CN107833527A - 具有印刷的光改变结构的发光显示器 - Google Patents

Abstract

提供一种具有印刷的光改变结构的多色发光显示器。一种制造方法提供发光基板，所述发光基板具有形成在其顶表面的多个井和位居于所述多个井中的多个发光元件。所述方法印刷光改变结构覆盖发光元件。光改变材料的一些例子包括光散射材料、荧光材料和量子点。在一个方面，发光基板的井具有第一形状、侧壁和第一周边。类似地，发光元件具有第一形状、侧面、小于第一周边的第二周边。光改变结构采用光改变材料填充发光元件的侧面和井的侧壁之间的空间。如果第一形状是圆形，则所述方法印刷圆形的光改变结构覆盖在发光元件上，所述圆形具有由井的侧壁限定的第一直径。

Description

具有印刷的光改变结构的发光显示器

技术领域

本发明通常涉及发光显示器，更具体地，涉及一种在通过将微型发光元件设置于基板井中而制成的发光显示器上，印刷光改变结构的系统和方法。

背景技术

红-绿-蓝(RGB)显示器可以使用微型发光元件例如微型发光二极管(μLED)制成。这样的显示器可以用在电视、计算机监视器或手持设备中。微型发光元件可以具有小于100微米的直径或横截面。发光元件以某种方式对位到像素阵列中。发光元件布置后的常规处理和集成步骤包括金属化处理以将发光元件与控制线的矩阵进行连接。

如果显示器使用流体制造工艺制造，则发光(光产生)基板可以形成有井的阵列以捕获发光元件。通常，发光基板由透明材料制成，如玻璃。尽管直接发光基板可以由由红色LEDs、绿色LEDs和蓝色LEDs形成的像素组成，更典型地，仅使用一种或两种类型的LEDs(即两种颜色)，并且第三种(或任何附加颜色)通过在一些LEDs上形成诸如荧光材料之类的颜色改变材料以转换颜色来产生。此外，即使没有覆盖颜色改变剂的LEDs也通常需要光散射层来随机分配光的分布。通常，这些光和颜色改变层必须在与发光基板连接的一个独立的基底中形成，这增加了整个制造过程的复杂性和费用。

如果为避免使用单独的颜色改变基板而在发光基板的表面上直接形成光和颜色改变结构将是有利的。

颜色和光改变结构可以直接印刷在发光基板顶表面上以达到期望的厚度，且不用考虑将改变材料扩展到相邻的子像素(LEDs)，将是有利的。

发明内容

本发明公开了与在直接发光显示器内，对来自单个寻址的发光元件(例如微尺寸的发光二极管(uLED)像素)产生的光进行颜色转换和散射相关的一种系统和方法。制作全色显示器的一种方法是对所有子像素使用蓝光LED，并使用颜色转换元件向下转换一部分的蓝光LED子像素为红色子像素和绿色子像素。这可以用荧光材料或量子点(quantumdots,QDs)来完成。用于高分辨率显示的子像素尺寸，表面上可以与常规荧光颗粒(氮化物荧光体)的尺寸相同或更小，因此利用量子点进行颜色转换方案是有利的。另外，QD的优点包括在越窄波长带中具有越好的转换效率和发光颜色，从而产生比常规荧光粉更宽的色域。具体地，当使用通过将发光元件排列在基板井中而制成的发光基板时，颜色转换元件被包含在流体组装的显示器的井结构内。

因此，提出了一种多色发光显示器的制造方法。提供发光基板，所述发光基板具有顶表面、形成在所述发光基板顶表面的多个井、以及位居于所述多个井中的多个发光元件。每个发光元件具有底面。注意：当发光元件位于井中时，所述底面是暴露的表面(朝“上”)。所述发光元件顶面与所述井的底表面接合。所述方法印刷光改变结构覆盖在所述发光元件的底面上。在某个方面，使用喷墨印刷。光改变材料的一些例子包括光散射材料、荧光剂和量子点(QDs)。

