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CN113260815A - 用于背光显示器的颜色转换膜和背光单元 - Google Patents

用于背光显示器的颜色转换膜和背光单元 Download PDF

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CN113260815A CN201980087629.5A CN201980087629A CN113260815A CN 113260815 A CN113260815 A CN 113260815A CN 201980087629 A CN201980087629 A CN 201980087629A CN 113260815 A CN113260815 A CN 113260815A
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Abstract

一种用于背光单元的颜色转换膜包括发光二极管的阵列。该颜色转换膜包括基本上平面的基底部分，以及多个三维结构，多个三维结构从基本上平面的基底部分延伸。三维结构中的每个三维结构具有至少一个倾斜表面，该倾斜表面具有相对于基本上平面的基底部分的约55°‑75°的底角。颜色转换膜包括具有约为1.5‑1.7的折射率的材料。

Description

用于背光显示器的颜色转换膜和背光单元
相关申请的交叉引用
本申请依赖于2019年1月3日提交的标题为“COLOR CONVERSION FILM AND BACKLIGHT UNIT FOR BACKLIT DISPLAYS”的美国临时专利申请序列No.62/787,828的优先权，该申请的内容通过引用整体合并于此。
技术领域
本发明一般地涉及可以用作背光显示器的背光单元中的颜色转换层、具体地用于具有蓝色发光二极管(LED)光源的背光显示器的颜色转换膜。
背景技术
液晶显示器(LCD)正越来越多地使用背光单元架构100(在图1中示意性图示的)，该背光单元架构100通常包括各个短波长(蓝色)LED 110的阵列。如图1中所图示的，一系列膜用于扩散或漫射从蓝色LED 110发射的光，该一系列膜包括漫射器膜120、使用量子点或发光材料(phosphor material)来将蓝光中的一些蓝光转换为绿光和红光并可以是膜的形式的颜色转换层130、被配置为扩散或漫射从颜色转换层130出射的光的第二漫射器膜140以及经常是相对于彼此旋转大致90度的两个棱镜膜的两个增亮膜(BEF)150、160。在背光单元中可以有用于改善光的整体均匀度的附加的膜。
诸如图1中描绘的颜色转换层130之类的远程颜色转换层的使用使离开LED本身的蓝至白光转换材料移动至位于距LED短距离的基板。这在提高效率、提高可靠性以及亮度和颜色再现的更好均匀度方面有许多潜在的益处。颜色转换层通常被封装在其它可塑层内或其它可塑层之间。
在颜色转换层130内，大量的蓝光被吸收并在更长的波长(例如，红色波长和绿色波长)下被重新发射。更长波长的光在所有方向上发射，并且如果没有允许更长波长的光耦合出膜(即，从膜出射)的机制，则很大一部分留在层130中。因此，当前的颜色转换层可以使用层内的表面粗糙和/或散射位点以允许发射的光耦合出层。
如图2中图示的，当颜色转换层130是已知的含发光剂或量子点的膜230时，进入膜的光线并不在膜230内行进相同的距离。例如，如由箭头200表示的以诸如垂直(～90°)之类的“高”角度进入膜230的光线行进最短的距离，而如由箭头210表示的以“较低”角度进入膜230的光线行进比光线200更长的距离，如图2中所示。行进距离的这种差异产生了至少两个问题。
第一，正以较低角度(箭头210)行进通过颜色转换层130的蓝光行进较长距离通过颜色转换层130，从而导致与以较高角度(箭头200)行进的光相比，蓝光中的更多蓝光被吸收，并且因此较少的蓝光以较低角度从颜色转换层130出射，这导致颜色随角度的变化而变化。
第二，因为低角度蓝光(箭头210)相对于垂直蓝光(箭头200)优先地衰减，所以蓝光的扩散或漫射减少。这导致蓝光的较差的均匀度，这使背光单元100中的较厚的膜堆叠成为必要以进行补偿。
