이 연구에서는 밝기 균일성을 향상시키기 위해 양자점(QD) 필름, 확산판 및 2개의 프리즘 필름을 사용하는 새로운 직접 조명 미니 칩 스케일 패키지형 발광 다이오드(mini-CSPLED) 백라이트 유닛(BLU)을 제안합니다. 120° mini-CSPLED, 150° mini-CSPLED, 180° mini-CSPLED의 3가지 다른 광도 단위가 CSP 공정을 사용하여 다른 방출 각도 구조로 제작되었습니다. 부품특성상 180° mini-CSPLED 광출력은 150° mini-CSPLED 대비 약 4% 손실(10 mA에서)이지만, 발광각이 커서 면광원을 형성하여 개선에 기여한다. 동일한 영역에서 BLU 밝기 균일성 및 감소된 LED 수량. BLU 분석의 관점에서, 방출 각도가 다른 파란색 미니 CSPLED는 다른 QD 필름 두께를 여기시킵니다. 색도는 백색광 영역으로의 변환을 조정합니다. BLU 밝기는 QD 필름 두께가 60, 90 및 150 μm에서 증가함에 따라 증가합니다. 이 결과는 120° mini-CSPLED BLU 및 150° mini-CSPLED BLU와 비교하여 180° mini-CSPLED BLU + 150μm 두께의 QD 필름에서 86%의 밝기 균일성을 달성할 수 있습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">LCD(Liquid Crystal Display)는 현대 사회의 다양한 분야에서 주류 디스플레이 기술로 더욱 각광받고 있습니다. 생활 수준이 향상됨에 따라 사람들은 LCD 디스플레이 품질에 대한 요구 사항이 점점 높아지고 있습니다. 특히 색 영역 및 밝기 측면에서 LCD는 유기발광다이오드(OLED) 및 레이저 디스플레이와 같은 다른 디스플레이 기술에 의해 지속적으로 추월되고 있습니다[1,2,3]. LCD 성능을 향상시키기 위해 LED(Light Emitting Diode)는 크기가 작고 에너지 소비가 적으며 발열이 적기 때문에 기존 CCFL(냉음극 형광등)을 점차적으로 대체하고 있습니다. LED는 차세대 LCD 백라이트 유닛(BLU) 소스가 되었습니다[4,5,6]. 현재 LED BLU는 청색 LED를 사용하여 황색 형광체를 여기시켜 백색 백라이트를 형성합니다. 그러나 형광체의 낮은 효율, 넓은 스펙트럼, 큰 광 감쇠 및 입자의 불량한 균일성은 LCD의 밝기 개선 및 CIE 색도 범위를 방해합니다. 따라서 여전히 개선의 여지가 있습니다. 백색 LED는 주로 질화갈륨(GaN) 청색 LED(파장 450~470 nm) 위에 YAG 황색 형광체 층을 코팅하여 제조되는 것으로 잘 알려져 있습니다[7, 8]. 그러나 방출 스펙트럼은 적색광이 부족하고 차가운 백색광을 방출하며 자연스럽지 않고 연색성이 좋지 않아(CRI 75 미만) 고급 조명 및 특수 분야에서의 적용이 제한됩니다. 높은 CRI LED를 얻기 위해 소량의 적색 형광체와 소량의 녹색 형광체를 황색 형광체에 첨가하여 스펙트럼을 보상하고 변경합니다[6, 9]. 그러나 이 형광체를 코팅한 LED 방식은 발광효율과 화학적 안정성 면에서 아직 미흡하고, 대규모 대중화와 응용이 어려운 실정이다.