在一个方面，所述发光基板的井具有第一形状、侧壁和第一周边。类似地，发光元件具有第一形状、侧面、小于第一周边的第二周边。在这方面，印刷光改变结构包括采用光改变材料填充发光元件的侧面和井的侧壁之间的空间。如果所述第一形状是圆形，则所述方法将印刷圆形的光改变结构覆盖发光元件为。因此，所述光改变结构具有由井的侧壁定义的第一直径。如果光改变材料作为液体被沉积，则所述方法将液相光改变材料形状限制于下面的井的边界中，尽管所述形状可以通过液相光改变材料的表面能、发光基板的顶表面和周围气体环境的组合来被改变。如果发光元件和/或井不是圆形的，则光改变材料呈现井的形状并通过填充非圆形的井完全包围发光元件。相比之下，印刷在常规二次光颜色转换基板上的油墨，如果以某种方式未图案化，将是由表面张力所导致的圆形。

上述方法以及多色发光显示器的更多细节在下面提供。

附图说明

图1A和图1B是多色发光显示器的局部剖视图。

图2是描绘具有驱动电路的主动矩阵(AM)的发光基板的示意图。

图3是使用被动矩阵(PM)激发发光元件的发光基板的示意图。

图4是具有表面贴装发光元件的发光基板的局部剖视图。

图5A和5B分别是更具体地描绘图1的发光基板的平面图和局部横截面图。

图6A至6C是描绘钉在结构的边缘的可湿性液体的油墨体积的图表。

图7是描绘多色发光显示器制造方法的流程图。

图8A和图8B分别是液晶显示器和详细展示的颜色改变发光元件的局部剖视图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

图1A和图1B是多色发光显示器的局部剖视图。所述显示器100包括发光基板102，所述发光基板102依次包括顶表面104以及形成在发光基板顶表面上的多个井，参见图1A。图示出了井106-0,井106-1和井106-n，其可以包括红-绿-蓝(RGB)像素。可以理解的，一个像素可以包括多于三种颜色(子像素)，并且大的发光显示器可以由数百万个这样的像素构成。多个列走线和多个行导电走线的矩阵形成多个第一列/行交叉点，其中每个列/行交叉点与相应的一个井相关联。图示出了与列/行交叉点112-0、112-1和112-n(虚线)相关联的列走线108a、行走线110-0、行走线110-1、和行走线110-n。多个发光元件114位居于井106-0至井106-n。每个发光元件114具有一底面116，所述底面116是当发光元件位于井中时暴露(朝“上”)的表面。印刷的光改变结构118-0、118-1和118-n覆盖在相应的发光元件的底面116上。所述印刷的光改变材料(118-0至118-n)可以是光散射材料、荧光剂或量子点(QDs)，混合在基质粘合剂材料中。光散射材料扩散从发光元件114发出的光，而不改变颜色。光散射材料的一些例子包括高折射率的氧化钛纳米颗粒和高折射率的聚合物球。荧光剂和量子点在本领域中是众所周知的用于将从发光元件114发出的光的颜色转换成不同的颜色的一种手段。

如图1B所示，每个井具有以剖面线绘制并由井106-m表示的第一体积120。所述第一体积120由未被发光元件占据的井所界定。当被发光元件114占据时，第二体积122的材料填充每个已被占据的井，其中第二体积大于第一体积。备注：第二体积122包括光改变材料和发光元件。

