УЗЕЛ ЗАДНЕЙ ПОДСВЕТКИ С ТОНКИМИ КРОМКАМИ СО СВЕТОДИОДАМИ, ОПТИЧЕСКИ СВЯЗАННЫМИ С ЗАДНЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
THIN EDGE BACKLIGHT ASSEMBLY WITH LEDS OPTICALLY CONNECTED TO BACK SURFACE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к светоизлучающим диодам и, в частности, к использованию светодиодов совместно с задней подсветкой.
Предшествующий уровень техники
Жидкокристаллические дисплеи обычно используют в портативных компьютерах, настольных компьютерах, телевизорах, а также в меньших устройствах, таких как сотовые телефоны, персональные цифровые ассистенты, портативные музыкальные плееры. Для пропускных жидкокристаллических дисплеев требуется задняя подсветка, которую обычно осуществляют освещением кромки волновода, используя источник света, такой как светодиоды.
besel
edge
edge
Узлы задней подсветки кромки, используемые в мониторах компьютеров и телевизорах, имеют минимальную высоту обрамления и толщину кромки, которая задается, по меньшей мере частично, размером источника света и толщиной волновода. На фиг.1А и 1В показаны для примера вид сверху и вид сбоку соответственно обычного узла 10 задней подсветки, который включает в себя подсвечиваемый с кромки волновод 12, освещаемый множеством светодиодных источников 14 света, которые показаны на фиг.1В как включающие в себя светодиод 16 и отражатель 18. Как можно видеть, высота H обрамления определяется высотой светодиодных источников 14 света, а толщина T кромки 12 волновода определяется шириной светодиодных источников 14 света. Исходя из эстетических и конструктивных целей, желательно минимизировать высоту обрамления и толщину кромки.
Сущность изобретения
Узел задней подсветки включает в себя волновод с множеством светодиодов, расположенных в полостях в задней поверхности волновода, чтобы служить в качестве источника света. Светодиоды могут быть низкопрофильными светодиодами бокового излучения и могут создавать белый свет, например, вследствие преобразования длины волны или синий свет при наличии преобразующего длину волны элемента, установленного на волноводе. Задняя поверхность волновода может быть суженной от местонахождения светодиодов к боковым кромкам, так что боковые кромки будут тоньше, чем центральная область волновода, что создаст впечатление тонкого волновода. Кроме того, поскольку светодиоды расположены на задней поверхности волновода, в противоположность расположению вдоль боковых кромок, обрамление можно исключить или, по меньшей мере, минимизировать его высоту, например, до 1 мм или меньше.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
Фиг.1А и 1В изображают вид сверху и вид сбоку соответственно обычного узла задней подсветки с волноводом, который освещается с кромки множеством светодиодов;
Фиг.2А и 2В изображает вид сверху и вид сбоку соответственно узла задней подсветки, включающего в себя волновод со светодиодами, распределенными по задней поверхности волновода;
Фиг.3А, 3В, 3С, 3D и 3Е изображают виды в поперечных сечениях участка узла задней подсветки с расположенным выше жидкокристаллическим дисплеем и светодиодом, установленным в полость в задней поверхности узла задней подсветки;
Фиг.4 изображает вид в поперечном сечении одного варианта осуществления низкопрофильного светодиода бокового излучения, который может использоваться совместно с узлом задней подсветки;
Фиг.5А и 5В изображают виды сверху различных конфигураций коллимирующих линз, которые могут использоваться совместно с узлом задней подсветки;
Фиг.6 изображает вид сверху светодиода с участком коллимирующей линзы;
Фиг.7 изображает светодиод с отлитой поверх компонента линзой, образованной на литой выводной рамке;
Фиг.8 изображает вид узла задней подсветки, включающего в себя волновод со светодиодами, распределенными по задней поверхности волновода, с преобразующим длину волны элементом, установленным на передней поверхности волновода;
Фиг.9А и 9В изображают другой вариант осуществления волновода.