새로운 유형의 형광 반도체 나노결정으로서, 나노 양자점(QD)은 높은 광발광 양자 수율, 좁은 방출 스펙트럼, 가변 방출 스펙트럼 및 높은 색 순도와 같은 많은 고유한 광학 특성을 가지고 있습니다[10,11,12,13,14 ,15,16]. 효율적인 광자 관리에서 QD 변환기는 태양 전지[17, 18], LED[19, 20] 및 광검출기[21,22,23]에 널리 사용될 수 있음이 입증되었습니다. 특히, 선택 가능한 파장과 높은 반응성 및 온/오프 비율을 갖는 QD 광검출기가 보고되었다[24, 25]. 최근 QD는 우수한 전기촉매 및 광촉매 특성으로 인해 물 분해에도 적용되었습니다[26]. QD는 디스플레이 분야에서 적합한 후보 물질이 되었으며, 이는 기존의 형광체 분말을 대체하고 LCD 색역 범위를 증가시킬 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다[27, 28]. QD 기반의 백라이트 기술은 현재 디스플레이 분야의 주류 적용 대상으로 과학계와 산업계의 큰 관심을 받고 있다. QD는 일반적으로 II–VI 또는 III–V족 원소로 구성되며 결정 입자 직경이 약 2–10 nm에 불과합니다[29, 30]. 양자 구속 효과로 인해 QD 에너지 갭은 입자 크기에 따라 변할 수 있습니다. 지난 몇 년 동안 디스플레이 기술에서 카드뮴 셀레나이드(CdSe) 및 코어-쉘 QD에 대한 연구가 가장 인기를 얻었는데, 그 이유는 주로 발광 파장이 가시 범위 내에 있기 때문입니다. QD-LED 소자의 구조는 고분자 발광 다이오드(PLED)와 유사하며 발광층을 콜로이드 반도체 양자점 용액을 이용하여 스핀 코팅하여 제조 공정이 간단하고 비용이 저렴하며, 제조 유연성 [31,32,33].
현재 주류 LED BLU 광원 배열은 가장자리 조명과 직접 조명의 두 가지 유형으로 크게 나눌 수 있습니다. 일반적으로 직사광선이 제공하는 명암비 및 밝기 균일성은 가장자리광선보다 우수합니다. Edge-lit 밝기 균일성은 도광판을 사용하여 전체 화면에 빛을 분산시킵니다. 그러나 도광판의 무게는 대형 LCD-TV 애플리케이션에 너무 무거워집니다. 또한 광학 품질이 좋아야 하므로 비용이 많이 듭니다. 직접 조명은 라이트 가이드를 사용하지 않습니다. LED 어레이는 LCD 패널 바로 아래에 고르게 배치되어 밝기 균일성과 우수한 광 효율에서 뛰어난 성능을 제공합니다[34,35,36]. BLU의 밝기와 균일성은 디스플레이 모듈의 균일성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 BLU 휘도 균일성을 향상시키는 것이 매우 중요하다. 그러나 실제 응용에서는 BLU 조명 균일성을 유지하기가 어렵습니다. 모듈이 얇아지면 밝기 불균일이 크게 달라집니다. 얇은 LED와 우수한 균일성을 달성하기 위해 요구 사항을 충족하는 BLU를 설계하는 것이 더 어렵습니다. 본 연구에서는 LED BLU 휘도 균일성을 개선하기 위한 방법을 제안한다. BLU 밝기 균일성은 다양한 LED 방출 각도와 다양한 QD 필름 두께를 통해 논의되었습니다.
