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED y mini-CSPLED de 180 °, como se muestra en la Fig. 1. La estructura de mini-CSPLED de 120 ° tiene una capa protectora en los cuatro lados del chip y una capa transparente en la superficie de emisión de luz. La estructura mini-CSPLED de 150 ° tiene una capa transparente en el lateral y la superficie de emisión de luz del chip. La estructura mini-CSPLED de 180 ° tiene una capa transparente en el lateral y la emisión de luz en la superficie del chip, con una capa reflectante de difusión cubierta en la capa superior. Donde la fuente de material de la capa transparente es el TiO ₂ / nanocompuesto de resina de silicona, tanto la capa protectora gruesa como la capa reflectante de difusión delgada son el TiO ₂ polvos. Las películas QD se fabricaron utilizando QD core-shell de CdSe / ZnS como fuente de material. Las QD de núcleo-capa de CdSe / ZnS de emisión verde (~ 525 nm) y emisión roja (~ 617 nm) se mezclaron con polimetilmetacrilato (PMMA) para preparar varios espesores de película QD, en los que las características ópticas de la película QD se pueden encontrar en Archivo adicional 1:Figura S1. Estas películas QD se fabricaron como un convertidor de color en un chip LED ( λ =450 nm) para obtener dispositivos de luz blanca. La Figura 2 muestra la estructura BLU (18 mm × 18 mm), que consta de una matriz de mini-LED de forma cuadrada de 3 × 3, una placa de difusión, películas QD y dos películas de prisma. La matriz de mini-LED se montó en una placa de circuito con un tamaño de chip de 20 mil × 20 mil y una longitud de paso de 5,1 mm. La distancia óptica efectiva (OD), considerando entre el chip y la placa de difusión, se establece en 2,5 mm para obtener una buena uniformidad espacial. La Figura 3 muestra una matriz de mini LED azules para excitar películas QD de diferentes espesores (por ejemplo, películas QD de 60 μm, 90 μm y 150 μm de espesor) para obtener una fuente de luz plana blanca. La uniformidad de brillo de todo el panel se evalúa como se muestra en la Fig. 3 midiendo el brillo en cinco puntos, L1 – L5, ubicados en el panel. La uniformidad de brillo BLU en este estudio se expresa mediante la siguiente fórmula:

$$ \ mathrm {Brillo} \ \ mathrm {uniformidad} =\ frac {\ mathrm {L} 1+ \ mathrm {L} 2+ \ mathrm {L} 3+ \ mathrm {L} 4+ \ mathrm {L} 5} {5} $$ (1)

Diagramas esquemáticos de tres tipos de estructura de ángulo de emisión mini-CSPLED. un 120 ° mini-CSPLED, b 150 ° mini-CSPLED y c 180 ° mini-CSPLED

Diagramas esquemáticos de la estructura de la unidad de retroiluminación

Diagramas esquemáticos de la medición de la uniformidad de brillo

La potencia de salida de luz-corriente-voltaje ( L – I – V ) Las características de estos mini-CSPLED se midieron a temperatura ambiente utilizando un medidor de fuente Keithley 2400 y una esfera integrada con un medidor de potencia calibrado (CAS 140B, Instrument Systems, Munich). Los patrones de radiación espacial de estos mini-CSPLED se midieron utilizando un goniofotómetro (LEDGON-100, Instrument Systems, Munich). Los espectros de luminancia y electroluminiscencia (EL) BLU con películas QD se analizaron utilizando un medidor de luminancia espectral (SRI-RL-5000, Optimum Optoelectronics Corp., Taiwán).

