180°ミニCSPLEDと量子ドットフィルムを用いた超均一ホワイトバックライト

概要

量子ドット（QD）フィルム、拡散板、デュアルプリズムフィルムを統合した高均一直進型ミニチップスケールパッケージLED（ミニCSPLED）バックライトユニット（BLU）を提示する。120°、150°、180°の放射角を持つ3種類のミニCSPLEDをチップスケールパッケージ（CSP）プロセスで作製した。180°デバイスは、150°デバイスと比較して10 mAでわずか4%の電力損失があるものの、大幅に広い放射コーンを実現し、面発光の均一性を向上させ、単位面積あたりのLED個数を削減できる。青色ミニCSPLED上のQDフィルム厚（60、90、150 µm）を変化させることで、CIE色度を白色領域に変換し、BLU輝度を向上させた。150 µm QDフィルムを用いた180°ミニCSPLED BLUは86%の輝度均一性を達成し、120°および150°設計を大きく上回った。

背景

液晶ディスプレイ（LCD）は現代の映像技術を支配しているが、その性能は蛍光体ベースのバックライトによって制限されており、低効率、広スペクトル、急速な劣化、不均一性に悩まされている。YAG黄色蛍光体を駆動する青色LEDが標準的なBLU光源となったが、これらは演色性が劣る（CRI < 75）クールホワイト光を放出する。発光効率と色品質の向上は重要な研究目標である。

量子ドット（QD）は、高い光ルミネッセンス量子収率、狭い発光スペクトル、スペクトル調整可能性という優れた光学特性を備え、固体色変換材料として魅力的である。QDは太陽電池、LED、光検出器、さらには電気触媒ですでに有望視されている。ディスプレイバックライトでは、QDフィルムが従来の蛍光体に代わってCIE色域を拡大し、色再現性を向上させる。

バックライトアーキテクチャは大別してエッジライト型と直下型がある。直下型BLUはLEDをパネル直下に配置するため、特に薄型テレビ向けに優れた輝度均一性と光学効率を提供する。しかし、デバイスの薄型化が進むにつれ、パネル全体で均一な照明を実現することは依然として課題である。本研究では、放射角エンジニアリングとQDフィルム厚の最適化がBLU均一性をどう高めるかを探る。

方法

GaN LEDエピウェーハ（λ = 460 nm）は、c面サファイア基板上にMOCVD法で成長させた。構造は、2 µm厚の非ドープGaNバッファ、2 µm厚のSiドープn-GaNクラッディング、6対のInGaN/GaN MQW、25 nm厚のMgドープp-AlGaNブロッキング層、0.2 µm厚のMgドープp-GaNクラッディングで構成される。Ni/Ag/Ni/Ptコンタクトを電子ビーム蒸着で形成。フィルム転写とCSP成形技術を用い、120°、150°、180°の放射コーンを持つ3種類のミニCSPLEDを作製した。180°設計には透明なTiO₂/シリコーン樹脂ナノコンポジット側壁と上面拡散反射層を組み込んだ。

CdSe/ZnSコアシェルQD（緑 ≈ 525 nm、赤 ≈ 617 nm）をPMMAと混合し、60、90、150 µm厚のQDフィルムを形成。これらを450 nm青色ミニCSPLEDチップ上の色変換層とした。BLUは18 mm × 18 mmの3 × 3ミニLEDアレイ、拡散板、QDフィルム、2枚のプリズムフィルムで構成。チップと拡散板の光学距離は2.5 mmとした。

電気特性はKeithley 2400ソースメータと校正済みパワーメータ（CAS 140B）で測定。空間放射パターンはゴニオフォトメータ（LEDGON-100）で取得。輝度と電気発光（EL）スペクトルは分光輝度計（SRI-RL-5000）で記録。輝度均一性は5点（L1–L5）で式（1）を用いて評価した。

結果と考察

3種類のミニCSPLEDは同一のI-V特性を示し、20 mAで順方向電圧約2.72 V、200 mAで約3.12 Vであり、CSPプロセスが電気的完全性を保持することを確認した。光出力は電流に比例して増加し、200 mAで約250 mWに達した。180°デバイスは拡散反射層と広い放射角のため、わずか（約5%）の出力低下を示した。

放射パターン測定で設計通りの放射角が確認された：120°ミニCSPLED（110.6°）、150°ミニCSPLED（148.7°）、180°ミニCSPLED（180°）。180°設計は蝶形分布を示し面照明に最適であるのに対し、120°デバイスは全側壁被覆によりランバーティアンパターンを示した。

順方向電圧24 V（10 mA）で、全BLUがCIE座標（x ≈ 0.15、y ≈ 0.027）と147–153 mWの青色出力を達成。QDフィルム厚を増すにつれ色度が白色領域へシフトし、輝度が比例して向上：60 µm → 90 µm → 150 µm。150 µm QDフィルムを用いた180° BLUが最高輝度と最も均一な配光を示し、拡散板画像のストライプパターン低減で裏付けられた。

5点測定による輝度均一性は、150 µm QDフィルムの180° BLUで86%に達し、120°と150°設計の35%および39%と比較してそれぞれ1.47倍、1.19倍の改善となった。

LCDパネルを追加すると、全BLUのCIE座標がさらに白色領域へシフトし、QD変換バックライトが高色精度ディスプレイを効果的にサポートできることが実証された。

結論

180°ミニCSPLEDと150 µm QDフィルムを組み合わせることで、86%の輝度均一性を持つ超均一面発光ホワイトバックライトを実現し、超薄型ディスプレイモジュールに適している。CSP技術はLEDチップを保護し、放射角を拡大、LED密度を低減し、次世代高性能ディスプレイへの道を開く。

略語

BLU

バックライトユニット

CCFL

冷陰極蛍光灯

CdSe

セレン化カドミウム

GaN

窒化ガリウム

LCD

液晶ディスプレイ

mini-CSPLED

ミニチップスケールパッケージ発光ダイオード

OLED

有機発光ダイオード

PLED

高分子発光ダイオード

QDs

量子ドット

YAG

イットリウムアルミニウムガーネット