期望的是具有没有对入射光的角度依赖性并且可以为以不同角度进入颜色转换层的光提供类似吸收的颜色转换层。
发明内容
根据本发明的实施例，提供有一种用于包括发光二极管的阵列的背光单元的颜色转换膜。该颜色转换膜包括基本上平面的基底部分，以及从基本上平面的基底部分延伸的多个三维结构。多个三维结构中的每个三维结构具有至少一个倾斜表面，该倾斜表面具有相对于基本上平面的基底部分的约55°-75°的底角。颜色转换膜包括具有约为1.5-1.7的折射率的材料。
在实施例中，基本上平面的基底部分具有高达约15μm的厚度。
在实施例中，颜色转换膜的材料包括发光材料。在实施例中，材料包括量子点。
在实施例中，多个三维结构中的每个三维结构具有从包括角锥体和圆锥体的组中选择的形状。
根据本发明的一方面，提供有一种背光单元，该背光单元包括：蓝色发光二极管的阵列，被构造和布置为漫射从发光二极管的阵列发射的光的第一基板，以及颜色转换层。颜色转换层包括基底部分，该基底部分具有与第一基板接触的第一侧和与第一侧相对的第二侧。颜色转换层包括从基底部分的第二侧延伸的多个三维结构。三维结构中的每个三维结构具有带有约为55°-75°的底角的至少一个倾斜表面。颜色转换层具有约1.5-1.7的折射率。背光单元还包括与多个三维结构接触的第二基板。第二基板具有比颜色转换层的折射率小约0.05至约0.3的折射率。
在实施例中，基底部分具有高达约15μm的厚度。
在实施例中，颜色转换层具有1.6的折射率，并且第二基板具有1.5的折射率。在实施例中，底角约为70°。
在实施例中，颜色转换层具有1.7的折射率，并且第二基板具有1.5的折射率。在实施例中，底角约为60°。
在实施例中，颜色转换层的折射率与第二基板的折射率之间的差为0.1，并且底角约为70°。
在实施例中，颜色转换层的折射率与第二基板的折射率之间的差为0.2，并且底角约为60°。
在实施例中，颜色转换层包括发光材料。在实施例中，颜色转换层包括量子点。
本发明的这些和其它方面、特征和特性以及操作的方法和结构的相关元件与部件的组合的功能和制造的经济，将在参考附图考虑以下描述和所附权利要求时变得更加清楚，所有这些都形成本说明书的部分。然而，要明确理解的是，附图仅仅是出于例示和描述的目的，而不旨在作为对本发明的限制的定义。如说明书和权利要求中所使用的，单数形式“一(a/an)”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。
附图说明
下图的部件被图示为强调本公开的一般原理，并且不必要是按比例绘制的，尽管图中的至少一幅图可以是按比例绘制的。为了一致性和清楚性的缘故，指示对应部件的参考标记在必要时在全部图中被重复。
图1是用于LCD显示器的背光单元的示意性图示；
图2是图1的背光单元的一部分的示意性图示；
图3是根据本发明的实施例的背光单元的一部分的示意性图示；以及
图4是图3中图示的背光单元的颜色转换层的一部分的示意性图示。
具体实施方式
图3示意性地图示了根据本发明的实施例的背光单元300的一部分。背光单元300的图示部分包括颜色转换层330，该颜色转换层330包括基本上平面的基底部分332以及多个三维结构334，基本上平面的基底部分332具有与漫射器膜120接触的第一侧，多个三维结构334从基本上平面的基底部分332的与第一侧相对的第二侧延伸。颜色转换层330可以包括诸如发光剂或量子点之类的通常用于来自LED光源的蓝光的颜色转换的材料，或者颜色转换层330可以包括可以执行与发光剂和量子点相同功能的某种其它材料。在实施例中，颜色转换层330包括发光颗粒，这些发光颗粒具有约4μm-25μm的范围内的等效直径。
如也在图3中图示的，基板340接触颜色转换层330的三维结构334。基板340包括基底部分342以及多个三维结构344，基底部分342位于颜色转换层330的三维结构334的峰上方，多个三维结构344从基底部分342延伸并填充在颜色转换层330的三维结构334之间的空隙中，使得颜色转换层330的三维结构334被基板340封装。