Подробное описание
edge
back
front
edge
На фиг.2А и 2В показаны вид сверху и вид сбоку соответственно узла 100 задней подсветки 100, включающего в себя волновод 102 с низкопрофильными светодиодами 110 бокового излучения, распределенными по задней поверхности волновода 102. При использовании светодиодов 110, распределенных по задней поверхности волновода 102, высота обрамления минимизируется. Например, обрамление можно полностью исключить, когда светодиоды 110 не находятся на кромке 102 волновода 102, но для защиты дисплея, включающего в себя волновод 102 и расположенный выше жидкокристаллический дисплей (не показан на фиг.2А и 2В), можно использовать обрамление 103 с небольшой высотой Н, например 1 мм, как показано пунктирными линиями на фиг.2В. Кроме того, как показано на фиг.2В, задняя поверхность 102 волновода 102 может быть скошена к передней поверхности 102 для минимизации толщины кромки 102 волновода 102. Должно быть понятно, что вместо светодиодов 110 бокового излучения можно использовать излучающие вверх светодиоды совместно с прикрепленными или внешними, направляющими в стороны оптическими элементами.
edge
edge
back
center
edge
edge
center
edge
Светодиоды 110 можно располагать в волноводе 102 рядами (в столбцах) или с образованием прямоугольника, как показано на фиг.2А. Светодиоды 110 располагают в центральной области волновода, которая находится между боковыми кромками 102. Например, расстояние между светодиодами 110 и ближайшей кромкой 102 вдоль ширины волновода 102 может составлять приблизительно от 25% до 33% ширины от кромки до кромки. Как вариант, светодиоды 110 можно располагать в пределах задней поверхности волновода 102 в шахматном порядке или иным способом распределять в пространстве. Для исключения горячих точек в задней подсветке излучение относительно небольших светодиодов можно перекрывать или подавлять в достаточной степени. Кроме того, в случае более значительной высоты смешения в узле задней подсветки свет необходимо смешивать к моменту падения на рассеиватель или находящуюся на расстоянии люминофорную пластину или выхода из узла задней подсветки. Рассеивающие пленки, пленки с повышенной яркостью и находящийся на расстоянии, преобразующий длину волны материал, такой как люминофорные пленки, могут создавать дополнительные циркуляцию и смешение света, которые будут повышать равномерность. Если этого недостаточно, для поддержания оптимального равномерного распределения света по жидкокристаллическому дисплею можно использовать рельефный рассеиватель. В случае расположения светодиодов 110 в центральной области и при скошенной задней поверхности 102 центральная область имеет толщину T, тогда как кромки имеют меньшую толщину T. В одном варианте осуществления толщина T кромки меньше, чем половина толщины T центральной области, а в другом осуществлении толщина T кромки может быть нулевой или приблизительно нулевой с учетом производственных ограничений.
back
edge
edge
На фиг.3А показано сечение участка узла 100 задней подсветки совместно с вышележащим жидкокристаллическим дисплеем 101, при этом сечение сделано по светодиоду 110. На фиг.3А светодиод 110 бокового излучения установлен на опоре 112 и печатной плате 114 и включает в себя отлитую поверх компонента линзу 116. Светодиод 110 вместе с отлитой поверх компонента линзой 116 введен в полость 104 в твердотельном прозрачном волноводе 102. Для согласования с допусками на точность позиционирования между линзой 116 и стенками полости 104 может быть небольшой воздушный промежуток, например 25 мкм. Воздушный промежуток может быть больше при некоторых вариантах осуществления светодиодов, например, в случае излучающих вверх светодиодов с направляющими в стороны оптическими элементами. Волновод 102 может быть полым резонатором, формованным из пластика (например, полиметилметакрилата) или другого подходящего материала. Зеркальная пленка 106 может покрывать заднюю поверхность 102 и кромки 102 волновода 102 (показанные на фигурах 2А и 2В). Пленка 106 может быть улучшенной зеркальной отражательной пленкой от 3M Corporation или внешней диффузной белой рассеивающей пластиной. Дополнительно, зеркальная пленка 106 или внешняя белая пластина покрывает кромки 102. Вместо использования отражающей пленки волновод 102 можно закреплять на носителе с отражающими боковыми стенками.
