Rétroéclairage blanc ultra-uniforme utilisant des mini-CSPLED à 180° et des films à points quantiques

Résumé

Nous présentons une unité de rétroéclairage (BLU) à éclairage direct à haute uniformité, basée sur des mini-CSPLED (mini-chip-scale packaged LED) intégrant un film à points quantiques (QD), une plaque de diffusion et deux films prismatiques. Trois mini-CSPLED avec des angles d'émission de 120°, 150° et 180° ont été fabriqués via un procédé d'empaquetage à l'échelle de la puce (CSP). Le dispositif à 180°, malgré une perte de puissance modeste de 4 % à 10 mA par rapport à son homologue à 150°, offre un cône d'émission considérablement plus large qui améliore l'uniformité de la lumière plane et réduit le nombre de LED par unité de surface. En variant l'épaisseur du film QD (60, 90, 150 µm) sur les mini-CSPLED bleus, nous avons obtenu une conversion de chromaticité CIE vers la région blanche et une augmentation de la luminosité du BLU. Le BLU à mini-CSPLED 180° avec un film QD de 150 µm a atteint une uniformité de luminosité de 86 %, nettement supérieure aux conceptions à 120° et 150°.

Contexte

Les écrans à cristaux liquides (LCD) dominent la technologie visuelle moderne, mais leurs performances sont limitées par les rétroéclairages à base de phosphores, qui souffrent d'un faible rendement, de spectres larges, d'une dégradation rapide et d'une mauvaise uniformité. Les LED bleues excitant des phosphores jaunes YAG sont devenues la source standard de BLU, mais elles émettent une lumière blanche froide avec un rendu des couleurs sous-optimal (IRC < 75). L'amélioration de l'efficacité lumineuse et de la qualité des couleurs reste un objectif de recherche majeur.

Les points quantiques (QD) offrent des propriétés optiques exceptionnelles — rendement quantique de photoluminescence élevé, émission étroite et accordabilité spectrale — ce qui les rend attractifs comme convertisseurs de couleur à l'état solide. Les QD ont déjà fait leurs preuves dans les cellules solaires, les LED, les photodétecteurs et même l'électrocatalyse. Dans les rétroéclairages d'affichage, les films QD peuvent remplacer les phosphores conventionnels pour étendre la gamme CIE et améliorer la fidélité des couleurs.

Les architectures de rétroéclairage sont classées en éclairage par les bords (edge-lit) ou éclairage direct (direct-lit). Les BLU à éclairage direct, qui placent les LED directement sous le panneau, offrent une uniformité de luminosité et un rendement optique supérieurs, particulièrement pour les téléviseurs à panneaux minces. Cependant, obtenir une illumination uniforme sur l'ensemble du panneau reste un défi, surtout lorsque l'épaisseur du dispositif diminue. Cette étude explore comment l'ingénierie de l'angle d'émission et l'optimisation de l'épaisseur du film QD peuvent améliorer l'uniformité du BLU.

Méthodes

L'épiwafer GaN LED (λ = 460 nm) a été déposé par MOCVD sur un substrat saphir plan c. La structure comprenait une couche tampon GaN non dopée de 2 µm, une couche de contact n-GaN dopée Si de 2 µm, six puits quantiques InGaN/GaN, une couche de blocage p-AlGaN dopée Mg de 25 nm et une couche de contact p-GaN dopée Mg de 0,2 µm. Les contacts Ni/Ag/Ni/Pt ont été déposés par évaporation par faisceau d'électrons. Trois mini-CSPLED ont été fabriqués avec des cônes d'émission de 120°, 150° et 180° en utilisant une technique de transfert de film et de moulage CSP. La conception à 180° intègre un nanocomposite de paroi latérale transparent TiO₂/résine silicone et une couche supérieure diffuse-réfléchissante.

