DEL à mini-puce planaire haute uniformité avec convertisseur de points quantiques pour source de lumière blanche

Contexte

L'affichage à cristaux liquides (LCD) gagne en popularité en tant que technologie d'affichage grand public dans divers domaines de la société contemporaine. Avec l'amélioration du niveau de vie, les gens ont des exigences de plus en plus élevées en matière de qualité d'affichage LCD. Surtout en termes de gamme de couleurs et de luminosité, les écrans LCD sont constamment dépassés par d'autres technologies d'affichage telles que les diodes électroluminescentes organiques (OLED) et les écrans laser [1,2,3]. Afin d'améliorer les performances de l'écran LCD, les diodes électroluminescentes (DEL) ont progressivement remplacé la lampe fluorescente à cathode froide (CCFL) traditionnelle en raison de sa petite taille, de sa faible consommation d'énergie et de sa faible génération de chaleur. Les LED sont devenues la nouvelle génération de source de rétroéclairage LCD (BLU) [4,5,6]. À l'heure actuelle, la LED BLU utilise une LED bleue pour exciter le phosphore jaune pour former un rétroéclairage blanc. Cependant, la faible efficacité du phosphore, le large spectre, la forte décroissance de la lumière et la mauvaise uniformité des particules entravent l'amélioration de la luminosité et la plage de chromaticité CIE de l'écran LCD ; ainsi, il y a encore place à l'amélioration. Il est bien connu que les LED blanches sont principalement fabriquées en appliquant une couche de phosphore jaune YAG sur une LED bleue au nitrure de gallium (GaN) (longueur d'onde 450-470  nm) [7, 8]. Cependant, son spectre d'émission manque de lumière rouge, émet une lumière blanche froide, n'est pas assez naturel et a un mauvais rendu des couleurs (IRC inférieur à 75), ce qui limite son application dans l'éclairage haut de gamme et les domaines spéciaux. Afin d'obtenir des LED à IRC élevé, une petite quantité de phosphore rouge et une petite quantité de phosphore vert sont ajoutées au phosphore jaune pour compenser et modifier le spectre [6, 9]. Cependant, cette méthode de LED recouverte de phosphore est encore insuffisante en termes d'efficacité lumineuse et de stabilité chimique, et il est difficile d'obtenir une vulgarisation et une application à grande échelle.

En tant que nouveau type de nanocristaux semi-conducteurs fluorescents, les nano points quantiques (QD) ont de nombreuses propriétés optiques uniques, telles qu'un rendement quantique de photoluminescence élevé, un spectre d'émission étroit, un spectre d'émission accordable et une pureté de couleur élevée [10,11,12,13,14 ,15,16]. Il a été démontré que dans la gestion efficace des photons, le convertisseur QD peut être largement utilisé dans les cellules solaires [17, 18], les LED [19, 20] et les photodétecteurs [21, 22, 23]. En particulier, des photodétecteurs QD avec des longueurs d'onde sélectionnables et une réactivité élevée et un rapport marche/arrêt ont été rapportés [24, 25]. Récemment, les QD ont également été appliqués pour la séparation de l'eau en raison de ses propriétés électrocatalytiques et photocatalytiques supérieures [26]. Les QD sont devenus un matériau candidat approprié dans le domaine de l'affichage, qui a un grand potentiel pour remplacer la poudre de phosphore traditionnelle et augmenter la gamme de couleurs LCD [27, 28]. La technologie de rétroéclairage basée sur QD est actuellement la cible d'application principale dans les écrans, qui ont beaucoup d'attention de la part des cercles scientifiques et industriels. Les QD sont généralement composés d'éléments des groupes II-VI ou III-V et ont un diamètre de grain cristallin de seulement environ 2-10 nm [29, 30]. En raison de l'effet de confinement quantique, l'écart énergétique QD peut changer avec la taille des particules. Au cours des dernières années, la recherche sur le séléniure de cadmium (CdSe) et ses QD core-shell dans la technologie d'affichage a été la plus populaire, principalement parce que sa longueur d'onde d'émission lumineuse se situe dans la gamme visible. La structure du dispositif QD-LED est similaire à celle d'une diode électroluminescente polymère (PLED), et sa couche d'émission est revêtue par centrifugation à l'aide d'une solution de semi-conducteurs colloïdaux QD, présentant ainsi les avantages d'un processus de préparation simple, d'un faible coût et flexibilité pour la fabrication [31,32,33].