图4是彼此相邻的三维结构334中的三个三维结构334的放大视图。如所图示的，多个三维结构334中的每个三维结构334具有相对于基本上平面的基底部分332在角度θ的至少一个倾斜表面。在实施例中，三维结构334可以是四面角锥体、三面角锥体(三角锥)或圆锥体的形式。在实施例中，三维结构的峰可以被截断、圆化，或者具有形状上的其它微小的变化。所图示的实施例不旨在是以任何方式限制性的。
期望的是，三维结构334的基底覆盖基底部分332的大部分(如果不是全部)，即，三维结构334紧密地铺在一起。在实施例中，三维结构334的基底的宽度可以在约30μm至约75μm的范围内。三维结构334的侧壁的斜率通常应该具有相对高的角度，如由图4中的角度θ所表示的。如下面进一步详细讨论的，已经发现，颜色转换层330与诸如图3中的基板340之类的周围材料之间的折射率差越低，角度θ越大。
例如，如果颜色转换层330包含发光材料并且具有1.6的折射率(n)，并且与三维结构334的陡峭侧接触的材料具有1.5的折射率(n)，那么由角度θ表示的结构334的侧面相对于基底部分332的斜率应该为～70度。这允许由箭头200表示的几乎垂直(～90度)的光线由全内反射(TIR)引导，而由箭头210表示的低角度光线将不被引导，这具有使多类光线200、210中的每类光线在从颜色转换层330出射之前在颜色转换材料中行进的距离均衡的可能性，如图4中分别由箭头400和410表示的光线。通过以使得光线具有从颜色转换层330出射的相似路径长度的方式引导以不同角度到来的光线200、210，预期光线200、210将被颜色转换层330吸收达相似的程度，并且将改善从颜色转换层330出射的光的均匀度。
使具有不同入射角的蓝光的相对吸收均衡的三维结构334的设计依赖于相邻层中各种材料的折射率，并且还依赖于包括发光材料或量子点的基底部分332的厚度，在一些实施例中，其可以是可选的。如本领域的普通技术人员理解的，颜色转换层330的基底部分332的厚度部分地依赖于用于颜色转换层330的材料中的发光颗粒或量子点的尺寸和浓度，例如，较低浓度的颜色改变材料将需要较大的结构以补偿。
模型化性能
颜色转换层330的各种结构被模型化，以预测颜色转换层330的关于以不同角度进入颜色转换层330的蓝光的吸收性质，这些不同角度被分组为85°-90°、80°-90°、65°-70°、50°-55°和42.5°-47.5°。吸收值1.0意味着光预期被颜色转换层330完全吸收，而吸收值0.0意味着光预期完全不被颜色转换层330吸收。使用具有折射率为n＝1.6和n＝1.7的发光材料的两种不同的嵌入式发光结构和n＝1.5的周围材料，以及厚度为5μm和15μm的两种不同的基底部分332。还跨各种入射光线角度对没有三维结构的对照进行模型化。在下表I-IV中列出了模型化的结果。
对于第一组数据，颜色转换层330的基底部分332的厚度被设置为5μm，颜色转换层330中的发光材料的折射率被设置为1.7，并且三维结构334上方的层340中的包层材料被设置为1.5，使得折射率之间的差(Δ)为0.2。三维结构334呈四面角锥体(“金字塔”)、三面角锥体(“三角锥”)和圆锥体的形状。输入在45°、60°和70°的底锥角θ。在表I中列出了示出三维结构334的形状以及三维结构334的底锥角θ的影响的结果。
表I：通过具有5μm的基底部分和0.2的折射率Δ的颜色转换层的蓝光线的预测吸收
Figure BDA0003144604040000061
表I中列出的模型化结果示出了入射光线的角度对通过颜色转换层330的吸收的影响。对于没有三维结构的颜色转换层，在较低的入射角(即，接近垂直)处有更多的吸收。结果还表明，具有角锥体或圆锥体的形状且底锥角θ为～60°的三维结构334的颜色转换层330被预测为使入射蓝光的高角度光线和低角度光线的相对吸收均衡达期望的水平。换句话说，角锥体或圆锥体形状且底锥角θ为～60°的结构应该具有入射蓝光的跨入射角的最一致的吸收，这是所期望的。
对于下一组数据，颜色转换层330的基底部分332的厚度增大至15μm。颜色转换层330中的材料的折射率保持在1.7，并且三维结构334上方的层340中的包层材料保持在1.5(Δ＝0.2)。在表II中列出了示出三维结构334的形状以及三维结构334的底锥角θ的影响的结果。
