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光子晶体LED入主液晶电视背光

信息来源:LED透明屏厂家我司     编辑:LED显示屏厂家_万博体育manbetx官网


  如果你想出资报价昂贵的LED背光模组,那么液晶电视将是个很有远景的运用商场。但是,LED背光模组制作商如果选用根据压印光刻技能的大批量光子晶体LED的话,就能大幅下降这种光源的报价。

  阴极射线管基本上已被筛选出局了。如今走进任何一家电子商铺,你会看到成排的电视和电脑液晶显现器。即便是等离子显现器技能——从前被视作技能更佳、更具竞争力的对手,如今也受到了根据最新技能的液晶电视的应战,它表现为:功率更高、更亮且印象更明晰。

  与等离子显现不一样,液晶显现屏需求运用背光模组(BLU)向液晶面板投射白光。一般挑选冷阴极荧光灯(CCFL),但LED背光供给了另一种挑选,它能经过部分暗化来进步对比度。由于LED背光有更高的功率,能够延伸电池的续航时间,因而在膝上型电脑上大行其道。

  LED的优势包含能够进一步削减背光模组的分量、厚度和能效。固态光源与动态对比度操控更兼容,所用技能经过封闭显现图画中黑色区域的LED,使得对比度高达10000 : 1。

  LED的挑选

  BLU发作的白光既能够经过详尽地混合红、绿和蓝三色LED宣布的光,也可运用蓝光LED和黄光荧光粉来完结。两种挑选都需求根据GaN的蓝光LED,一切不一样类型的这种器材都有一个一起的缺陷:大多数的光被捆绑在有源区内,不能有用地获取出来。

  这个低效的缺陷意味着背光模组需求更多的LED,这就添加了本钱。为了进步光获取功率,研讨者们开宣布了几种技能来获取被内部全反射捆绑在芯片中的光。

  商业LED制作商偏心晶片顶部外表粗化技能。这种简略而具有本钱效益的随机外表构造能添加光逃逸角,明显进步光获取功率。

  由于短少光散布的方向性操控,该技能并不适宜背光模组。经过外表粗化的LED芯片在光发射锥内实践上具有无方向性的光强散布。这一特色习惯绝大多数通用照明运用的请求,但用作LED背光模组却是不适宜的,由于它需求一种更有规则的光强散布,将光导向最适宜的地方。

  将光取出

  光是怎么被捆绑的,怎么将它从LED中取出?研讨这些是有长处的。核算和模拟标明在GaN外延层和蓝宝石衬底中存在水平捆绑态,而且在LED发作端外表参加一个有规则的多孔光栅构造能有用地把光获取出来。最盛行的做法是运用周期或准周期性的浅盲孔阵列来构成一个二维光子晶体栅格。

  研讨显现,选用了刻蚀光子晶格的LED与未做外表处理的对照比较,外表亮度能加倍,而且改动器材的空间发光散布。平面LED发作的朗伯散布并不适宜背光模组,但经过优化光子晶体的构造就能使辐射强度散布趋向于特别散光器和长脸薄膜的特性。

  美国公司Luminus Device Inc.正在享受着,光子晶体PhatLight LED给它带来的成功。该器材现已用在某些高端电视中,例如三星56寸背投电视。这家制作商信任,这类高价的LED引进旗舰商品中是物有所值的。但光子晶体LED若要对全部商场发作影响的话,特别是要害的液晶电视工业,它们的制作本钱必需求大幅减低到与CCFL相等。

  在2007年5月,“用于显现照明的准光子晶体”(PQLDI)项目正式启动,而它的首要目标即是开宣布一种低本钱的出产技能。

  该项目历时两年,耗资120万英镑(约合240万美元),它是由英国科技策略委员会供给赞助的。项目成员来自格拉斯哥大学电子与电气系的团队、斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)光子研讨中心以及夏普欧洲实验室。

  准晶体的长处

  传统的光子晶体LED,例如Luminus制作的商品,现已招引了强壮的专利组合。所以,咱们避其锋锐直接致力于研讨准周期性光子晶体构造。当用作显现背光照明时,与传统光子晶体比较这种光子晶体的首要优势在于:准周期性的空泛构造排布为优化输出光散布供给了更大的自由度,这反过来简化了规划。

  构成光子晶体构造是制作这类器材的要害技能过程。现代的“深亚微米”光刻体系是一个天经地义的挑选,但并非最好的。虽然它能发作深亚微米规范的光子晶体图形,但绝大多数的LED晶片厂中都没有这种昂贵的设备。

图1.(左)感光纳米压印光刻的首要过程包含:运用通明的石英模板压制晶片上的抗蚀剂涂层,对其进行紫外光感光,以后刻蚀构成光子晶体构造。

图2.(上)用于显现照明项目的准光子晶体LED仍选用惯例的LED外延构造。

  一个本钱更低的代替办法即是电子束光刻,光子晶体器材范畴的研讨人员能负担起这笔费用,因而被广泛选用。但是,咱们有必要指出一点,它的刻写速度极慢,这意味着图形的制作本钱适当高。

  刻写只有几个平方英寸的面积就需求几十个小时,换而言之即是几千英镑的本钱——而这关于大规模商用芯片的制作是肯定不能接受的。

  因而咱们运用了纳米压印技能(nano-imprint lithography, NIL)。该技能能运用某些适宜的坚固资料制成模板,如石英或硅,在LED外延片上揉捏构成图形。如直写电子束光刻这么的高分辨率技能就能用来制作模板,由于每块模板能压印制作出很多块晶片,本钱反而低到让人接受了。在实践的制作环境中,能运用一个母板来制作若干个有用子板。