图2是描绘具有驱动电路的主动矩阵(AM)的发光基板的示意图。如在本领域被清楚理解的，各个发光元件被启动(寻址)是通过使用列走线和行走线的矩阵来启动驱动电路200，相应的所述驱动电路200启动发光元件114(在此被描述为发光二极管(LEDs)。图示出了驱动电路200的一个特别简单的变化，但是许多类型在本领域中是公知的。每个驱动电路200连接相应的列/行交叉点，每个驱动电路200输出端连接到形成在对应的井的底部的电接口，从而连接发光元件。例如，驱动电路200连接到列108a和行110-0。参考电压(例如接地)网络和直流电源(Vdd)走线也是需要的。驱动电路的最终输出晶体管202通过改变直流电源(Vdd)走线和LED之间的插入可变电阻来控制对应的LED114的输出。如下面更详细地解释的，在一个方面，在发光元件的沉积之前，所有的驱动电路和支持的参考电压和直流电源走线都已形成在基板中，并且所有与发光元件的电性连接通过形成在井底表面的电接口来实现。以这种方式，不需要在发光元件沉积之后，在基板顶表面上形成金属互连层，因此允许光改变结构可直接覆盖井中的发光元件。

图3是使用被动矩阵(PM)启动发光元件的发光基板的示意图。在这方面，一系列柱走线和行走线形成被动矩阵，每个列/行交叉点的列走线和形成在与其对应的井底表面上的至少第一电接口连接。在一个方面，每个列/行交叉点的行走线和形成在与其对应的井底表面上的第二电接口连接。以这种方式，不需要在发光元件沉积之后，在基板顶表面上形成金属互连层，因此允许光改变结构可直接覆盖井中的发射光元件。主动和被动矩阵的其他细节在母案美国专利申请序列号15/410,001中有提供，此处所述专利申请作为参考文献引用。

图4是具有表面贴装发光元件的发光基板的局部剖视图。每个发光基板井(106-0至106-2)具有一底表面400，所述底表面400上形成有第一电接口402和第二电接口404，可操控地连接到相应的列/行交叉点。为了清楚起见，在所述图中未示出列走线和行走线，参见图1A。通过“可操控地连接”，是指如上所述，发光元件114经由被动或主动矩阵与列走线和行走线连接。每个发光元件114是表面贴装发光元件，其顶面408覆盖与其对应的井底表面400，第一电接触部410形成在发光元件顶面上，所述第一电接触部410与第一电接口402电性连接。形成在发光元件顶面408上的第二电接触部412与第二电接口404电性连接。在这方面，发光元件114包括柱416，柱416的功能在母案美国专利申请序列号15/410,001中有解释。光改变结构118-0至118-2被形成并覆盖发光元件底面116，而没有形成介于中间的发光元件金属互连层覆盖在基板顶表面104上。在一个方面如图所示，电绝缘的钝化层414覆盖在发光基板顶表面104和光改变结构118-0至118-2上。

图5A和5B分别是更具体地描绘图1的发光基板的平面图和局部横截面图。井106-0至井106-2中的每一个具有第一形状，其具有侧壁500和第一周边502。在这些图中，第一形状呈现为圆形，但是形状不一定如此限制，并且可以是其他形状，例如椭圆或矩形。每个发光元件114形成为具有第一形状、侧面504和第二周边506的盘，且所述第二周边506小于第一周边502。印刷的光改变结构118-0至118-2填充发光元件侧面504与井侧壁500之间的空间。结果，印刷的光改变结构118-0至118-2为具有由井的侧壁界定的第一周边502的圆形形状。也就是说，井的形状有助于限定光改变结构的形状。或者说，井侧壁500防止光改变材料扩散到基板顶表面之上，在那里它可能会与相邻的光改变结构相互干扰。

提供一个基板(如玻璃)，所述基板上形成有通过标准的光蚀刻法图案化的金属电极(或电极)。在基板上代表性地沉积有几微米厚的井层，井层的精确厚度由发光元件的厚度确定。所述井层通过光蚀刻法进行图案化。发光元件经流体地组装到井结构中并通过焊接工艺与底部电极层连接。在所述结构的一个方面，所述发光元件在其顶面上具有与底部电极层接触的两个电极。所述发光元件的底面还可以具有柱(如图4所示)，所述柱辅助发光元件定向组装到井结构中。在所述发光元件和所述井的壁之间还存在空间，因为井直径大于发光元件的直径，使得发光元件合适于放入井中。用于沉积光改变结构的一种方法是喷墨印刷油墨，所述油墨由基质材料和量子点颗粒组成。基质材料可以是任意数量的液体材料，所述液体材料在固化后可透光且形成固体。所述固化步骤可以是通过施加例如热或紫外线(UV)辐射。所述井中充满了油墨，所述井的存在有助于将油墨定义和限制在油墨旨在覆盖的子像素区域。没有井，油墨将在基板上流动达到一直径，所述直径由液体油墨、基板表面和空气界面的表面能量共同确定。井边缘的存在用于将油墨固定在适当位置，从而限制其散布。以这种方式，大于井的空体积的QD油墨的体积可以被包含在子像素区域内。所述体积结合油墨中的QD浓度一起将更多的高能量光(例如，来自氮化镓(GaN LED)的蓝光)转换成其他波长(例如，较低能量的绿色和红色波长)，产生更好的色域。

图6A至6C是描绘钉在结构的边缘的可湿性液体的油墨体积的图表。如图6A所示，在印刷之后，液相的光改变材料118填充于井106中，所述光改变材料118具有延伸至基板600顶表面的水平面606上方的表面水平面602。如图6B所示，在一些蒸发之后，光改变材料表面水平面608低于表面水平面606的水平面，其中弯月面仍然刚好与井的角接触，形成临界角604。图6C示出经进一步蒸发之后，光改变材料表面水平610相对于井侧壁形成角度612(与角度604相同)。这些图，特别是图6A示出了基板材料的表面张力和油墨粘度起到防止油墨溢出于其所沉积的井中的作用。

由于从QD光改变结构(颜色转换层)发出的光是各向同性的，所以光改变的另一方面是要解决将没有颜色转换层的发光元件(例如，蓝色LED)发射的光有效地散射，使得发光为各向同性以匹配来自红色和绿色(颜色转换)子像素的发光。形成这样的光扩散层的工艺与上一段描述的颜色转换层的工艺相同。也就是说，仅在非颜色转换(例如蓝色)子像素的井中沉积时，将光散射油墨代替QD油墨。所述油墨也是由固化后可透光并形成固体的液体材料制成。散射颗粒可以是例如由氧化钛(TiO₂)制成的高折射率的纳米颗粒，或例如高折射率的聚合物球。光在所有方向上被这些颗粒散射。所述油墨的固定作业方式与上述的相同。

图8A和图8B分别是液晶显示器和详细展示颜色改变发光元件的局部剖视图。所述显示器800包括液晶显示(LCD)面板802，所述LCD面板802包括红-绿-蓝(RGB)颜色的像素分别以大约为630纳米(nm)、530nm和450nm的波长发射光。为了简单起见，所述LCD面板802被描绘为包括LCD层804，所述LCD层804作为闸以将来自下方的发光基板的光提供给彩色滤光层806中单独寻址的彩色子像素808-0至808-n。LCD显示是被本领域广泛知晓的，并且不需要为本领域技术人员针对LCD进行详细说明。在这方面，发光基板102用作LCD面板802的背光。在一个方面，发光元件114是蓝光发光二极管(LEDs)。覆盖LED114的光改变结构118使用荧光体或QD颜色转换材料将蓝光转换成白光。具体的，使用红色和绿色转换材料的组合，或者使用黄色转换材料。

发光基板背光也可被称为局部调光背光单元(BLU)。BLU充当显示图像的低分辨率副本，以通过更好地将背光的输出与图像的要求进行匹配来增加动态范围。在上述一个方面，BLU的一个简单版本是白光颜色转换(即黄色)荧光材料的均匀涂层。更复杂的版本(图8B)可以使用印刷在LED114上的红色转换材料810层，紧接着的绿色转换材料812的涂层。在红色层上沉积绿色层有助于限制绿光在红色转换材料中的吸收。然而，在整个基板上的使用红色和绿色转换材料混合的均匀涂层也是有效的，尽管成本较高。

图7是多色发光显示器制造方法的流程图。尽管为了清楚起见，所述方法被描述为具有编号次序的多个步骤，但编号并不一定决定步骤的次序。可以理解的，这些步骤中的一些可以被跳过，同时执行，或者执行但不要求维持严格的先后次序。然而，通常，所述方法遵循所示步骤的数字顺序。所述方法从步骤700开始。

步骤702提供具有顶表面的发光基板，所述发光基板顶表面上形成有多个井，多个发光元件位居于所述多个井中。每个发光元件具有底面，参见图1A。步骤704印刷光改变结构覆盖发光元件的底面。例如，光改变结构可以采用喷墨印刷法形成，尽管其它印刷方法也是可能的。光改变材料可以是光散射材料，荧光材料或QDs。用于颜色转换的荧光材料和QDs是本领域公知的。所述光散射材料可以是例如高折射率的氧化钛纳米颗粒或高折射率的聚合物球。

在一个方面，步骤702提供具有井的发光基板，所述井具有第一形状，侧壁和第一周边。步骤702还提供具有第一形状的发光元件，所述发光元件具有侧面和小于第一周边的第二周边。然后，步骤704通过用光改变材料填充发光元件侧面和井侧壁之间的空间的方式来印刷光改变结构。如果第一形状是圆形，则步骤704将覆盖发光元件的光改变结构印刷成圆形，使得所述光改变结构具有由井侧壁限定的第一直径。

在另一方面，在步骤704中印刷光改变结构包括多个子步骤。步骤704a印刷基质材料与QDs、荧光体或光散射材料的液相混合物，及步骤704b对发光基板进行退火以固化基质材料。基质材料的一些例子包括硅、丙烯酸和环氧树脂。或者，步骤704c可以沉积覆盖井的液相的光改变材料，及步骤704d响应于下方的井的形状定义液相的光改变材料的形状。

在另一方面，步骤702提供发光基板的井具有第一体积，所述第一体积为井未被发光元件填充时所界定的，步骤704用足够的光改变材料填充每个已被占据的井以形成第二体积，其中第二体积大于第一体积并且包括光改变材料和发光元件的体积。

本发明提供具有光改变结构的多色发光显示器。具体材料，尺寸和电路布局的示例已提供来说明本发明。然而，本发明不限于这些实施例。本领域技术人员将想到本发明的其它变型和实施例。

Claims (22)

1.一种多色发光显示器，其包括：

发光基板，其包括：

顶表面；

形成在所述发光基板的所述顶表面的多个井；

多个列导电走线和多个导电行走线的矩阵，所述多个列导电走线和多个行导电走线形成多个第一列/行交叉点，其中每个列/行交叉点与相应的一个井相关联；

位居于所述多个井中的多个发光元件，每一个发光元件具有底面；以及

印刷的光改变结构，覆盖所述多个发光元件的所述底面。

2.如权利要求1所述的多色发光显示器，其特征在于：所述印刷的光改变材料选自由光散射材料、荧光材料和量子点(QDs)组成的组合。

3.如权利要求1所述的多色发光显示器，其特征在于：每个井具有第一形状、侧壁和第一周边；

其中每个发光元件形成为具有所述第一形状、侧面和第二周边的盘,所述第二周边小于所述第一周边；

其中所述印刷的光改变结构填充发光元件的侧面与井的侧壁之间的空间。

4.如权利要求3所述的多色发光显示器，其特征在于：所述第一形状为圆形。

5.如权利要求4所述的多色发光显示器，其特征在于：所述印刷的光改变结构具有圆形形状，所述第一周边由所述井的所述侧壁界定。

6.如权利要求2所述的多色发光显示器，其特征在于：所述光散射材料选自由高折射率的氧化钛纳米颗粒和高折射率的聚合物球所组成的组。

7.如权利要求1所述的多色发光显示器，其特征在于：每个发光基板的井具有底表面，所述底表面上形成有第一电接口和第二电接口，所述第一电接口和所述第二电接口可操控地连接相应的列/行交叉点；

其中每个发光元件为表面贴装发光元件，所述表面贴装发光元件具有顶面、第一电接触部和第二电接触部，所述顶面覆盖对应的井的底表面，所述第一电接触部形成在所述发光元件的所述顶面并电性连接所述第一电接口；所述第二电接触部形成在所述发光元件的所述顶面并电性连接所述第二电接口；以及

其中所述光改变结构被形成覆盖所述发光元件的所述底面，且二者中间没有发光元件金属互连层。

8.如权利要求1所述的多色发光显示器，其特征在于：每个井具有第一体积，所述第一体积为井未被所述发光元件占据时所界定；及第二体积的材料填充每个已被占据的井，其中所述第二体积大于所述第一体积并且包括所述发光元件的体积和所述光改变材料的体积。

9.如权利要求1所述的多色发光显示器，其特征在于：所述多色发光显示器进一步包括：

液晶显示(LCD)基板，其含有红-绿-蓝(RGB)颜色的像素；

其中所述发光基板为LCD背光；

其中所述发光元件为蓝光发光二极管(LEDs)；且

其中覆盖LEDs的光改变结构使用荧光材料或QD颜色转换材料将蓝光转换成白光，所述荧光材料或QD颜色转换材料为使用红色和绿色转换材料的组合，或者使用黄色转换材料。

10.一种多色发光显示器的制备方法，所述方法包括：

提供发光基板，所述发光基板包括：

顶表面，形成在所述发光基板的所述顶表面的多个井；位居于所述多个井中的多个发光元件，每一个发光元件具有底面；以及

印刷多个光改变结构覆盖于所述多个发光元件的底面。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述光改变材料选自由光散射材料、荧光材料和量子点(QDs)组成的组。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于：提供所述发光基板的井包括提供具有第一形状、侧壁和第一周边的井；

其中提供所述发光元件包括提供具有所述第一形状、侧面和第二周边的发光元件，所述第二周边小于所述第一周边；以及

其中印刷所述光改变结构包括使用光改变材料填充发光元件的侧面与井的侧壁之间的空间。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述第一形状为圆形。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：印刷所述光改变结构包括在所述圆形的形状中印刷所述光改变结构覆盖所述发光元件。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述光改变结构具有被所述井的所述侧壁所界定的第一直径。

16.如权利要求10所述的方法，其特征在于：印刷所述光改变结构包括喷墨印刷所述光改变结构。

17.如权利要求10所述的方法，其特征在于：印刷所述光改变结构包括：

印刷QDs或荧光体与基质材料的液相混合物；以及

对所述发光基板进行退火以固化所述基质材料。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：所述基质材料选自由硅、丙烯酸和环氧树脂组成的组。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于：印刷所述光改变结构包括：

沉积覆盖所述多个井的液相光改变材料；以及

响应于其下方的井的形状定义所述液相光改变材料的形状。

20.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述光散射材料选自由高折射率的氧化钛纳米颗粒和高折射率的聚合物球组成的组。

21.如权利要求10所述的方法，其特征在于：印刷所述光改变结构包括：

印刷基质材料与光散射材料的液相混合物；以及

对所述发光基板进行退火以固化所述基质材料。

22.如权利要求10所述的方法，其特征在于：提供所述发光基板的井包括提供具有第一体积的井，所述第一体积为井未被所述发光元件占据时所界定；以及

其中印刷所述光改变结构包括使用足够的光改变材料填充每个井以形成第二体积，所述第二体积大于所述第一体积且包括所述发光元件的体积和所述印刷的光改变材料的体积。