表II：通过具有15μm的基底部分和0.2的折射率Δ的颜色转换层的蓝光线的预测吸收
Figure BDA0003144604040000071
表II中列出的模型化结果表明，具有角锥体或圆锥体的形状且底锥角θ为～60°的，以及具有底角θ为～70°的三角锥的三维结构334的颜色转换层330被预测为使入射蓝光的高角度光线和低角度光线的相对吸收均衡达期望的水平。
对于下一组数据，颜色转换层330的基底部分332的厚度被设置为5μm，颜色转换层330中的材料的折射率被减小至1.6，并且三维结构334上方的层340中的包层材料保持在1.5，使得折射率之间的差(Δ)为0.1。在表III中列出了示出结构的形状以及三维结构334的底锥角θ的影响的结果。
表III：通过具有5μm的基底部分和0.1的折射率Δ的颜色转换层的蓝光线的预测吸收
Figure BDA0003144604040000081
表III中列出的模型化结果表明，具有角锥体或圆锥体的形状且底锥角θ为～70°的三维结构334的颜色转换层330被预测为使入射蓝光的高角度光线和低角度光线的相对吸收均衡达期望的水平。
对于下一组数据，颜色转换层330的基底部分332的厚度增大回到15μm，颜色转换层330中的材料的折射率保持在1.6，并且三维结构334上方的层340中的包层材料保持在1.5(Δ＝0.1)。在表IV中列出了示出三维结构334的形状以及三维结构334的底锥角θ的影响的结果。
表IV：通过具有15μm的基底部分和0.1的折射率Δ的颜色转换层的蓝光线的预测吸收
Figure BDA0003144604040000082
Figure BDA0003144604040000091
表IV中列出的模型化结果表明，具有角锥体或圆锥体的形状且底锥角θ为～70°的三维结构334的颜色转换层330被预测为使入射蓝光的高角度光线和低角度光线的相对吸收均衡达期望的水平。
对所有模型化结果的回顾表明，随着颜色转换层330和与三维结构334直接接触的层的折射率之间的差增大，三维结构334的最佳底角θ应该减小，以实现入射蓝光的高角度光线和低角度光线的相对吸收的期望的均衡。另外，如所预期的，增大颜色转换层330的基底部分332的厚度通常增加了蓝光的吸收。通过调整基底部分332的相对厚度、三维结构334的形状以及颜色转换层330的颜色转换材料的折射率和与三维结构334接触的层340中的材料的折射率，使低角度光线和高角度光线的吸收均衡是可能的，或者在一些情况下，使低角度光或垂直光实际上具有较高的吸收是可能的。
可以使用本领域中已知的许多技术来产生根据本文描述的实施例的颜色转换层330的三维结构334。例如，在实施例中，可以使用合适的母模和热固化聚合物或紫外(UV)光固化聚合物将三维结构334的形状铸造在基板上，或者可以通过压缩成型或其它成型将形状压入热塑性基板中，或者可以使用挤压-压印或注射成型与基板同时产生形状。可以通过复制母版来产生三维结构334。例如，光学漫射器可以通过复制包含期望形状的母版来制成，如转让给本发明的受让人的以下专利所描述的：授予Rinehart等人的标题为“SystemsAnd Methods for Fabricating Optical Microstructures Using a CylindricalPlatform and a Rastered Radiation Beam”的美国专利No.7,190,387B2；授予Freese等人的标题为“Methods for Mastering Microstructures Through a Substrate UsingNegative Photoresist”的美国专利No.7,867,695B2；和/或授予Wood等人的标题为“Methods for Fabricating Microstructures by Imaging a Radiation SensitiveLayer Sandwiched Between Outer Layers”的美国专利No.7,192,692B2，这些专利中的全部专利的公开内容通过引用整体并入本文，如同本文中完全地阐述一样。母版本身可以使用这些专利中描述的激光扫描技术来制造，并且也可以使用这些专利中描述的复制技术复制以提供漫射器。