back
front
Задняя поверхность 102 волновода 102 может иметь большое количество небольших ямок 108 для рассеяния света по направлению вверх к задней поверхности жидкокристаллического дисплея 101. Жидкокристаллический дисплей 101 обычным образом избирательно управляет пикселами на экране дисплея. Ямки 108 можно создавать в процессе формования волновода 102 или можно формировать травлением, пескоструйной обработкой, печатанием или другим способом. Как вариант, выводящие элементы можно формировать печатанием белых рассеивающих точек. Ямки 108 могут иметь любую форму, например призм или случайной шероховатости. Такие элементы иногда называют выводящими элементами. В одном варианте осуществления, плотность ямок 108 вблизи светодиодов 110 (где свет от светодиодов является более ярким) меньше, чем плотность ямок 108, более отдаленных от светодиодов 110, чтобы создавалось равномерное излучение света на протяжении передней поверхности 102 волновода 102. Дополнительную информацию об узле задней подсветке и волноводе см. в заявке № 11/840130 на патент США под названием “Thin backlight using low profile side emitting LED” (Serge Bierhuizen et al.), от 16 августа 2007 года, которая полностью включена в эту заявку путем ссылки. Находящаяся на расстоянии люминофорная пленка может выполнять дополнительное смешение, если это необходимо.
На фиг.3В, 3С, 3D и 3Е показаны виды в поперечных сечениях других вариантов осуществлений узла задней подсветки и светодиодов. На фиг.3В показано использование излучающего вверх светодиода 110' совместно с верхним отражателем 116', соединенным с волноводом 102, для перенаправления излучаемого вверх света от светодиода 110' в волновод 102. Фиг.3С аналогична фиг.3В, однако полость 104' в волноводе 102' на фиг.3С представляет собой сквозное отверстие, продолжающееся от верхней поверхности до нижней поверхности. На фиг.3D показано использование отлитой поверх компонента линзы 116" для перенаправления излучаемого вверх света от светодиода 110" в волновод 102. Фиг.3Е аналогична фиг.3D, при этом полость 104' в виде сквозного отверстия продолжается от нижней поверхности до верхней поверхности.
Фиг.4 изображает вид в поперечном сечении одного варианта осуществления низкопрофильного светодиода 110 бокового излучения, который может использоваться совместно с узлом 100 задней подсветки. Светодиод 110 включает в себя полупроводниковый светоизлучающий элемент 132, преобразующий длину волны элемент 134 и отражающую пленку 136. Светодиод 110 бокового излучения установлен на опоре 112, которая установлена на печатной плате 114. Другие варианты осуществления тонких светодиодов бокового излучения, которые можно использовать в вариантах осуществления узла задней подсветки, можно найти в заявке № 11/423419 на патент США под названием “Low profile side emitting LED”, поданной 9 июня 2006 года (Oleg Shchekin et al.), переуступленной правопреемнику настоящей заявки и включенной в эту заявку путем ссылки.
n
active
p
n
p
active
В одном примере активный слой светодиода 110 генерирует синий свет. Светодиод 110 формируют на исходной ростовой подложке, такой как сапфировая, SiC или GaN. Обычно выращивают n-слой 132, за которым следует активный слой 132, за которым следует p-слой 132. Для вскрытия участка нижележащего n-слоя 132 выполняют травление p-слоя 132. Затем поверх поверхности светодиода формируют отражающие металлические электроды 140 (например, серебряные, алюминиевые или сплавные) для контакта с n- и p-слоями. Когда диод смещают в прямом направлении, активный слой 132 излучает свет, длина волны которого определяется составом активного слоя (например, AlInGaN). Формирование таких светодиодов хорошо известно и нет необходимости описывать его более подробно. Дополнительные подробности относительно формирования светодиодов описаны в патенте США № 6828596 (Steigerwald et al.) и в патенте США №6876008 (Bhat et al.), оба переуступлены правопреемнику настоящей заявки и включены в эту заявку путем ссылки.