Resultados y discusión

La Figura 4 presenta el L – I – V medido características para los tres tipos de mini-CSPLED. A una corriente de inyección de 20 mA, los voltajes directos del mini-CSPLED de 120 °, el mini-CSPLED de 150 ° y el mini-CSPLED de 180 ° eran todos iguales y ∼ 2,72 V. Los voltajes directos de estos tres tipos mini-CSPLED se incrementaron a 3.09–3.14 V. Está claro que el I – V Las curvas de estos tres dispositivos son casi idénticas, lo que demuestra que el proceso CSP no daña las propiedades eléctricas. Por otro lado, el L – I La curva muestra solo una ligera diferencia en la potencia de salida de luz del mini-CSPLED de 120 °, el mini-CSPLED de 150 ° y el mini-CSPLED de 180 °, lo que indica el resultado de una optimización exitosa del dispositivo a través de la estructura CSP. Por otro lado, la potencia de salida de luz de los tres tipos de mini-CSPLED inicialmente aumenta linealmente con la corriente de inyección. El L – I La curva muestra solo una ligera diferencia en la potencia de salida de luz del mini-CSPLED de 120 °, el mini-CSPLED de 150 ° y el mini-CSPLED de 180 °, lo que indica el resultado de una optimización exitosa del dispositivo a través de la estructura CSP. A medida que la corriente de inyección aumentó hasta 200 mA, la potencia de salida de luz de los tres tipos de mini-CSPLED fue de aproximadamente 250,9, 258,0 y 245,9 mW. La potencia de salida de luz del mini-CSPLED de 120 ° exhibe un mini-CSPLED de 150 °, que puede ser absorbido por la capa reflectante de difusión. El mini-CSPLED de 180 ° da un deterioro del 2,05% y del 4,93% en la potencia de salida de luz a una corriente alta de 200 mA en comparación con el mini-CSPLED de 120 ° y el mini-CSPLED de 150 °. El deterioro podría atribuirse a la adición de una capa reflectante de difusión en la parte superior de la capa transparente / CSPLED, la luz puede absorberse ligeramente o la mayor parte de la luz se concentra en la capa transparente, y el reflejo se emite desde la pared lateral.

El L – I – V características del mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° y mini-CSPLED de 180 °

La Figura 5 muestra los patrones de radiación del mini-CSPLED de 120 °, el mini-CSPLED de 150 ° y el mini-CSPLED de 180 ° a una corriente de inyección de 100 mA. El patrón de radiación de los mini-CSPLED se puede controlar variando las estructuras del paquete. Los ángulos de visión mini-CSPLED de 120 °, mini-CSPLED de 150 ° y mini-CSPLED de 180 ° se midieron en 110,6 °, 148,7 ° y 180 °, respectivamente. Obviamente, el ángulo de visión del patrón de radiación mini-CSPLED de 180 ° era mayor que el del mini-CSPLED de 120 ° y el mini-CSPLED de 150 °. Se puede encontrar que la intensidad de salida de luz central del patrón de radiación del mini-CSPLED de 180 ° se redujo a la mitad debido a la capa reflectante de difusión en la parte superior. El ángulo de visión más amplio fue causado por mucha luz que se escapó de la capa transparente después de ser reflejada por la capa reflectante de difusión, es decir, un patrón de emisión con una distribución de luz en forma de ala de mariposa; por lo tanto, se puede utilizar como fuente de luz plana. Por otro lado, el mini-CSPLED de 120 ° se cubrió con una capa reflectante de difusión en los cuatro lados, de modo que la luz se concentró y se emitió hacia arriba para formar una distribución de luz en forma de Lambert. Además, debido a la conformación de cinco lados cubierta con una capa transparente, la distribución de la luz del mini-CSPLED de 150 ° era similar a la distribución de la luz en forma de murciélago.

Patrones de radiación de 120 ° mini-CSPLED, 150 ° mini-CSPLED y 180 ° mini-CSPLED (a 10 mA)

La Tabla 1 muestra las propiedades optoelectrónicas de los BLU azules mini-CSPLED con diferentes ángulos de emisión. Con el mismo voltaje directo de 24 V (a 10 mA), las coordenadas de cromaticidad CIE ( x , años ) de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU y 180 ° mini-CSPLED BLU eran todos similares y ( x , años ) =( x =0.1518 - 0.15.2, y =0,026 - 0,0281). Además, las potencias de salida de luz de 120 ° mini-CSPLED blue BLU, 150 ° mini-CSPLED blue BLU y 180 ° mini-CSPLED blue BLU se midieron en 147.43, 153.02 y 146.71 mW, respectivamente. Debido al factor de estructura del paquete mini-CSPLED de 180 °, la potencia de salida de luz era levemente baja, pero el área de iluminación se incrementó.