在实施例中，第二基板340可以具有按以上关于三维结构334所描述的相同方式形成的该第二基板340的三维结构344。然后，要用于颜色转换层330的一种(多种)期望的材料可以被施加到第二基板340的三维结构344，并填充三维结构344之间的空隙，使得颜色转换层330被形成有在三维结构344之间的三维结构334。
本发明的实施例通过产生通过颜色转换层的相似路径长度以及作为结果的相似的吸收，减轻了由以不同角度进入颜色转换层的光引起的以上指出的问题。为了实现高角度光和低角度光的相似路径长度，颜色转换层包括含例如发光剂或量子点的三维结构，该三维结构引导入射的低角度光和垂直光并具有相对于周围材料的更高的折射率。三维结构中的每个三维结构期望地具有面对蓝光源的宽的基底，并且然后锥形背离蓝光源延伸，使得三维结构具有随着光远离光源行进而减小的截面。
本文描述的实施例表示许多可能的实现方式和示例，并且不旨在必须将本公开限于任何具体实施例。而是，可以对这些实施例进行各种修改，并且本文描述的各种实施例的不同组合即使没有被明确描述也可以被用作本发明的一部分，如本领域的普通技术人员将理解的。任何这样的修改旨在被包括在本公开的精神和范围内并受以下权利要求的保护。

Claims (16)

1.一种用于包括发光二极管的阵列的背光单元的颜色转换膜，所述颜色转换膜包括：
基本上平面的基底部分；以及
多个三维结构，所述多个三维结构从所述基本上平面的基底部分延伸，所述多个三维结构中的每个三维结构具有至少一个倾斜表面，其中所述倾斜表面具有相对于所述基本上平面的基底部分的约55°-75°的底角，
所述颜色转换膜包括具有约为1.5-1.7的折射率的材料。
2.根据权利要求1所述的颜色转换膜，其中，所述基本上平面的基底部分具有高达约15μm的厚度。
3.根据权利要求1所述的颜色转换膜，其中，所述材料包括发光材料。
4.根据权利要求1所述的颜色转换膜，其中，所述材料包括量子点。
5.根据权利要求1所述的颜色转换膜，其中，所述多个三维结构中的每个三维结构具有从包括角锥体和圆锥体的组中选择的形状。
6.一种背光单元，包括：
蓝色发光二极管的阵列；
第一基板，所述第一基板被构造和布置为漫射从所述发光二极管的阵列发射的光；
颜色转换层，所述颜色转换层具有
基底部分，所述基底部分具有与所述第一基板接触的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，以及
多个三维结构，所述多个三维结构从所述基底部分的所述第二侧延伸，三维结构中的每个三维结构具有带有约为55°-75°的底角的至少一个倾斜表面，其中，所述颜色转换层具有约1.5-1.7的折射率；以及
第二基板，所述第二基板与所述多个三维结构接触，其中，所述第二基板具有比所述颜色转换层的折射率小约0.05至0.3的折射率。
7.根据权利要求6所述的背光单元，其中，所述颜色转换层的所述基底部分具有高达约15μm的厚度。
8.根据权利要求6所述的背光单元，其中，所述颜色转换层具有1.6的折射率，并且所述第二基板具有1.5的折射率。
9.根据权利要求8所述的背光单元，其中，所述底角约为70°。
10.根据权利要求6所述的背光单元，其中，所述颜色转换层具有1.7的折射率，并且所述第二基板具有1.5的折射率。
11.根据权利要求10所述的背光单元，其中，所述底角约为60°。
12.根据权利要求6所述的背光单元，其中，所述颜色转换层的折射率与所述第二基板的折射率之间的差为0.1，并且所述底角约为70°。
13.根据权利要求6所述的背光单元，其中，所述颜色转换层的折射率与所述第二基板的折射率之间的差为0.2，并且所述底角约为60°。
14.根据权利要求6所述的背光单元，其中，所述多个三维结构中的每个三维结构具有从包括角锥体和圆锥体的组中选择的形状。
15.根据权利要求6所述的背光单元，其中，所述颜色转换层包括发光材料。
16.根据权利要求6所述的背光单元，其中，所述颜色转换层包括量子点。
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