460 nm의 방출 파장을 갖는 GaN LED 에피 웨이퍼는 c-면 사파이어 기판에 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD)에 의해 성장되었습니다. LED 구조는 2μm 두께의 도핑되지 않은 GaN 층, 2.0μm 두께의 Si 도핑 n형 GaN 클래딩 층, 6주기의 InGaN/GaN 다중 양자 우물(MQW), 25nm 두께 Mg 도핑된 p-AlGaN 전자 차단층 및 0.2μm 두께의 Mg 도핑된 p형 GaN 클래딩층. 옴 접촉 층과 반사체를 위한 Ni/Ag/Ni/Pt 층은 전자빔 증발 시스템을 통해 LED에 증착되었습니다. 이 연구에 사용된 3개의 다른 방출 각도 미니 FC-LED(미니 LED) 구조는 120° 미니 CSPLED, 150° 미니 CSPLED와 함께 필름 전사 기술과 몰드 칩 스케일 패키지(CSP) 방법으로 제작되었습니다. 120° mini-CSPLED 구조는 칩의 4면 모두에 보호층이 있고 발광면에 투명층이 있다. 150° mini-CSPLED 구조는 칩의 측면과 발광면에 투명층이 있습니다. 180° 미니 CSPLED 구조는 측면에 투명 층이 있고 칩 표면에 발광이 있으며 최상층에 확산 반사층이 덮여 있습니다. 투명 레이어의 재료 소스가 TiO2인 경우 /실리콘 수지 나노복합체, 두꺼운 보호층과 얇은 확산 반사층은 모두 TiO2 분말. QD 필름은 재료 소스로 CdSe/ZnS 코어-쉘 QD를 사용하여 제작되었습니다. 녹색 방출(~ 525 nm) 및 적색 방출(~ 617 nm) CdSe/ZnS 코어-쉘 QD를 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 혼합하여 다양한 QD 필름 두께를 제조했으며, 여기서 QD 필름 광학 특성은 다음에서 찾을 수 있습니다. 추가 파일 1:그림 S1. 이 QD 필름은 LED 칩(λ =450 nm) 백색광 소자를 얻기 위해. 그림 2는 3 × 3 정사각형 미니 LED 어레이, 확산판, QD 필름 및 2개의 프리즘 필름으로 구성된 BLU 구조(18 mm × 18 mm)를 보여줍니다. 미니 LED 어레이는 칩 크기가 20 mil × 20 mil이고 피치 길이가 5.1 mm인 회로 기판에 장착되었습니다. 유효 광학 거리(OD)는 칩과 확산판 사이를 고려하여 2.5 mm로 설정하여 우수한 공간 균일성을 얻습니다. 그림 3은 백색 평면 광원을 얻기 위해 두께가 다른 QD 필름(예:60μm, 90μm 및 150μm 두께의 QD 필름)을 여기하는 파란색 미니 LED 어레이를 보여줍니다. 전체 패널의 밝기 균일성은 패널에 위치한 L1~L5의 5개 지점에서 밝기를 측정하여 그림 3과 같이 평가된다. 이 연구에서 BLU 밝기 균일성은 다음 공식으로 표현됩니다.
$$ \mathrm{밝기}\ \mathrm{균일함}=\frac{\mathrm{L}1+\mathrm{L}2+\mathrm{L}3+\mathrm{L}4+\mathrm{L} 5}{5} $$ (1) <그림>
3가지 종류의 mini-CSPLED 방출각 구조의 개략도. 아 120° 미니 CSPLED, b 150° 미니 CSPLED 및 c 180° 미니 CSPLED
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백라이트 유닛 구조의 개략도
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밝기 균일성 측정의 개략도
광출력-전류-전압(L-I-V ) 이러한 미니 CSPLED의 특성은 Keithley 2400 소스 미터와 보정된 전력 미터(CAS 140B, Instrument Systems, Munich)가 있는 통합 구체를 사용하여 실온에서 측정되었습니다. 이러한 미니 CSPLED의 공간 복사 패턴은 각도 광도계(LEDGON-100, Instrument Systems, Munich)를 사용하여 측정되었습니다. 분광 휘도 측정기(SRI-RL-5000, Optimum Optoelectronics Corp., Taiwan)를 사용하여 QD 필름을 사용한 BLU 휘도 및 전자발광(EL) 스펙트럼을 분석했습니다.
그림 4는 측정된 L–I–V를 나타냅니다. 미니 CSPLED의 3가지 특성. 20 mA의 주입 전류에서 120° mini-CSPLED, 150° mini-CSPLED 및 180° mini-CSPLED의 순방향 전압은 모두 동일하고 ~ 2.72 V입니다. 이 세 가지 유형의 mini-CSPLED의 순방향 전압은 모두 3.09–3.14 V로 증가했습니다. I–V 이 세 장치의 곡선은 거의 동일하여 CSP 프로세스가 전기적 특성을 손상시키지 않음을 보여줍니다. 한편, L–I 곡선은 120° mini-CSPLED, 150° mini-CSPLED 및 180° mini-CSPLED의 광 출력 전력에서 약간의 차이만 보여 CSP 구조를 통한 성공적인 장치 최적화 결과를 나타냅니다. 한편, 세 종류의 mini-CSPLED의 광출력은 초기에 주입전류에 따라 선형적으로 증가한다. L–I 곡선은 120° mini-CSPLED, 150° mini-CSPLED 및 180° mini-CSPLED의 광 출력 전력에서 약간의 차이만 보여 CSP 구조를 통한 성공적인 장치 최적화 결과를 나타냅니다. 주입 전류가 200 mA까지 증가함에 따라 mini-CSPLED 3종의 광출력은 약 250.9, 258.0, 245.9 mW였다. 120° mini-CSPLED의 광 출력은 150° mini-CSPLED보다 낮으며, 이는 확산 반사층에 의해 흡수될 수 있습니다. 180° mini-CSPLED는 120° mini-CSPLED 및 150° mini-CSPLED에 비해 200 mA의 고전류에서 광출력이 2.05% 및 4.93% 저하됩니다. 열화는 투명층/CSPLED 상단에 확산 반사층을 추가했기 때문일 수 있습니다. 빛이 약간 흡수되거나 대부분의 빛이 투명층에 집중되어 측벽에서 반사가 방출됩니다.