  咱们的纳米压印技能运用Obducat的设备,在必定的压力和温度下,模板上的图形被“搬运到”特别的NIL抗蚀剂上(图1)。聚合物之间的穿插联合能在几秒钟内发作,并在模板移开之前构成坚固的抗蚀层。干法刻蚀将抗蚀层的图形仿制到下面的晶片上(图2)。

  咱们首要经过电子束光刻构成硅纳米压印模板图形,然后运用干法刻蚀构成阳模。这些模板运用作用杰出,在咱们有限数量的研制样品中没有呈现磨损的状况。但是,咱们发现硅模板不能接受高的作业压力,因而石英或碳化硅模板是十分好的挑选。

  通明的石英还能用于感光纳米压印(flash NIL),辐照能穿过模板资料使全部纳米压印抗蚀剂定型,这么就不必加热模板了。以上长处促进咱们选用更先进的刻蚀技能来制作高分辨率的NIL模板,并用它来压印GaN LED晶片,使得器材发光波长达360nm。

  根据纳米压印的图形技能请求两次刻蚀,由于压印留下了一个抗蚀剂薄层,乃至向周围延伸到了本应当没有抗蚀剂的区域。这是由于在压印的触摸期间处于柔性状况的抗蚀剂资料发作了位移。幸运的是,纳米压印技能不需求抗蚀剂显影技能。因而能够在对外延层进行刻蚀之前除掉残留的抗蚀剂薄层。

  在GaN的干法刻蚀之前,一般进行一步氧等离子技能。若干种气体被混合起来运用。甲烷和氢气组合是其中的一种,但咱们与其他团队发现含氯气的混合气体能发作十分好的作用。

  咱们的干法刻蚀选用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀设备,它简直能制作笔直的外表概括。这种办法还能将刻蚀速率进步到每分钟几百纳米,这意味着在整块晶片上构成光子晶体构造只需求大概5分钟。较短的技能时间使该技能适宜大规模制作的请求。

  开发一种能用于大规模成长的技能请求咱们面对很多的应战,包含制作图形明晰的模板、确保模板的一切图形区域都与抗蚀剂杰出地触摸、避免模板与抗蚀剂粘连使其在压印和抗蚀剂定形后能轻易的脱模。软的抗蚀剂的回流构成压印后残留了一个抗蚀剂的薄层,在光子晶体LED的制作技能中有必要除掉这一薄层,以后才将图形搬运至衬底资料。

  咱们开发的技能流程具有专利权,它解决了上面的一切疑问,构成了高质量的图形并终究刻蚀到衬底资料上。经过运用电子显微镜,调查硅纳米压印模板(图3)和一个涂有抗蚀剂的晶片压印后的截面(图4),图像展示了咱们技能的精度。

  这些图像显现了明晰的光子晶体孔洞。纳米级图形的高保真仿制是纳米压印一个很杰出的特色,使其变成面向CMOS芯片制作的下一代光刻技能强有力的竞争者之一。

  为了加速实践大规模出产环境下纳米规范图形搬运技能,有必要在分步重复设备中运用纳米压印模板,在几小时内能压印不计其数的芯片。这也许并没有看上去那么艰难,由于它对准的请求比硅芯片低得多。

  咱们与其他成员一道正在讨论辊轴压印的可能性。它有潜力以高速构成十分大面积的图形,而且它比分步重复压印更简略,那是由于只需求一个旋转运动。

  该技能经过运用一个带有阳模图形的坚固辊轴在抗蚀剂涂层上压印。图形搬运可经过热压技能或感光成型技能,由于GaN外延片沉积成长在对紫外光通明的蓝宝石衬底上,紫外光可经过晶片的背面入射。

  该范畴的研讨作业仍在进行中,前期的成果显现特定办法不一样的优势。感光压印对平整的晶片外表作用更佳,而不平整的外表更适宜运用热压技能。虽然这些技能仍需求更多的研讨,咱们信任LED制作商将来会运用这些技能,很可能即是当GaN LED晶片尺度超过6英寸之时。



图3.准晶体图形避免了传统周期性构造的专利疑问,一起也为调整发射光的散布供给了更大的自由度,以习惯特定用处。



图4.经过运用含有氯气的混合气体作为技能气体,ICP技能只需5分钟就能生成高保真的光子晶体构造。


图5.边长是350祄的准光子晶体LED芯片在顶面具有十分均匀的发射光强散布。

  构成图形以后,就能够选用规范的技能过程来完结LED的制作。咱们在尺度为350×350祄的芯片上制作阵列,并参加一个特有的p型电流分散层能将电流均匀地传导至器材的全部顶面上。这是一个要害的过程,由于电流分散层需求与刻蚀的光子晶体图形在构造上能够兼容。

  咱们器材(图5)的作业电流是200mA以上,而且在器材区域内发光均匀。光强角散布与传统LED的朗伯散布不一样,如今正与咱们的背光开发团队协作以期进一步优化它。

  项目进行到最后一年,咱们将致力于优化技能、进步器材功能,并为纳米压印技能寻求新的软掩模办法。除此以外,咱们还期望寻求更多来自政府和工业界的支撑,继续从事用于干流照明的大尺度LED芯片的研讨。这些器材有其特别的艰难需求战胜,比方有用的热办理、大面积的电流分散以及从蓝光到全色光谱的高效色彩变换。


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