Затем полупроводниковый излучающий элемент 132 устанавливают на опору 112 как перевернутый кристалл. Опора 112 содержит металлические электроды 142, которые посредством шариков 144 из припоя присоединяют пайкой или ультразвуковой сваркой к металлу 140. Можно также использовать соединения других видов. Шарики 144 из припоя можно исключить, если сами электроды могут быть приварены друг к другу ультразвуком.
Электроды 142 опоры электрически соединены сквозными перемычками с контактными площадками на нижней поверхности опоры 112, так что опора 112 может быть установлена на поверхность металлических контактных площадок на печатной плате 114. Для подвода электрической энергии металлические дорожки на печатной плате 114 электрически соединены с контактными площадками. Опора 112 может быть выполнена из любого подходящего материала, такого как нитрид алюминия, керамика, кремний, оксид алюминия и т.д. Если материал опоры является электропроводящим, поверх материала подложки формируют изоляционный слой, а поверх изоляционного слоя формируют структуру металлических электродов. Опора 112 действует как механическая опора, обеспечивает электрический интерфейс между хрупкими n- и p-электродами на кристалле светодиода и источником питания и обеспечивает теплоотвод. Опоры хорошо известны. Технологические операции относительно полупроводниковых слоев светодиода можно выполнять до или после установки светодиода на опору 112.
Чтобы сделать светодиод 110 очень низкопрофильным и чтобы предотвратить поглощение света ростовой подложкой, ростовую подложку удаляют, например, химико-механической полировкой или используя способ лазерного отслаивания, в котором лазер нагревает границу раздела GaN и ростовой подложки с образованием газа высокого давления, который отодвигает подложку от GaN. В одном варианте осуществления удаление ростовой подложки выполняют после установки матрицы светодиодов на опорную пластину и до разделения светодиодов/опоры на отдельные элементы (например, распиливанием).
active
После удаления ростовой подложки и придания шероховатости излучающей поверхности преобразующий длину волны элемент 134, такой как планарный люминофорный слой 134, располагают на верхней поверхности светодиода для преобразования длины волны синего света, излучаемого из активного слоя 132. Как вариант, элемент 134 может быть прозрачным элементом, например стеклянным, который можно располагать на верхней поверхности светодиода в случае, когда необходим излучатель бокового синего света. Люминофорный слой 134 можно заранее формировать в виде керамического листа и прикреплять к слоям светодиода, или частицы люминофора можно осаждать с образованием тонкой пленки, например, электрофорезом. Люминофорный керамический лист может представлять собой спеченные частицы люминофора или частицы люминофора в прозрачном или полупрозрачном связующем веществе, которое может быть органическим или неорганическим. Свет, излучаемый люминофорным слоем 134, при смешении с синим светом создает белый или другой желаемый цвет. Люминофор может быть люминофором на основе алюмоиттриевого граната (YAG), который создает желтый свет (желтый+синий=белый), или может быть составом из красного люминофора и зеленого люминофора (красный+зеленый+синий=белый).
В случае YAG-люминофора (то есть Се:YAG) цветовая температура белого света в значительной степени зависит от примеси Се в люминофоре, а также от толщины люминофорного слоя 134.