À l'heure actuelle, l'agencement de source de lumière LED BLU grand public peut être grossièrement divisé en deux types :à éclairage périphérique et à éclairage direct. En général, le contraste et l'uniformité de la luminosité fournis par l'éclairage direct seront meilleurs que l'éclairage par les bords. L'uniformité de la luminosité à éclairage périphérique utilise une plaque de guidage de la lumière pour répartir la lumière sur tout l'écran. Cependant, le poids de la plaque de guidage de lumière devient trop important pour les applications de télévision LCD de grande taille. De plus, il doit avoir une bonne qualité optique, ce qui entraîne un coût élevé. L'éclairage direct n'utilise pas de guide de lumière ; la matrice de LED est uniformément placée directement sous le panneau LCD, ce qui offre des performances exceptionnelles en termes d'uniformité de luminosité et de bonne efficacité optique [34,35,36]. La luminosité et l'uniformité du BLU ont une grande influence sur l'uniformité du module d'affichage. Par conséquent, il est très important d'améliorer l'uniformité de la luminosité BLU. Cependant, dans les applications réelles, l'uniformité d'éclairage BLU est difficile à maintenir. La non-uniformité de la luminosité sera significativement différente lorsque le module deviendra plus fin. Afin d'obtenir une LED fine et une bonne uniformité, il est plus difficile de concevoir un BLU qui réponde aux exigences. Cette étude propose une méthode pour améliorer l'uniformité de la luminosité des LED BLU. L'uniformité de la luminosité BLU a été discutée à travers les différents angles d'émission de LED et les différentes épaisseurs de film QD.

Méthodes

L'épiwafer GaN LED avec une longueur d'onde d'émission de 460  nm a été développée par dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD) sur un substrat de saphir plan c. La structure LED se compose d'une couche de GaN non dopée de 2 µm d'épaisseur, d'une couche de gaine de GaN de type n dopé Si de 2,0 µm d'épaisseur, de six périodes de puits quantiques multiples InGaN/GaN (MQW), d'une couche de 25 nm d'épaisseur Couche de blocage d'électrons p-AlGaN dopé Mg et couche de revêtement GaN de type p d'une épaisseur de 0,2 µm. Les couches Ni/Ag/Ni/Pt pour la couche de contact ohmique et le réflecteur ont été déposées sur la LED via un système d'évaporation par faisceau d'électrons. Trois structures de mini-FC-LED (mini-LED) à angle d'émission différentes utilisées dans cette étude ont été fabriquées par la technique de transfert de film et la méthode du boîtier moulé à l'échelle des puces (CSP), avec une comparaison détaillée :120° mini-CSPLED, 150° mini-CSPLED , et 180° mini-CSPLED, comme le montre la figure 1. La structure 120° mini-CSPLED a une couche protectrice sur les quatre côtés de la puce et une couche transparente sur la surface d'émission de lumière. La structure mini-CSPLED 150° possède une couche transparente sur le côté et la surface d'émission lumineuse de la puce. La structure mini-CSPLED à 180° a une couche transparente sur le côté et l'émission de lumière sur la surface de la puce, avec une couche réfléchissante de diffusion recouverte sur la couche supérieure. Où la source matérielle de la couche transparente est le TiO₂ / nanocomposite de résine de silicone, la couche protectrice épaisse et la couche réfléchissante de diffusion mince sont le TiO₂ poudres. Les films QD ont été fabriqués en utilisant des QD core-shell CdSe/ZnS comme source de matériau. Les QD core-shell CdSe/ZnS à émission verte (~ 525 nm) et à émission rouge (~ 617 nm) ont été mélangés avec du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) pour préparer diverses épaisseurs de film QD, dans lesquelles les caractéristiques optiques du film QD peuvent être trouvées dans Fichier supplémentaire 1 :Figure S1. Ces films QD ont été fabriqués en tant que convertisseur de couleur sur une puce LED (λ =450 nm) pour obtenir des dispositifs à lumière blanche. La figure 2 affiche la structure BLU (18 mm × 18 mm), qui se compose d'un réseau de mini-LED de forme carrée 3 × 3, d'une plaque de diffusion, de films QD et de deux films à prismes. La matrice de mini-LED a été montée sur une carte de circuit imprimé avec une taille de puce de 20 mil × 20 mil et une longueur de pas de 5,1 mm. La distance optique effective (DO), en considérant entre la puce et la plaque de diffusion, est fixée à 2,5 mm afin d'obtenir une bonne uniformité spatiale. La figure 3 montre un mini-réseau de LED bleu pour exciter des films QD de différentes épaisseurs (par exemple, des films QD de 60 m, 90 m et 150 m d'épaisseur) pour obtenir une source de lumière plane blanche. L'uniformité de la luminosité de l'ensemble du panneau est évaluée comme le montre la figure 3 en mesurant la luminosité en cinq points, L1 à L5, situés sur le panneau. L'uniformité de la brillance BLU dans cette étude est exprimée par la formule suivante :