<그림>
L–I–V 120° 미니 CSPLED, 150° 미니 CSPLED 및 180° 미니 CSPLED의 특성
그림 5는 100 mA의 주입 전류에서 120° 미니 CSPLED, 150° 미니 CSPLED 및 180° 미니 CSPLED의 방사 패턴을 보여줍니다. 미니 CSPLED의 방사 패턴은 패키지 구조를 변경하여 제어할 수 있습니다. 120° 미니 CSPLED, 150° 미니 CSPLED 및 180° 미니 CSPLED 시야각은 각각 110.6°, 148.7° 및 180°로 측정되었습니다. 분명히, 180° mini-CSPLED 방사 패턴의 시야각은 120° mini-CSPLED 및 150° mini-CSPLED보다 큽니다. 180° mini-CSPLED의 방사 패턴의 중심 광출력 강도는 상부의 확산 반사층으로 인해 절반으로 감소되었음을 알 수 있다. 더 넓은 시야각은 확산 반사층, 즉 나비 날개 모양의 배광 분포를 가진 발광 패턴에 의해 반사된 후 투명층에서 많은 빛이 빠져나가기 때문입니다. 따라서 평면 광원으로 사용할 수 있습니다. 반면, 120° mini-CSPLED는 사방이 확산 반사층으로 덮여 있어 빛이 집중되어 위쪽으로 방출되어 Lambertian 모양의 배광을 형성합니다. 또한 투명 레이어로 덮인 5면 등각으로 인해 150° mini-CSPLED의 배광은 박쥐 날개 모양의 배광과 유사했습니다.
<사진>
120° 미니 CSPLED, 150° 미니 CSPLED 및 180° 미니 CSPLED(10 mA에서)의 방사 패턴
표 1은 방출 각도가 다른 mini-CSPLED 청색 BLU의 광전자 특성을 보여줍니다. 24 V(10 mA에서)의 동일한 순방향 전압에서 CIE 색도 좌표(x , y ) 120° 미니 CSPLED BLU, 150° 미니 CSPLED BLU 및 180° 미니 CSPLED BLU는 모두 유사했으며 (x , y ) =(x =0.1518 − 0.15.2, y =0.026 - 0.0281). 또한 120° mini-CSPLED blue BLU, 150° mini-CSPLED blue BLU, 180° mini-CSPLED blue BLU의 광출력은 각각 147.43, 153.02, 146.71 mW로 측정되었다. 180° mini-CSPLED 패키지 구조 요인으로 인해 광출력은 다소 떨어지지만 조도 면적은 증가했다.