2
Затем поверх прозрачного или люминофорного слоя 134 формируют отражающую пленку 136. Отражающая пленка 136 является по существу параллельной верхней поверхности полупроводникового светоизлучающего элемента 132. Отражающая пленка 136 может быть зеркальной или рассеивающей. Зеркальный отражатель может быть распределенным брэгговским отражателем, образованным из органических или неорганических слоев. Зеркальный отражатель также может быть слоем алюминия или другого отражающего металла, или сочетанием распределенного брэгговского отражателя и металла. Рассеивающий отражатель может быть сформирован из металла, осаждаемого на шероховатую поверхность, или рассеивающего материала, такого как подходящая белая краска или золь-гель раствор с TiO в, например, силиконе, золь-геле или материале SILRES (гидрофобизаторе на основе силиконовой смолы). Люминофорный слой 134 также способствует рассеянию света, что повышает эффективность вывода света. В другом варианте осуществления отражатель 136 отнесен на расстояние от светодиода, например отражатель, поддерживаемый волноводом 102 в полости 104 над активным слоем, результатом чего является светодиод, все еще являющийся светодиодом бокового излучения, поскольку небольшое количество (например до 10%) прямого света выходит в узел задней подсветки над светодиодом. В дополнение, синие светодиоды можно использовать в комбинации со слоем люминофора отдаленным на другое место в узле задней подсветки.
active
Большая часть света, излучаемого активным слоем 132, излучается прямо через боковые поверхности светодиода или излучается через боковые поверхности после одного или более внутренних отражений. Если верхний отражатель 136 является очень тонким, некоторая часть света может просачиваться сквозь верхний отражатель 136.
В одном осуществлении опора 112 имеет толщину около 380 мкм, полупроводниковые слои имеют общую толщину около 5 мкм, люминофорный слой 134 имеет толщину около 200 мкм и отражающая пленка 136 имеет толщину около 150 мкм, так что толщина светодиода с опорой составляет меньше 1 мм. Конечно, светодиод 110 можно сделать более толстым. Длина каждой боковой поверхности светодиода обычно составляет меньше 1 мм, например длина боковой поверхности может быть 0,6 мм, однако можно использовать длину боковой поверхности 1,0 мм, например, в случае применений, требующих более высокой мощности. Более значительные высоты можно использовать в случае другой конфигурации бокового излучения, такой как отлитая поверх оптика на верхних излучателях или внешние оптические компоненты для перенаправления в стороны.
Отлитая поверх линза 116, показанная на фиг.3А, представляет собой коллимирующую оптику, связанную со светодиодом 110, которая в горизонтальной плоскости сводит в параллельный пучок излучаемый в стороны свет. Линза 116 может иметь другие конфигурации, показанные на фигурах 5А и 5В, на которых представлены виды сверху линзы 116 квадратной и круговой конфигурации совместно со светодиодом 110. При желании различные конфигурации линзы 116 можно использовать на разных местах внутри узла 100 задней подсветки. Как можно видеть, линза 116 связана с каждой светоизлучающей боковой поверхностью светодиода 110 и поэтому в настоящем варианте осуществления, где светодиод 110 имеет четыре светоизлучающие боковые поверхности, линза 116 включает в себя четыре входные поверхности, каждая из которых связана с одной боковой поверхностью. При желании отдельные индивидуальные линзы могут быть объединены с образованием единственной линзы 116. Кроме того, совместно с излучающими вверх светодиодами можно использовать линзы разных конфигураций.
На фиг.6 показан вид сверху светодиода 110 с участком линзы 116, где входная поверхность линзы 116 имеет вертикально ориентированные наклонные стенки 117, которые могут также использоваться для улучшения углового смешения света внутри линзы 116. Благодаря изменяющимся углам стенок 117 входной поверхности линза 116 преломляет свет, излучаемый светодиодом 110, под различными углами, так что свет рассеивается более равномерно. Поскольку свет является коллимированным в горизонтальной плоскости, нет необходимости создавать горизонтально ориентированные наклонные стенки. Хотя на фиг.6 показаны стенки 117 с зубчатой конфигурацией, можно использовать другие конфигурации, например округлые или волнообразные формы. Кроме того, форму боковых стенок можно изменять на основании распределения выводящих элементов, образуемых на нижней поверхности волновода, чтобы получать наиболее равномерный профиль яркости при выходе света из задней подсветки.