Diagrammes schématiques de trois types de structure d'angle d'émission mini-CSPLED. un 120° mini-CSPLED, b 150° mini-CSPLED, et c Mini-CSPLED 180°

Diagrammes schématiques de la structure de l'unité de rétroéclairage

Schémas de principe de la mesure de l'uniformité de la luminosité

La puissance de sortie lumineuse-courant-tension (L-I-V ) les caractéristiques de ces mini-CSPLED ont été mesurées à température ambiante à l'aide d'un compteur source Keithley 2400 et d'une sphère intégrée avec un wattmètre calibré (CAS 140B, Instrument Systems, Munich). Les diagrammes de rayonnement spatial de ces mini-CSPLED ont été mesurés à l'aide d'un goniophotomètre (LEDGON-100, Instrument Systems, Munich). Les spectres de luminance et d'électroluminescence (EL) BLU avec des films QD ont été analysés à l'aide d'un luminancemètre spectral (SRI-RL-5000, Optimum Optoelectronics Corp., Taiwan).

Résultats et discussion

La figure 4 présente le L–I–V mesuré caractéristiques pour les trois types de mini-CSPLED. À un courant d'injection de 20 mA, les tensions directes du mini-CSPLED à 120 °, du mini-CSPLED à 150 ° et du mini-CSPLED à 180 ° étaient toutes les mêmes et 2,72 V. En augmentant encore le courant d'injection à 200  mA, le les tensions directes de ces trois types de mini-CSPLED ont toutes été augmentées à 3,09-3,14   V. Il est clair que le I-V les courbes de ces trois appareils sont quasiment identiques, démontrant que le procédé CSP n'endommage pas les propriétés électriques. D'autre part, le L–I La courbe ne montre qu'une légère différence dans la puissance de sortie lumineuse du mini-CSPLED 120°, du mini-CSPLED 150° et du mini-CSPLED 180°, ce qui indique le résultat d'une optimisation réussie de l'appareil via la structure CSP. D'autre part, la puissance de sortie lumineuse des trois types de mini-CSPLED augmente initialement linéairement avec le courant d'injection. Le L–I La courbe ne montre qu'une légère différence dans la puissance de sortie lumineuse du mini-CSPLED 120°, du mini-CSPLED 150° et du mini-CSPLED 180°, ce qui indique le résultat d'une optimisation réussie de l'appareil via la structure CSP. Alors que le courant d'injection augmentait jusqu'à 200  mA, la puissance de sortie lumineuse des trois types de mini-CSPLED était d'environ 250,9, 258,0 et 245,9  mW. La puissance de sortie lumineuse du mini-CSPLED à 120 ° présente une valeur inférieure à celle du mini-CSPLED à 150 °, qui peut être absorbée par la couche réfléchissante de diffusion. Le mini-CSPLED à 180° donne une détérioration de 2,05 % et de 4,93 % de la puissance de sortie lumineuse à un courant élevé de 200  mA par rapport au mini-CSPLED à 120 ° et au mini-CSPLED à 150°. La détérioration pourrait être attribuée à l'ajout d'une couche réfléchissante par diffusion au-dessus de la couche transparente/CSPLED, la lumière peut être légèrement absorbée, ou la majeure partie de la lumière est concentrée dans la couche transparente, avec la réflexion émise par la paroi latérale.