그림 6a-c는 QD 필름 두께가 다른 120° 미니 CSPLED BLU, 150° 미니 CSPLED BLU 및 180° 미니 CSPLED BLU의 CIE 색도 다이어그램을 보여줍니다. CIE 색도 좌표(x , y ) QD 필름 두께가 다른 세 종류의 mini-CSPLED BLU 중 다음과 같이 측정되었습니다.(x , y ) =(x =0.1977 − 0.2525, y =0.1297 − 0.2284), (x , y ) =(x =0.1941 − 0.2478, y =0.1239 − 0.2295) 및 (x , y ) =(x =0.1947 − 0.2496, y =0.1328 − 0.2331), 각각. CIE 색도 좌표를 나타내는 다양한 두께의 QD 필름이 있는 해당 BLU의 방출 색도 좌표가 파란색 영역 근처에 위치하는 것이 분명했습니다. QD 막 두께가 증가함에 따라 CIE 색도 좌표는 흰색 영역으로 이동합니다. 또한, QD 막 두께가 60, 90 및 150 μm에서 증가함에 따라 BLU 밝기가 증가합니다. 이 결과는 백색광을 생성하고 밝기를 증가시키기 위해 두꺼운 QD 필름으로 여기 확률을 크게 증가시켰기 때문입니다. 반면, 180° mini-CSPLED BLU의 BLU 밝기는 현저히 낮아졌는데, 이는 조명 면적이 넓어짐에 따라 평균 밝기가 감소했기 때문일 수 있다. 이 연구의 결과는 CIE 색도 좌표(x , y ) 및 밝기는 서로 다른 QD 필름 두께를 갖는 3가지 종류의 mini-CSPLED 방출 각도 구조에 대해 요약되어 있으며 표 2, 3, 4에 요약되어 있습니다. 여기서 데이터 측정값은 추가 파일 1:그림 S2–S10에서 확인할 수 있습니다.
<그림>
QD 필름 두께가 다른 120° 미니 CSPLED BLU, 150° 미니 CSPLED BLU 및 180° 미니 CSPLED BLU의 CIE 색도 다이어그램
그림 7a–e는 120° mini-CSPLED BLU, 150° mini-CSPLED BLU, 180° mini-CSPLED BLU의 배광 이미지를 디퓨저 유무와 다른 QD 필름 두께로 보여줍니다. 그림 7a는 디퓨저와 QD 필름이 없는 세 종류의 mini-CSPLED blue BLU의 배광 이미지를 보여줍니다. 3가지 mini-CSPLED BLU에 확산판을 올려놓으면 180° mini-CSPLED BLU가 120° mini-CSPLED BLU와 150° mini-CSPLED BLU에 비해 균일한 평면광을 가짐을 알 수 있다. 그러나 120° mini-CSPLED BLU와 150° mini-CSPLED BLU는 그림 4b와 같이 120° mini-CSPLED BLU가 가장 잘 보이는 스트라이프 패턴을 보인다. 유사하게, 도 5에 도시된 바와 같이. 도 7c-e에서, QD 필름을 확산판 위에 놓고, QD 필름 두께가 증가함에 따라 3가지 mini-CSPLED BLU의 배광 이미지는 BLU 밝기가 증가하고 백색광에 더 가깝다는 것을 명확하게 나타내었다.; 줄무늬 패턴도 점점 덜 명확해집니다. 배광 이미지 관찰은 CIE 색도 좌표(x , y ) 및 밝기 결과.
<그림>
120° mini-CSPLED BLU, 150° mini-CSPLED BLU, 180° mini-CSPLED BLU(확산판 유무와 다른 QD 필름 두께)의 배광 이미지
위의 결과로부터 CIE 색좌표(x , y )는 150μm 두께의 QD 필름을 사용하여 흰색 영역에 가깝게 가져올 수 있습니다. 따라서 QD 필름의 두께를 고정하고 3가지 mini-CSPLED BLU의 휘도 균일성에 미치는 영향에 대해 논의하였다. 5점 휘도 균일성 측정법을 이용하여 mini-CSPLED BLU + 150μm 두께의 QD 필름 3종의 휘도 균일성은 각각 35%, 39%, 86%로 추정되었다. 분명히, 120° mini-CSPLED BLU 및 150° mini-CSPLED BLU에 비해 180° mini-CSPLED BLU의 BLU 휘도 균일성이 1.47배, 1.19배 향상되었다. 따라서 180° mini-CSPLED BLU +150μm 두께의 QD 필름을 사용하면 전체 BLU 휘도 균일성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있었습니다. 세 종류의 미니 CSPLED BLU + 150μm 두께 QD 필름의 밝기 균일성 계산은 표 5에 요약되어 있으며, 여기서 데이터 측정은 추가 파일 1:그림 S11–S22에서 찾을 수 있습니다.