Des QD cœur-coquille CdSe/ZnS (vert ≈ 525 nm, rouge ≈ 617 nm) ont été mélangés au PMMA pour former des films QD d'épaisseur 60, 90 et 150 µm. Ces films ont servi de convertisseurs de couleur sur des puces mini-CSPLED bleues à 450 nm. Le BLU comprenait un réseau 3 × 3 de mini-LED de 18 mm × 18 mm, une plaque de diffusion, le film QD et deux films prismatiques. La distance optique entre la puce et la plaque de diffusion était de 2,5 mm.

Les performances électriques ont été mesurées avec un sourcemeter Keithley 2400 et un wattmètre étalonné (CAS 140B). Les diagrammes de rayonnement spatiaux ont été capturés à l'aide d'un goniophotomètre (LEDGON-100). La luminance et les spectres d'électroluminescence (EL) ont été enregistrés avec un luminance-mètre spectral (SRI-RL-5000). L'uniformité de luminosité a été évaluée en cinq points (L1–L5) selon la formule (1).

Résultats et discussion

Les trois mini-CSPLED présentaient des caractéristiques I-V identiques, avec une tension directe d'environ 2,72 V à 20 mA et 3,12 V à 200 mA, confirmant que le procédé CSP préserve l'intégrité électrique. La puissance lumineuse augmentait linéairement avec le courant, atteignant ~250 mW à 200 mA. Le dispositif à 180° montrait une légère baisse de puissance (~5 %), attribuée à la couche diffuse-réfléchissante et à l'émission plus large.

Les diagrammes de rayonnement confirmaient les angles d'émission conçus : mini-CSPLED 120° (110,6°), 150° (148,7°) et 180° (180°). La conception à 180° produisait une distribution en forme de papillon, idéale pour l'éclairage planaire, tandis que le dispositif à 120° affichait un motif lambertien en raison de la couverture complète des parois latérales.

Avec une tension directe de 24 V à 10 mA, tous les BLU atteignaient des coordonnées CIE de (x ≈ 0,15, y ≈ 0,027) et des puissances de sortie bleue entre 147 et 153 mW. L'augmentation de l'épaisseur du film QD déplaçait la chromaticité vers la région blanche et augmentait la luminosité proportionnellement : 60 µm → 90 µm → 150 µm. Le BLU à 180° avec un film QD de 150 µm offrait la luminosité la plus élevée et la distribution lumineuse la plus uniforme, comme en témoigne la réduction du motif de stries dans les images de la plaque de diffusion.

L'uniformité de luminosité, mesurée sur cinq points, atteignait 86 % pour le BLU à 180° avec un film QD de 150 µm, contre 35 % et 39 % pour les conceptions à 120° et 150°. Cela représente une amélioration de 1,47 fois et 1,19 fois, respectivement.

L'ajout d'un panneau LCD déplaçait davantage les coordonnées CIE dans la région blanche pour tous les BLU, démontrant que le rétroéclairage converti par QD peut efficacement prendre en charge des affichages à haute précision colorimétrique.

Conclusions

En combinant des mini-CSPLED à 180° avec des films QD de 150 µm, nous avons obtenu un rétroéclairage blanc planaire ultra-uniforme avec 86 % d'uniformité de luminosité, adapté aux modules d'affichage ultra-minces. La technologie CSP protège la puce LED, élargit l'angle d'émission et réduit la densité de LED, ouvrant la voie aux affichages haute performance de nouvelle génération.

Abréviations

BLU

Unité de rétroéclairage (Backlight unit)

CCFL

Lampe fluorescente à cathode froide (Cold cathode fluorescent lamp)

CdSe

Séléniure de cadmium

GaN

Nitrure de gallium

LCD

Écran à cristaux liquides (Liquid crystal display)

mini-CSPLED

Mini-LED empaquetée à l'échelle de la puce (Mini chip-scale packaged light-emitting diode)

OLED

Diode électroluminescente organique (Organic light-emitting diode)

PLED

Diode électroluminescente polymère (Polymer light-emitting diode)

QD

Point quantique (Quantum dot)

YAG

Grenat d'yttrium et d'aluminium (Yttrium aluminum garnet)