Las Figuras 6a-c muestran el diagrama de cromaticidad CIE de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU y 180 ° mini-CSPLED BLU con diferentes espesores de película QD. Las coordenadas de cromaticidad CIE ( x , años ) de los tres tipos de mini-CSPLED BLU con diferentes espesores de película QD se midieron de la siguiente manera :( x , años ) =( x =0,1977 - 0,2525, años =0,1297 - 0,2284), ( x , años ) =( x =0,1941 - 0,2478, años =0.1239 - 0.2295) y ( x , años ) =( x =0,1947 - 0,2496, años =0,1328 - 0,2331), respectivamente. Estaba claro que las coordenadas de cromaticidad de emisión del BLU correspondiente con películas QD de varios espesores que exhibían coordenadas de cromaticidad CIE estaban ubicadas cerca de la región azul. A medida que aumenta el espesor de la película QD, las coordenadas de cromaticidad CIE se desplazan hacia la región blanca. Además, el brillo de BLU aumenta a medida que aumenta el espesor de la película QD de 60, 90 y 150 μm. Este resultado se atribuyó a los aumentos significativos de la probabilidad de excitación con películas QD gruesas para producir luz blanca y aumentar el brillo. Por otro lado, el brillo BLU del mini-CSPLED BLU de 180 ° se redujo significativamente, lo que puede atribuirse a la disminución promedio del brillo como resultado del área de iluminación más grande. Los resultados de este estudio muestran las coordenadas de cromaticidad CIE ( x , años ) y brillo para los tres tipos de estructura de ángulo de emisión mini-CSPLED con diferentes espesores de película QD y se resumen en las Tablas 2, 3 y 4, en las que la medición de datos se puede encontrar en el archivo adicional 1:Figuras S2-S10.

Diagramas de cromaticidad CIE de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU y 180 ° mini-CSPLED BLU con diferentes espesores de película QD

Las figuras 7a-e muestran las imágenes de distribución de luz de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU y 180 ° mini-CSPLED BLU con y sin difusor y diferentes espesores de película QD. La Figura 7a muestra las imágenes de distribución de luz de los tres tipos de BLU azules mini-CSPLED sin difusor y películas QD. Al colocar la placa de difusión en los tres tipos de mini-CSPLED BLU, se puede ver que el mini-CSPLED BLU de 180 ° tiene una luz plana mejor uniforme en comparación con el mini-CSPLED BLU de 120 ° y el mini-CSPLED BLU de 150 °. Sin embargo, el mini-CSPLED BLU de 120 ° y el mini-CSPLED BLU de 150 ° muestran los patrones de rayas, en los que el mini-CSPLED BLU de 120 ° es el más visible, como se muestra en la Fig. 4b. De manera similar, como se muestra en las Figs. 7c-e, las películas QD se colocan en la placa de difusión y, a medida que aumenta el grosor de la película QD, las imágenes de distribución de luz de los tres tipos de BLU mini-CSPLED muestran claramente que el brillo de BLU aumenta y está más cerca de la luz blanca.; el patrón de rayas también es cada vez menos obvio. Las observaciones de las imágenes de distribución de luz concuerdan bien con las coordenadas de cromaticidad CIE ( x , años ) y resultados de brillo.

Imágenes de distribución de luz de 120 ° mini-CSPLED BLU, 150 ° mini-CSPLED BLU y 180 ° mini-CSPLED BLU con y sin placa de difusión y diferentes espesores de película QD

De los resultados anteriores, se puede ver que las coordenadas de color CIE ( x , años ) se puede acercar a la región blanca utilizando películas QD de 150 μm de espesor. Por lo tanto, se fijó el grosor de las películas QD y se discutieron los efectos de la uniformidad de brillo de los tres tipos de BLU mini-CSPLED. Utilizando el método de medición de uniformidad de brillo de 5 puntos, se estimó que la uniformidad de brillo de los tres tipos de películas mini-CSPLED BLU + QD de 150 μm de espesor era del 35%, 39% y 86%, respectivamente. Obviamente, hubo 1,47 veces y 1,19 veces la mejora en la uniformidad de brillo de BLU de 180 ° mini-CSPLED BLU en comparación con la de 120 ° mini-CSPLED BLU y 150 ° mini-CSPLED BLU. Por lo tanto, se descubrió que el uso de película QD mini-CSPLED BLU + 150 μm de espesor de 180 ° podría mejorar eficazmente la uniformidad general del brillo BLU. El cálculo de la uniformidad de brillo de los tres tipos de películas mini-CSPLED BLU + QD de 150 μm de espesor se resumió en la Tabla 5, en la que la medición de datos se puede encontrar en el archivo adicional 1:Figuras S11-S22.