그림 8a-c는 LCD가 있거나 없는 세 종류의 mini-CSPLED BLU + 150 μm 두께 QD 필름의 CIE 색도 다이어그램과 EL 스펙트럼을 보여줍니다. 그림 8a와 같이 CIE 색도 좌표(x , y ) LCD가 있는 120° mini-CSPLED BLU의 (0.2525, 0.2284)에서 (0.2873, 0.3099)로 이동했습니다. LCD가 있는 150° 미니 CSPLED BLU는 (0.2478, 0.2295)에서 (0.2830, 0.3072) 사이였습니다. LCD가 있는 180° 미니 CSPLED BLU는 (0.2496, 0.2331)에서 (0.2794, 0.3063) 사이였습니다. 이것은 LCD가 추가됨에 따라 CIE 색도 좌표가 흰색 영역으로 더 많이 이동했음을 보여줍니다. 세 종류의 mini-CSPLED BLU + LCD가 없는 150μm 두께 QD 필름의 EL 스펙트럼은 강한 청색광 강도를 나타내며 CIE 색도 좌표는 그림 8b와 같이 청색에 가까운 영역에 위치합니다. 추가 파일 1:그림 S4, S7 및 S10). 3종류의 mini-CSPLED BLU + 150 μm 두께의 QD 필름 위에 LCD를 올려놓았을 때, EL 스펙트럼은 red, green, blue의 광도가 비슷함을 보여주고 있으며 CIE 색도좌표는 백색영역에 위치하였다. . 이 결과는 그림 8c와 같이 색좌표 위치를 개선하는 LCD 구조의 컬러 필터에 기인할 수 있습니다(추가 파일 1:그림 S23–S25 참조). 삽입된 사진은 180° mini-CSPLED BLU + 150μm 두께의 QD 필름과 LCD의 실제 적용 사진입니다.
<그림>
아 CIE 색도 다이어그램. ㄴ , ㄷ 3가지 미니 CSPLED BLU의 EL 스펙트럼 + LCD가 있거나 없는 150 μm 두께 QD 필름
결론적으로 우리는 QD 필름과 함께 청색광 및 여기 에너지원으로 mini-CSPLED BLU를 성공적으로 사용하여 균일한 백색 백라이트를 생성했습니다. Mini-CSPLED에 120°, 150° 및 180°로 제작된 발광각 패키지 구조를 적용하여 mini-CSPLED 광학 성능에 상당한 차이가 있음을 확인했습니다. 120° mini-CSPLED 및 150° mini-CSPLED에 비해 라거 방출 각도 및 180° mini-CSPLED의 조명 영역이 크게 향상되었습니다. 인상적으로 150μm 두께의 QD 필름을 사용하는 180° mini-CSPLED BLU는 백라이트 디스플레이를 위한 우수한 균일 밝기 평면 백색 광원을 약 86% 달성했으며, 이는 미래의 초박형 디스플레이 기술에 중요한 의미가 있습니다. 우리는 LED 칩을 보호하고 LED의 방출 각도 및 조명 영역 문제를 해결하고 밝기 균일성이 좋은 디스플레이용 백라이트 소스를 제작할 수 있는 고신뢰성 CSP 기술을 구현했습니다.
백라이트 유닛
냉음극 형광등
카드뮴 셀레나이드
질화갈륨
액정 디스플레이
미니 칩 스케일 패키지 발광 다이오드
유기발광다이오드
고분자 발광 다이오드
양자점
이트륨 알루미늄 석류석
나노물질
초록 전형적인 슈퍼커패시터 전극 물질인 층상 이중 수산화물은 구조가 잘 조절되면 우수한 에너지 저장 성능을 나타낼 수 있습니다. 이 연구에서 다양한 니켈-코발트 층상 이중 수산화물(NiCo-LDHs)을 제조하기 위해 간단한 1단계 열수 방법이 사용되며, 여기서 다양한 요소 함량이 NiCo-LDH의 다양한 나노구조를 조절하는 데 사용됩니다. 결과는 요소 함량의 감소가 NiCo-LDH의 분산성을 효과적으로 개선하고 두께를 조정하며 내부 기공 구조를 최적화하여 정전 용량 성능을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 니켈(0.06g) 대 코발
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