Lampu Latar Putih Ultra-Seragam dengan Mini-CSPLED 180° dan Film Titik Kuantum

Abstrak

Kami menyajikan unit lampu latar (BLU) mini-chip-scale packaged LED (mini-CSPLED) langsung dengan kecerahan seragam tinggi yang terintegrasi dengan film titik kuantum (QD), plate difusi, dan dua film prisma. Tiga mini-CSPLED dengan sudut emisi 120°, 150°, dan 180° dibuat melalui proses paket skala chip (CSP). Perangkat 180°, meski mengalami kehilangan daya sekitar 4% pada 10 mA dibandingkan dengan sejenis 150°, menghasilkan konus emisi yang jauh lebih lebar, sehingga meningkatkan seragamnya cahaya datar dan mengurangi jumlah LED per luas area. Dengan bervariasi ketebalan film QD (60, 90, 150 µm) pada mini-CSPLED biru, kami mencapai konversi kromatisitas CIE ke wilayah putih dan meningkatkan kecerahan BLU. BLU mini-CSPLED 180° dengan film QD 150 µm mencapai seragamnya kecerahan 86 %, yang jauh lebih baik dari desain 120° dan 150°.

Latar Belakang

Layar kristal cair (LCD) mendominasi teknologi visual modern, namun performanya terbatas oleh lampu latar berbasis fosfor, yang menderita efisiensi rendah, spektrum lebar, penurunan cepat, dan seragamnya buruk. LED biru yang memicu fosfor kuning YAG telah menjadi standar sumber BLU, tetapi menghasilkan cahaya putih dingin dengan pengarahan warna yang suboptimal (CRI < 75). Peningkatan efisiensi luminus dan kualitas warna tetap menjadi tujuan penelitian utama.

Titik kuantum (QD) menawarkan properti optik luar biasa—hasil fotoluminescens tinggi, emisi sempit, dan kestunan spektral—membuatnya menarik sebagai pengonversi warna padatan. QD telah menunjukkan janji dalam sel surya, LED, detektor cahaya, bahkan elektrokataliysis. Dalam lampu latar layar, film QD dapat mengganti fosfor konvensional untuk memperluas gamut CIE dan meningkatkan fidelitas warna.

Arsitektur lampu latar secara kasar diklasifikasikan sebagai edge-lit atau direct-lit. BLU langsung, yang meletakkan LED di bawah panel, menyediakan seragamnya kecerahan dan efisiensi optik yang lebih baik, terutama untuk TV panel tipis. Namun, mencapai iluminasi seragam di seluruh panel tetap menjadi tantangan, terutama seiring berkurangnya ketebalan perangkat. Penelitian ini mengeksplorasi bagaimana rekayasa sudut emisi dan optimisasi ketebalan film QD dapat meningkatkan seragamnya BLU.

Metode

Epiwafer LED GaN (λ = 460 nm) ditanam oleh MOCVD pada substrat safir bidang c. Strukturnya terdiri dari penampung GaN tidak di-dop 2 µm, lapisan cladding n-GaN Si-dop 2 µm, enam InGaN/GaN MQWs, lapisan pemblokir p-AlGaN Mg-dop 25 nm, dan penampung p-GaN Mg-dop 0,2 µm. Kontak Ni/Ag/Ni/Pt disetapkan melalui evaporasi sinar elektron. Tiga mini-CSPLED dibuat dengan konus emisi 120°, 150°, dan 180° menggunakan teknik transfer film dan cetakan CSP. Desain 180° mengintegrasikan dinding samping nanokomposit TiO₂/resin silikon transparan dan lapisan difusi-reflektif atas.

QD core-shell CdSe/ZnS (hijau ≈ 525 nm, merah ≈ 617 nm) dicampur dengan PMMA untuk membentuk film QD dengan ketebalan 60, 90, dan 150 µm. Film-film ini berfungsi sebagai pengonversi warna pada chip mini-CSPLED biru 450 nm. BLU terdiri dari array mini-LED 3 × 3 berukuran 18 mm × 18 mm, plate difusi, film QD, dan dua film prisma. Jarak optik antara chip dan plate difusi adalah 2,5 mm.

Performa listrik diukur dengan meter sumber Keithley 2400 dan meter daya terkalibrasi (CAS 140B). Pola radiasi spasial ditangkap menggunakan goniophotometer (LEDGON-100). Luminansi dan spektrum elektroluminescens (EL) dicatat dengan meter luminansi spektral (SRI-RL-5000). Seragamnya kecerahan dievaluasi pada lima titik (L1–L5) menggunakan rumus (1).

Hasil dan Pembahasan

Ketiga mini-CSPLED menunjukkan karakteristik I-V yang identik, dengan tegangan maju sekitar 2,72 V pada 20 mA dan sekitar 3,12 V pada 200 mA, mengonfirmasi bahwa proses CSP menjaga integritas listrik. Luaran cahaya meningkat secara linier dengan arus, mencapai sekitar 250 mW pada 200 mA. Perangkat 180° menunjukkan penurunan output sekitar 5 %, yang disebabkan oleh lapisan difusi-reflektif dan emisi yang lebih luas.

Pola radiasi mengonfirmasi sudut emisi yang dirancang: mini-CSPLED 120° (110,6°), mini-CSPLED 150° (148,7°), dan mini-CSPLED 180° (180°). Desain 180° menghasilkan distribusi bentuk kupu-kupu, ideal untuk iluminasi datar, sementara perangkat 120° menampilkan pola Lambertian karena penutupan dinding samping yang utuh.

Dengan tegangan maju 24 V pada 10 mA, semua BLU mencapai koordinat CIE (x ≈ 0,15, y ≈ 0,027) dan daya output biru antara 147–153 mW. Peningkatan ketebalan film QD menggeser kromatisitas ke wilayah putih dan meningkatkan kecerahan secara proporsional: 60 µm → 90 µm → 150 µm. BLU 180° dengan film QD 150 µm memberikan kecerahan tertinggi dan distribusi cahaya paling seragam, sebagaimana ditunjukkan oleh pola garis yang berkurang dalam gambar plate difusi.

Seragamnya kecerahan, yang diukur pada lima titik, mencapai 86 % untuk BLU 180° dengan film QD 150 µm, dibandingkan dengan 35 % dan 39 % untuk desain 120° dan 150°. Ini merupakan peningkatan 1,47 kali dan 1,19 kali, masing-masing.

Penambahan panel LCD menggeser koordinat CIE lebih lanjut ke wilayah putih untuk semua BLU, menunjukkan bahwa lampu latar yang dikonversi QD dapat secara efektif mendukung layar dengan akurasi warna tinggi.

Kesimpulan

Dengan menggabungkan mini-CSPLED 180° dengan film QD 150 µm, kami mencapai lampu latar putih datar ultra-seragam dengan seragamnya kecerahan 86 %, yang cocok untuk modul layar ultra-tipis. Teknologi CSP melindungi chip LED, memperluas sudut emisi, dan mengurangi kepadatan LED, membuka jalan untuk layar generasi berikutnya dengan performa tinggi.

Singkatan

BLU

Unit lampu latar

CCFL

Lampu fluoresden katoda dingin

CdSe

Selenida kadmium

GaN

Nitrid galium

LCD

Layar kristal cair

mini-CSPLED

Diod pemancar cahaya paket skala chip mini

OLED

Diod pemancar cahaya organik

PLED

Diod pemancar cahaya polimer

QDs

Titik kuantum

YAG

Garnet yttrium aluminium