Le L–I–V caractéristiques des mini-CSPLED 120°, mini-CSPLED 150° et mini-CSPLED 180°

La figure 5 montre les diagrammes de rayonnement du mini-CSPLED à 120 °, du mini-CSPLED à 150 ° et du mini-CSPLED à 180 ° à un courant d'injection de 100  mA. Le diagramme de rayonnement des mini-CSPLED peut être contrôlé en faisant varier les structures des colis. Les angles de vision du mini-CSPLED de 120°, du mini-CSPLED de 150° et du mini-CSPLED de 180° ont été mesurés à 110,6°, 148,7° et 180°, respectivement. De toute évidence, l'angle de vision du diagramme de rayonnement du mini-CSPLED de 180° était plus grand que celui du mini-CSPLED de 120° et du mini-CSPLED de 150°. On peut constater que l'intensité de sortie de lumière centrale du diagramme de rayonnement du mini-CSPLED à 180° a été réduite de moitié en raison de la couche réfléchissante de diffusion sur le dessus. L'angle de vision plus large a été causé par une grande quantité de lumière s'échappant de la couche transparente après avoir été réfléchie par la couche réfléchissante de diffusion, c'est-à-dire un motif d'émission avec une distribution de lumière en forme d'aile de papillon ; ainsi, il peut être utilisé comme source de lumière plane. D'autre part, le mini-CSPLED à 120 ° était recouvert d'une couche réfléchissante de diffusion sur les quatre côtés, de sorte que la lumière était concentrée et émise vers le haut pour former une distribution lumineuse de forme lambertienne. De plus, en raison du conformal à cinq côtés recouvert d'une couche transparente, la répartition de la lumière du mini-CSPLED à 150° était similaire à la répartition de la lumière en forme d'aile de chauve-souris.

Diagrammes de rayonnement des mini-CSPLED 120°, mini-CSPLED 150° et mini-CSPLED 180° (à 10 mA)

Le tableau 1 montre les propriétés optoélectroniques des BLU bleu mini-CSPLED avec différents angles d'émission. Avec la même tension directe de 24 V (à 10 mA), les coordonnées de chromaticité CIE (x , y ) du mini-CSPLED BLU 120°, du mini-CSPLED BLU 150° et du mini-CSPLED BLU 180° étaient tous similaires et (x , y ) =(x =0,1518 - 0,15,2, y =0,026 − 0,0281). De plus, les puissances de sortie lumineuse du BLU bleu mini-CSPLED à 120 °, du BLU bleu mini-CSPLED à 150 ° et du BLU bleu mini-CSPLED à 180 ° ont été mesurées à 147,43, 153,02 et 146,71  mW, respectivement. En raison du facteur de structure du boîtier mini-CSPLED à 180 °, la puissance de sortie lumineuse était légèrement faible, mais la zone d'éclairage a été augmentée.

Les figures 6a–c montrent le diagramme de chromaticité CIE de 120° mini-CSPLED BLU, 150° mini-CSPLED BLU et 180° mini-CSPLED BLU avec différentes épaisseurs de film QD. Les coordonnées chromatiques CIE (x , y ) des trois types de mini-CSPLED BLU avec différentes épaisseurs de film QD ont été mesurés comme suit :(x , y ) =(x =0,1977 - 0,2525, y =0,1297 - 0,2284), (x , y ) =(x =0,1941 - 0,2478, y =0,1239 - 0,2295), et (x , y ) =(x =0,1947 - 0,2496, y =0,1328 - 0,2331), respectivement. Il était clair que les coordonnées de chromaticité d'émission du BLU correspondant avec des films QD de diverses épaisseurs présentant des coordonnées de chromaticité CIE étaient situées près de la région bleue. Au fur et à mesure que l'épaisseur du film QD augmente, les coordonnées de chromaticité CIE se déplacent vers la région blanche. De plus, la luminosité BLU augmente à mesure que l'épaisseur du film QD augmente de 60, 90 et 150  μm. Ce résultat a été attribué aux augmentations significatives de la probabilité d'excitation avec des films QD épais pour produire de la lumière blanche et augmenter la luminosité. D'autre part, la luminosité BLU du mini-CSPLED BLU à 180° a été considérablement réduite, ce qui peut être attribué à la diminution de la luminosité moyenne due à la plus grande zone d'éclairage. Les résultats de cette étude montrent les coordonnées chromatiques CIE (x , y ) et la luminosité pour les trois types de structure d'angle d'émission mini-CSPLED avec différentes épaisseurs de film QD et sont résumés dans les tableaux 2, 3 et 4, dans lesquels la mesure des données peut être trouvée dans le fichier supplémentaire 1 :figures S2 à S10.

Diagrammes de chromaticité CIE de 120° mini-CSPLED BLU, 150° mini-CSPLED BLU et 180° mini-CSPLED BLU avec différentes épaisseurs de film QD

Les figures 7a–e montrent les images de distribution de lumière de 120° mini-CSPLED BLU, 150° mini-CSPLED BLU et 180° mini-CSPLED BLU avec et sans diffuseur et différentes épaisseurs de film QD. La figure 7a montre les images de distribution de lumière des trois types de mini-BLU bleu CSPLED sans diffuseur et films QD. En plaçant la plaque de diffusion sur les trois types de mini-CSPLED BLU, on peut voir que le mini-CSPLED BLU 180° a une meilleure lumière plane uniforme par rapport au mini-CSPLED BLU 120° et au mini-CSPLED BLU 150°. Cependant, le mini-CSPLED BLU 120° et le mini-CSPLED BLU 150° montrent les motifs de rayures, dans lesquels le mini-CSPLED BLU 120° est le plus visible, comme le montre la figure 4b. De même, comme le montrent les Fig. 7c-e, les films QD sont placés sur la plaque de diffusion, et à mesure que l'épaisseur du film QD augmente, les images de répartition de la lumière des trois types de mini-CSPLED BLU ont clairement montré que la luminosité BLU est augmentée et est plus proche de la lumière blanche; le motif à rayures est également de moins en moins évident. Les observations des images de répartition de la lumière sont en bon accord avec les coordonnées chromatiques CIE (x , y ) et les résultats de luminosité.

Images de distribution de la lumière de 120° mini-CSPLED BLU, 150° mini-CSPLED BLU et 180° mini-CSPLED BLU avec et sans plaque de diffusion et différentes épaisseurs de film QD

D'après les résultats ci-dessus, on peut voir que les coordonnées de couleur CIE (x , y ) peut être rapproché de la zone blanche à l'aide de films QD de 150 µm d'épaisseur. Par conséquent, l'épaisseur des films QD a été fixée et les effets de l'uniformité de la luminosité des trois types de mini-CSPLED BLU ont été discutés. En utilisant la méthode de mesure de l'uniformité de la luminosité en 5 points, l'uniformité de la luminosité des trois types de films mini-CSPLED BLU + QD de 150 µm d'épaisseur a été estimée à 35 %, 39 % et 86 %, respectivement. De toute évidence, l'uniformité de la luminosité BLU du mini-CSPLED BLU à 180 ° a été améliorée de 1,47 fois et 1,19 fois par rapport à celle du mini-CSPLED BLU à 120 ° et du mini-CSPLED BLU à 150 °. Par conséquent, il a été constaté que l'utilisation d'un film QD mini-CSPLED à 180° + 150 µm d'épaisseur pouvait efficacement améliorer l'uniformité globale de la luminosité du BLU. Le calcul de l'uniformité de la luminosité des trois types de mini-CSPLED BLU + films QD de 150 μm d'épaisseur a été résumé dans le tableau 5, dans lequel la mesure des données peut être trouvée dans le fichier supplémentaire 1 :figures S11 à S22.