Линзу 116 можно создавать литьем поверх и в одном варианте осуществления литую выводную рамку используют для образования нижней поверхности линзы 116. На фиг.7 показан светодиод 110 с отлитой поверх линзой 116, образованной на литой выводной рамке 150. Сформованная выводная рамка 150 может быть образована из структурированного электропроводящего материала с использованием пластика или другого подходящего материала, отливаемого под давлением вокруг электропроводящего материала. Заливаемый под давлением материал заливается для образования нижней поверхности линзы 116, и она может быть покрыта отражающим слоем 152, например, алюминия или серебра. Затем светодиод 110 может быть установлен на выводную рамку 150 и силикон или другой подходящий материал осажден и спрессован для образования линзы 116. После этого отражающий слой 154, например алюминия или серебра, может быть осажден на верхнюю поверхность линзы 116. Отражающее покрытие не является необходимым или не используется, если конструкция линзы 116 основана на полном внутреннем отражении внутри материала линзы. В одном варианте осуществления может использоваться процесс двухслойного литья, при котором первый материал (показанный пунктирными линиями 156) с первым показателем преломления, например 1,6, осаждают и прессуют. Затем дополнительный материал с другим показателем преломления, например 1,3, осаждают и прессуют, чтобы сформировать остальную часть линзы 116. Для примера, первый материал и второй материал могут быть силиконом с различными показателями преломления. Для получения углового смешения света показатели преломления можно выбирать так, чтобы на скачке показателя происходило заданное преломление. Кроме того, для содействия получению заданного углового смешения света элементы, такие как элементы, показанные на фиг.6, можно отливать из первого силиконового материала 156.
Низкопрофильные светодиоды бокового излучения с отлитыми поверх компонентов линзами описаны в заявке № 11/840129 на патент США под названием “Optical element coupled to low profile side emitting LED” (Serge J. Bierhuizen), поданной 16 августа 2007 года, которая находится в общем владении с настоящим раскрытием и которая полностью включена в эту заявку путем ссылки.
front
При желании, как показано на фиг.8, преобразующий длину волны элемент 160 может быть расположен на передней поверхности 102 волновода. В таком варианте осуществления светодиод 110', который может быть верхним излучателем или боковым излучателем, не включает в себя преобразующего длину волны элемента, а вместо этого создает синий свет, который преобразуется преобразующим длину волны элементом 160, когда свет выходит из волновода 102.
На фиг.9А и 9В показаны вид сверху и вид сбоку другого варианта осуществления волновода 200. Как показано на фиг.9А, два тонких волновода 202 и 204 использованы совместно со светодиодами 110 (фиг.9В) и зеркалами 206, 208 вдоль одной кромки 203 и 205 соответственно. Как показано, например, на фиг.3А, 3В или 3С, светодиоды 110 распределены позади задней подсветки и не продолжаются в область обрамления, например, между волноводами 202 и 204. Кромки 203 и 205 волноводов 202 и 204 расположены с прилеганием друг к другу. Как показано на фиг.9В, чтобы получить экран 210 жидкокристаллического дисплея с небольшим обрамлением или без него, двум волноводам 202 и 204 придана V-образная форма, так что прилегающие кромки 203 и 205 находятся дальше от экрана 210 жидкокристаллического дисплея, чем наружные кромки 207 и 209.
Хотя для наглядности настоящее изобретение пояснено применительно к конкретным осуществлениям, настоящее изобретение не ограничено ими. Различные варианты и модификации могут быть сделаны без отступления от объема притязаний изобретения. Поэтому сущность и объем прилагаемой формулы изобретения не должны быть ограничены приведенным выше описанием.