Las Figuras 8a-c muestran el diagrama de cromaticidad CIE y los espectros EL de los tres tipos de películas mini-CSPLED BLU + QD de 150 μm de espesor con y sin LCD. Como se muestra en la Fig. 8a, se puede ver que la coordenada de cromaticidad CIE ( x , años ) del mini-CSPLED BLU de 120 ° con LCD cambiado de (0.2525, 0.2284) a (0.2873, 0.3099). El mini-CSPLED BLU de 150 ° con LCD fue de (0.2478, 0.2295) a (0.2830, 0.3072). El mini-CSPLED BLU de 180 ° con LCD fue de (0.2496, 0.2331) a (0.2794, 0.3063). Esto muestra que con la adición de LCD, las coordenadas de cromaticidad CIE se desplazaron más hacia la región blanca. El espectro EL de los tres tipos de películas mini-CSPLED BLU + QD de 150 μm de espesor sin LCD exhibe una fuerte intensidad de luz azul, y la coordenada de cromaticidad CIE se encuentra en la región casi azul, como se muestra en la Fig.8b (ver Archivo adicional 1:Figuras S4, S7 y S10). Cuando la pantalla LCD se colocó en los tres tipos de mini-CSPLED BLUs + películas QD de 150 μm de espesor, el espectro EL muestra que la intensidad de la luz roja, verde y azul eran similares, y la coordenada de cromaticidad CIE se ubicaba en la región blanca. . Este resultado se puede atribuir al filtro de color de la estructura de la pantalla LCD, que mejora la posición de las coordenadas de color, como se muestra en la Fig. 8c (consulte el archivo adicional 1:Figuras S23-S25). El recuadro muestra la fotografía de la aplicación real de una película QD mini-CSPLED BLU + de 150 μm de espesor con LCD de 180 °.

un Diagrama de cromaticidad CIE. b , c Espectros EL de tres tipos de mini-CSPLED BLUs + películas QD de 150 μm de espesor con y sin LCD

Conclusiones

En conclusión, utilizamos con éxito mini-CSPLED BLU como fuente de energía de excitación y luz azul, junto con películas QD, para producir una retroiluminación blanca uniforme. Los mini-CSPLED se sometieron a una estructura empaquetada de ángulo de emisión fabricada para 120 °, 150 ° y 180 ° para verificar que el rendimiento óptico del mini-CSPLED tuviera diferencias significativas. El ángulo de emisión más grande y un área de iluminación de 180 ° mini-CSPLED mejoraron significativamente en comparación con el de 120 ° mini-CSPLED y 150 ° mini-CSPLED. Impresionantemente, el mini-CSPLED BLU de 180 ° con una película QD de 150 μm de espesor logró una excelente fuente de luz blanca planar de brillo uniforme para pantallas con retroiluminación de aproximadamente el 86%, lo cual es significativo para la futura tecnología de pantalla ultradelgada. Implementamos tecnología CSP altamente confiable que puede proteger el chip LED, resolver el ángulo de emisión y los problemas del área de iluminación de los LED y fabricar una fuente de luz de fondo para pantallas con buena uniformidad de brillo.

Abreviaturas

BLU:: Unidad de luz de fondo
CCFL:: Lámpara fluorescente de cátodo frío
CdSe:: Seleniuro de cadmio
GaN:: Nitruro de galio
LCD:: Pantalla de cristal líquido
mini-CSPLED:: Diodo emisor de luz empaquetado a escala de chip mini
OLED:: Diodo emisor de luz orgánico
PLED:: Diodo emisor de luz de polímero
QD:: Puntos cuánticos
YAG:: Granate de itrio aluminio

Sensor de presión flexible capacitivo basado en papel de alto rendimiento y su aplicación en mediciones relacionadas con humanos Investigación de la nitruración en la alineación de la banda en las interfaces MoS2 / HfO2

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias