TWI412160B - 發光二極體、背光模組及液晶顯示裝置 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種發光二極體、背光模組及液晶顯示裝置，且特別是有關於一種電極為光柵的發光二極體、背光模組及液晶顯示裝置。
隨著現代半導體科技的進步，發光二極體已被大量使用，以提供電子裝置所需的光源，例如：交通號誌、大型看板、掃描器、液晶顯示裝置等。
一般常見的發光二極體屬於一種半導體元件，其材料通常係使用III-V族元素如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等。發光二極體的發光原理是將電能轉換為光，也就是對上述之化合物半導體施加電流，透過電子、電洞的結合而將能量以光的型態釋放出來，進而達到發光的效果。由於發光二極體具有反應速度快(約為10-9
秒)、體積小、用電省、污染低(不含水銀)、可靠度高、適合量產等優點，因此有以發光二極體取代傳統之日光燈與白熾燈泡的趨勢。
然而，當發光二極體應用於需要極化光源的光學系統中(例如液晶顯示裝置)，則必須在光學系統中加入極化轉換構件，使得發光二極體所產生之光源藉由極化轉換構件產生具有特定極化方向的光。圖1為習知的一種液晶顯示裝置的示意圖。液晶顯示裝置100包括一背光模組110、多個偏振片120以及一液晶顯示面板130。背光模組110所產生的光，並不具有特別的極化態，而是包含P極化與S極化所結合的光，因此需要藉助偏振片120以得到極化光源。
但是，偏振片120不僅使整體液晶顯示裝置100的成本增加，且在經極化轉換時，極化方向平行偏振片120穿透軸的光能穿透偏振片120，而極化方向垂直偏振片120的穿透軸的光則會被偏振片120所吸收，故僅會有部分的光通過偏振片120而擋住大部份的光。因此，使得背光模組110的光源利用率偏低，也因而造成液晶顯示裝置100的能源使用效率不彰。
本發明提供一種發光二極體，用以產生具有單一偏振方向的光源。
本發明另提供一種背光模組，用以提供單一偏振的光源。
本發明又提供一種液晶顯示裝置，具有較佳的光利用率。
本發明提出一種發光二極體，包括一半導體層、一第一電極以及一第二電極。半導體層包括一第一型摻雜半導體層、一發光層以及一第二型摻雜半導體層，其中發光層位於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間。第一電極電性連接於第一型摻雜半導體層，第二電極電性連接於第二型摻雜半導體層。第二電極為一光柵，適於讓具有一第一偏振方向的光通過，且適於反射具有一第二偏振方向的光。其中，第一偏振方向垂直於第二偏振方向。
在本發明的一實施例中，發光二極體更包括一基板。第一型摻雜半導體層位於基板上，發光層位於第一型摻雜半導體層的部分區域上，第二型摻雜半導體層位於發光層上。第一電極位於第一型摻雜半導體層未配置發光層之區域上，而第二電極位於第二型摻雜半導體層上。此外，上述的基板的材質例如包括藍寶石。另外，上述的基板例如具有一表面粗化結構。
在本發明的一實施例中，上述的發光層具有一表面粗化結構。
在本發明的一實施例中，上述的半導體層的材質包括氮化銦鎵(InGaN)，適於發出波長為625~630奈米(nanometer,nm)的紅光，此時該第二電極的光柵間距小於390奈米。
在本發明的一實施例中，上述的半導體層的材質包括氮化銦鎵，適於發出波長為530~535奈米的綠光，此時該第二電極的光柵間距為小於290奈米。
在本發明的一實施例中，上述的半導體層的材質包括氮化鎵(GaN)，適於發出波長為450~470奈米的藍光，此時該第二電極的光柵間距小於255奈米。
在本發明的一實施例中，上述的第一電極與第二電極的材質包括金屬。
在本發明的一實施例中，發光二極體更包括一封裝標示，用以顯示第一偏振方向或第二偏振方向。
本發明另提出一種背光模組，包括一光學板以及多個上述之發光二極體。光學板具有一入光面及一出光面，這些發光二極體配置在入光面旁。
在本發明之一實施例之背光模組中，上述的光學板為一導光板，且入光面鄰接於出光面。
在本發明之一實施例之背光模組中，上述的光學板為一擴散板，且入光面與出光面相對。
本發明又提供一種液晶顯示裝置，包括上述之背光模組以及一液晶顯示面板。液晶顯示面板配置於出光面上。
在本發明之一實施例之液晶顯示裝置中，更包括一第一偏振片，配置在液晶顯示面板上，且遠離背光模組。
在本發明之一實施例之液晶顯示裝置中，更包括一第二偏振片，配置在該液晶顯示面板及該背光模組之間。
本發明採用電極為光柵的發光二極體，因此可藉由光柵的特性，使發光二極體產生具有單一偏振方向的光源，而此發光二極體可應用於背光模組。藉由在液晶顯示裝置中使用此背光模組，得以大幅提升光源的使用效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖2A為本發明一實施例的發光二極體的結構示意圖。請參考圖2A，發光二極體200包括一基板210、一半導體層220、一第一電極230以及一第二電極240。基板210材質可以為藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵或氮化鋁，本發明並不對其做限定。
半導體層220包括一第一型摻雜半導體層222、一發光層224以及一第二型摻雜半導體層226。第一型摻雜半導體層222設置於基板210上，發光層224設置於第一型摻雜半導體層222的部分區域上，且位於第一型摻雜半導體層222與第二型摻雜半導體層226之間，而第二型摻雜半導體層226設置於發光層222上。
第一電極230設置於第一型摻雜半導體層222未配置發光層224之區域上，並電性連接於第一型摻雜半導體層222。第二電極240設置於第二型摻雜半導體層226上，並電性連接於第二型摻雜半導體層226。其中，第二電極240製作成一光柵。第一電極230與第二電極240的材質可以為鋁、鉬或其它導電材質。
傳統的發光二極體為避免金屬遮掉發光二極體所發出的光，意即為提升出光量，故無法使用一般金屬而採用透明電極(氧化銦錫,Indium Tin Oxide,ITO)；然而透明電極的電阻過大，所以需以較大的電壓驅動發光二極體。如此一來使得發光二極體的溫度上升，又因發光二極體的溫度上升則其發光亮度則會下降，並且部份的能量以熱能的形式損耗。
本發明因將第二電極240圖案化為光柵狀，所以第二電極240可以使用一般金屬，使得發光二極體200所發出的光可由光柵狀的第二電極240出光而不會被金屬所遮蔽掉，因此可以選擇不透明但阻值較低的金屬作為第二電極240使用，如此一來發光二極體200可以以較小的電壓驅動，以降低發光二極體200操作時的溫度，並進一步的提升發光二極體200的發光亮度。
再進一步地說明，在本實施例中，發光二極體200還包括連接於第一電極230與第二電極240的導線250。經由導線250施加電壓於第一電極230與第二電極240，以驅動第一型摻雜半導體層222與第二型摻雜半導體層226分別產生電子與電洞。同時，藉由電子與電洞的移動並於發光層224中結合而發光。圖2B為圖2A之發光二極體於發光時的示意圖。請參考圖2B，發光層224所發出的光線L並不具有單一偏振方向，而是可分成一第一偏振方向P(例如P極化光)與一第二偏振方向S(例如S極化光)，且其中第一偏振方向P垂直於第二偏振方向S。
藉由以光柵的形式呈現的第二電極240的作用，使得光線L中具有第一偏振方向P的一光線Lp通過，而光線L中具有第二偏振方向S的一光線Ls則被反射。在本實施例中，當具有第二偏振方向S的光線Ls經光柵反射後遇到發光層224，便會產生一散射光Rs。此散射光Rs的偏振方向不再相同於原本的光線Ls，而是同時具有第一偏振方向P與第二偏振方向S，因此光線Rs入射到光柵時，光線Rs中具有第一偏振方向P的部份光線則可穿透光柵，提升極化光的出光率。另外，可在發光層224上設計一表面粗化結構(未繪示)以加強散射的效率。因為光柵的材質為金屬，所以滿足極化分光的入射角角度範圍較大。
再者，自第二電極240反射至發光層224的光線Ls亦可被發光層224所吸收，並再發出同時具有第一偏振方向P與第二偏振方向S的一再發光Re。
另一方面，光線Ls亦會穿透發光層224入射至第一型摻雜半導體層222或基板210。當光線Ls遇到第一型摻雜半導體層222或基板210時會產生散射光Rs’，而散射光Rs’的偏振方向不再相同於原本的光線Ls，而是同時具有第一偏振方向P與第二偏振方向S，光線Rs’向上穿過發光層224而入射至光柵，此時光線Rs’中具有第一偏振方向P的部份光線則可穿透光柵，提升極化光的出光率。另外，可在第一型摻雜半導體層222或基板210上設計有一表面粗化結構(未繪示)以加強散射效果。
在本實施例中，由於第二電極240為一光柵，因此可設定其光柵間距T而調整繞射出光的階數，以依需求而使出光集中為0階的正向出光或是控制在所需要的出光角度的範圍內。例如：當半導體層220材質為氮化銦鎵(InGaN)，則適合發出波長為625~630奈米(nanometer,nm)的紅光，此時光柵間距T需小於390奈米；當半導體層220材質為氮化銦鎵(InGaN)，則適合發出波長為530~535奈米的綠光，此時光柵間距T需小於290奈米；當半導體層220材質為氮化鎵(GaN)，則適合發出波長為450~470奈米的藍光，此時光柵間距T需小於255奈米。以此方式，即可調整通過第二電極240的光線以0階繞射光為主。
圖3A為本發明之一實施例的背光模組的示意圖，圖3B為圖3A之背光模組的局部俯視圖。請同時參考圖3A及圖3B，背光模組300包括一光學板310以及多個如圖2A所示的發光二極體200。選擇性地，本實施例的背光模組300還包括一框架320。光學板310具有一入光面312及一出光面314，而這些發光二極體200則配置在入光面312旁。
在本實施例中，背光模組300為一直下式背光模組，發光二極體200配置框架320上並位於光學板310的下方。光學板310為一擴散板，其入光面312與出光面314相對，用以均勻化發光二極體200所提供的正向光源。
圖3C為本發明之另一實施例的背光模組的剖面圖。請參考圖3C，本實施例的背光模組300’為一側面入光式背光模組，包括一光學板310’、多個如圖2A所示的發光二極體200。選擇性地，本實施例的背光模組300還包括一框架320。光學板310’為一導光板，具有一入光面312’及一出光面314’，且入光面312’與出光面314’相鄰，而發光二極體200則配置在入光面312’旁，以提供側面入光之光源。
請再參考圖3B，發光二極體200還包括一封裝標示260，用以顯示發光二極體200所提供的光線的偏振方向或是顯示發光二極體200所提供的光線的偏振方向的垂直方向，以利後續製程得以調整所有發光二極體200使其所提供的光線的偏振方向能一致。當發光二極體200作為顯示器的背光源使用時，顯示器可以省略下偏振片僅用一上偏振片即可，並使此封裝標示260與顯示器的上偏振片的穿透軸方向一致或垂直，意即所有發光二極體200所發出的極化光能與上偏振片的穿透軸的方向一致或垂直，提升光源使用效率。當然顯示器亦可不省略下偏振片，所有發光二極體200所發出的極化光能與上偏振片的穿透軸的方向一致或垂直，以提升顯示器的對比。在本實施例中，背光模組300因採用發光二極體200而能提供單一偏振方向的光源。此外，藉由調整發光二極體200的尺寸規格，還可控制發光二極體200的出光方向而使背光模組300所提供的光源的出光方向更為集中，以提高出光效率。
圖4為本發明之一實施例的液晶顯示裝置的示意圖。請參考圖4，液晶顯示裝置400包括一背光模組300’以及一液晶顯示面板410。在本實施例中，液晶顯示裝置400所應用之背光模組300’為一側面入光式背光模組，而液晶顯示面板410配置在背光模組300’的出光面314’上。
在本實施例中，液晶顯示裝置400還包括一第一偏振片420以及一外框440，其中第一偏振片420配置在液晶顯示面板410上且遠離背光模組300’，並由外框440將背光模組300’、液晶顯示面板410及第一偏振片420予以固定組裝。當背光模組300’應用於液晶顯示裝置400時，由於背光模組300’出光效率的提高而使得液晶顯示裝置400能夠具有良好的顯示效果。
在本實施例中，液晶顯示裝置400更包括一第二偏振片430，配置在液晶顯示面板410及背光模組300’之間，用以確保傳遞至液晶顯示面板410的光具有單一偏振方向。
綜上所述，本發明之發光二極體利用將電極設計為一光柵結構，除了能提昇電流散佈效應，還可藉由光柵的作用而產生具有單一偏振方向的光源。此外，也能配合不同波長的光而調整光柵間距，以控制繞射出光的階數而集中出光方向或是適當地限制出光角度。
除此之外，被設計為光柵形式的電極所反射的光線在遇到發光層或基板時皆會被破壞其原本的偏振方向，而重新產生具有兩種偏振方向的散射光，因而可讓具有其中一種偏振方向的光線穿透設計為光柵形式的電極而被利用。另外，發光層吸收被電極所反射的光線後，亦可重新產生具有兩種偏振方向的光線。藉由上述機制，得以讓發光二極體所產生的光線徹底被利用。
因此，無論是應用本發明的發光二極體於背光模組，或是組裝此背光模組於液晶顯示裝置，皆能因發光二極體的上述功效而得以改善背光模組所提供的光線的被利用率，進而提升液晶顯示裝置的顯示品質。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100．．．液晶顯示裝置
110．．．背光模組
120．．．偏振片
130．．．液晶顯示面板
200．．．發光二極體
210．．．基板
220．．．半導體層
222．．．第一型摻雜半導體層
224．．．發光層
226．．．第二型摻雜半導體層
230．．．第一電極
240．．．第二電極
250．．．導線
260．．．封裝標示
300、300’．．．背光模組
310、310’．．．光學板
312、312’．．．入光面
314、314’．．．出光面
320．．．框架
400．．．液晶顯示裝置
410．．．液晶顯示面板
420．．．第一偏振片
430．．．第二偏振片
440．．．外框
L．．．光線
Lp．．．具有第一偏振方向的光線
Ls．．．具有第二偏振方向的光線
P．．．第一偏振方向
Re．．．再發光
Rs、Rs’．．．散射光
S．．．第二偏振方向
T．．．光柵間距
圖1為習知的一種液晶顯示裝置的示意圖。
圖2A為本發明一實施例的發光二極體的結構示意圖。
圖2B為圖2A之發光二極體於發光時的示意圖。
圖3A為本發明之一實施例的背光模組的示意圖。
圖3B為圖3A之背光模組的局部俯視圖。
圖3C為本發明之另一實施例的背光模組的剖面圖。
圖4為本發明之一實施例的液晶顯示裝置的示意圖。
200．．．發光二極體
210．．．基板
220．．．半導體層
222．．．第一型摻雜半導體層
224．．．發光層
226．．．第二型摻雜半導體層
230．．．第一電極
240．．．第二電極
250．．．導線
T．．．光柵間距
Claims (33)
- 一種發光二極體，包括：一半導體層，包括一第一型摻雜半導體層、一發光層以及一第二型摻雜半導體層，其中該發光層位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間；一第一電極，電性連接於該第一型摻雜半導體層；一第二電極，電性連接於該第二型摻雜半導體層，且該第二電極為一光柵，適於讓具有一第一偏振方向的光通過，且適於反射具有一第二偏振方向的光，其中該第一偏振方向垂直於該第二偏振方向；以及一封裝標示，用以顯示該第一偏振方向或該第二偏振方向。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，更包括一基板，其中該第一型摻雜半導體層位於該基板上，該發光層位於該第一型摻雜半導體層的部分區域上，該第二型摻雜半導體層位於該發光層上，該第一電極位於該第一型摻雜半導體層未配置該發光層之區域上，而該第二電極位於該第二型摻雜半導體層上。
- 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體，其中該基板的材質包括藍寶石。
- 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體，其中該基板具有一表面粗化結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中該發光層具有一表面粗化結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中該半導體層的材質包括氮化銦鎵(InGaN)，適於發出波長為625~630奈米(nanometer,nm)的紅光，此時該第二電極的光柵間距小於390奈米。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中該半導體層的材質包括氮化銦鎵，適於發出波長為530~535奈米的綠光，此時該第二電極的光柵間距小於290奈米。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中該半導體層的材質包括氮化鎵(GaN)，適於發出波長為450~470奈米的藍光，此時該第二電極的光柵間距小於255奈米。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中該第一電極與該第二電極的材質包括金屬。
- 一種背光模組，包括：一光學板，具有一入光面及一出光面；以及多個發光二極體，配置在該入光面旁，且各該發光二極體包括：一半導體層，包括一第一型摻雜半導體層、一發光層以及一第二型摻雜半導體層，其中該發光層位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間；一第一電極，電性連接於該第一型摻雜半導體層；一第二電極，電性連接於該第二型摻雜半導體層，且該第二電極為一光柵，適於讓具有一第一偏振 方向的光通過，且適於反射具有一第二偏振方向的光，其中該第一偏振方向垂直於該第二偏振方向；以及一封裝標示，用以顯示該第一偏振方向或該第二偏振方向。
- 如申請專利範圍第10項所述的背光模組，其中該光學板為一導光板，且該入光面鄰接於該出光面。
- 如申請專利範圍第10項所述的背光模組，其中該光學板為一擴散板，且該入光面與該出光面相對。
- 如申請專利範圍第10項所述之背光模組，其中各該發光二極體更包括一基板，各該第一型摻雜半導體層位於各該基板上，各該發光層位於各該第一型摻雜半導體層的部分區域上，各該第二型摻雜半導體層位於各該發光層上，各該第一電極位於各該第一型摻雜半導體層未配置各該發光層之區域上，而各該第二電極位於各該第二型摻雜半導體層上。
- 如申請專利範圍第13項所述之背光模組，其中該些基板的材質包括藍寶石。
- 如申請專利範圍第13項所述之背光模組，其中各該基板具有一表面粗化結構。
- 如申請專利範圍第10項所述之背光模組，其中各該發光層具有一表面粗化結構。
- 如申請專利範圍第10項所述之背光模組，其中各該半導體層的材質包括氮化銦鎵，適於發出波長為 625~630奈米的紅光，此時該第二電極的光柵間距小於390奈米。
- 如申請專利範圍第10項所述之背光模組，其中各該半導體層的材質包括氮化銦鎵，適於發出波長為530~535奈米的綠光，此時該第二電極的光柵間距小於290奈米。
- 如申請專利範圍第10項所述之背光模組，其中各該半導體層的材質包括氮化鎵，適於發出波長為450~470奈米的藍光，此時該第二電極的光柵間距小於255奈米。
- 如申請專利範圍第10項所述之背光模組，其中該些第一電極與該些第二電極的材質包括金屬。
- 一種液晶顯示裝置，包括：一背光模組，包括：一光學板，具有一入光面及一出光面；以及多個發光二極體，配置在該入光面旁，且各該發光二極體包括：一半導體層，包括一第一型摻雜半導體層、一發光層以及一第二型摻雜半導體層，其中該發光層位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間；一第一電極，電性連接於該第一型摻雜半導體層；一第二電極，電性連接於該第二型摻雜半導體層，且該第二電極為一光柵，適於讓具有一第 一偏振方向的光通過，且適於反射具有一第二偏振方向的光，其中該第一偏振方向垂直於該第二偏振方向；一封裝標示，用以顯示該第一偏振方向或該第二偏振方向；以及一液晶顯示面板，配置在該出光面上。
- 如申請專利範圍第21項所述之液晶顯示裝置，其中該光學板為一導光板，且該入光面鄰接於該出光面。
- 如申請專利範圍第21項所述之液晶顯示裝置，其中該光學板為一擴散板，且該入光面與該出光面相對。
- 如申請專利範圍第21項所述之液晶顯示裝置，其中各該發光二極體更包括一基板，各該第一型摻雜半導體層位於該基板上，各該發光層位於各該第一型摻雜半導體層的部分區域上，各該第二型摻雜半導體層位於各該發光層上，各該第一電極位於各該第一型摻雜半導體層未配置各該發光層之區域上，而各該第二電極位於各該第二型摻雜半導體層上。
- 如申請專利範圍第24項所述之液晶顯示裝置，其中該些基板的材質包括藍寶石。
- 如申請專利範圍第24項所述之液晶顯示裝置，其中各該基板具有一表面粗化結構。
- 如申請專利範圍第21項所述之液晶顯示裝置，其中各該發光層具有一表面粗化結構。
- 如申請專利範圍第21項所述之液晶顯示裝置，其 中各該半導體層的材質包括氮化銦鎵，適於發出波長為625~630奈米的紅光，此時該第二電極的光柵間距小於390奈米。
- 如申請專利範圍第21項所述之液晶顯示裝置，其中各該半導體層的材質包括氮化銦鎵，適於發出波長為530~535奈米的綠光，此時該第二電極的光柵間距小於290奈米。
- 如申請專利範圍第21項所述之液晶顯示裝置，其中各該半導體層的材質包括氮化鎵，適於發出波長為450~470奈米的藍光，此時該第二電極的光柵間距小於255奈米。
- 如申請專利範圍第21項所述之液晶顯示裝置，其中該些第一電極與該些第二電極的材質包括金屬。
- 如申請專利範圍第21項所述的液晶顯示裝置，更包括一第一偏振片，配置在該液晶顯示面板上，且遠離該背光模組。
- 如申請專利範圍第32項所述的液晶顯示裝置，更包括一第二偏振片，配置在該液晶顯示面板及該背光模組之間。
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