Les figures 8a–c montrent le diagramme de chromaticité CIE et les spectres EL des trois types de mini-CSPLED BLU + films QD de 150 µm d'épaisseur avec et sans LCD. Comme le montre la figure 8a, on peut voir que la coordonnée de chromaticité CIE (x , y ) du mini-CSPLED BLU 120° avec LCD décalé de (0,2525, 0,2284) à (0,2873, 0,3099). Le 150° mini-CSPLED BLU avec LCD était de (0,2478, 0,2295) à (0,2830, 0,3072). Le mini-CSPLED BLU à 180° avec écran LCD était de (0,2496, 0,2331) à (0,2794, 0,3063). Cela montre qu'avec l'ajout de l'écran LCD, les coordonnées chromatiques CIE se sont davantage déplacées vers la région blanche. Le spectre EL des trois types de mini-CSPLED BLU + films QD de 150 μm d'épaisseur sans LCD présente une forte intensité de lumière bleue, et la coordonnée de chromaticité CIE est située dans la région proche du bleu, comme le montre la figure 8b (voir Fichier supplémentaire 1 :Figures S4, S7 et S10). Lorsque l'écran LCD a été placé sur les trois types de mini-CSPLED BLU + films QD de 150 m d'épaisseur, le spectre EL montre que l'intensité de la lumière rouge, verte et bleue était similaire et que la coordonnée de chromaticité CIE était située dans la région blanche . Ce résultat peut être attribué au filtre de couleur de la structure LCD, qui améliore la position des coordonnées de couleur, comme le montre la figure 8c (voir Fichier supplémentaire 1 :Figures S23-S25). L'encart montre la photographie d'application réelle de 180° mini-CSPLED BLU + film QD de 150 μm d'épaisseur avec écran LCD.

un Diagramme de chromaticité CIE. b , c Spectres EL de trois types de mini-CSPLED BLU + films QD de 150 μm d'épaisseur avec et sans LCD

Conclusions

En conclusion, nous avons utilisé avec succès le mini-CSPLED BLU comme source d'énergie de lumière bleue et d'excitation, ainsi que des films QD, pour produire un rétroéclairage blanc uniforme. Les mini-CSPLED ont été soumises à une structure de boîtier d'angle d'émission fabriquée à 120°, 150° et 180° pour vérifier que les performances optiques des mini-CSPLED présentaient des différences significatives. L'angle d'émission plus important et une zone d'éclairage de 180° mini-CSPLED se sont considérablement améliorés par rapport à ceux du mini-CSPLED 120° et du mini-CSPLED 150°. De manière impressionnante, le mini-CSPLED BLU à 180 ° avec un film QD de 150 m d'épaisseur a obtenu une excellente source de lumière blanche plane à luminosité uniforme pour les écrans rétro-éclairés d'environ 86 %, ce qui est important pour la future technologie d'affichage ultra-mince. Nous avons mis en œuvre une technologie CSP hautement fiable qui peut protéger la puce LED, résoudre les problèmes d'angle d'émission et de zone d'éclairage des LED et fabriquer une source de rétroéclairage pour les écrans avec une bonne uniformité de luminosité.

Abréviations

BLU :

Unité de rétroéclairage

CCFL :

Lampe fluorescente à cathode froide

CdSe :

Séléniure de cadmium

GaN :

Nitrure de gallium

LCD :

Affichage à cristaux liquides

mini-CSPLED :

Mini diode électroluminescente emballée à l'échelle de la puce

OLED :

Diode électroluminescente organique

PLED :

Diode électroluminescente polymère

QD :

Points quantiques

YAG :

Grenat aluminium yttrium