TWI471646B - 具有倒裝發光二極體的薄層背光 - Google Patents

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Serge Joel Armand Bierhuizen
Oleg Borisovich Shchekin
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Description

具有倒裝發光二極體的薄層背光
本發明係關於用於液晶顯示器之背光，而特定言之係關於利用一發光二極體(LED)來照明該背光。
有許多類型的背光用於液晶顯示器(LCD)。一般地，對於全色背光，用於照射該背光之光具有紅色、綠色及藍色成分。最常用作光源的係螢光燈。隨著高功率發光二極體之開發，此類發光二極體在某些應用中已取代該等螢光燈。可以使用紅色、綠色及藍色發光二極體之一組合，或者可以使用「白色光」發光二極體。一白色光發光二極體使用塗布有一波長轉換磷光體之藍色或紫外線發光二極體，從而使得所產生的光呈現為白色。
用於一較小或中等尺寸LCD之典型背光使用由一聚合物形成之一固體透明光導。該光源，即一螢光燈泡或發光二極體，係光學耦合至該矩形光導之一側邊緣。該光導可以係一楔形形狀或者具有刻面或使得光從該光導之面均勻地向外洩漏到該等液晶層上之其他類型的反射器。該液晶層之紅色、綠色及藍色像素位置受電氣信號之控制以有效地用作用於RGB像素之光閘以在該LCD螢幕上建立一彩色影像。
圖1解說在該背光中利用一或多個發光二極體之一典型的LCD。該光源係一發光二極體模組10。該模組10包含附著於一子基板14之一發光二極體晶粒12，其係容置於一反射腔16內。該腔具有一光學耦合至一固體光導20之一側邊緣的窗口18。該發光二極體12可以發射藍色光，而在該發光二極體上之一磷光體層(例如，YAG：Ce)洩漏部分藍色光並發射黃綠色光，從而使得組合的光係白色。或者，可以有多個彩色發光二極體來向該光導20提供紅色、綠色及藍色光成分。
該發光二極體晶粒12上的金屬墊係銲接至該子基板14上的對應墊。該發光二極體晶粒12可以係一覆晶，或者該等銲接可以採用導線。該子基板14具有連接至一印刷電路板(PCB)24之端子22。該PCB 24具有一將該等端子22連接至一發光二極體驅動器26之導體圖案。
或者，該發光二極體晶粒12及子基板14可位於形成於該固體光導20中之一腔內。
一擴散器28及亮度增強膜(BEF)30係位於該光導20上以使得在一窄視角內該光更均勻且更亮。
液晶層32係位於該BEF 30膜上。一LCD驅動器34控制每一RGB像素位置處之電場以在該LCD上顯示一影像。
一底部反射膜36朝該等液晶層32向上反射該光導內的所有光。該光導20可具有一楔形形狀，在一表面上係粗糙化，具有刻面，或者具有其他變形以將該光向外洩漏穿過該頂部表面。
對於一很薄又小的LCD，例如適用於蜂巢式電話、個人數位助理(PDA)、數位相機及其他小裝置，該等液晶層可以薄至0.75 mm，該擴散器28及BEF 30可以具有一0.25 mm之組合厚度，而該光導20與反射器36可以具有一0.6 mm之組合厚度，而總厚度約為1.6 mm。吾等咸信，此等厚度係目前可獲得之最薄厚度。
可使得該發光二極體模組10之總高度薄如該光導/擴散器。該PCB 24對該LCD添加明顯厚度，因為其為該發光二極體模組10及該等電性端子提供支撐。該PCB還可以用於從該子基板14移除熱量，此係由該發光二極體之功率位準決定。該PCB可以厚至1.5 mm。
在很薄的裝置中，需要進一步減小LCD之厚度。
說明LCD之各項具體實施例，其中一或多個發光二極體係安裝於一LCD內而不使用任何印刷電路板(PCB)，從而將該LCD之厚度減小約該傳統PCB之厚度。
在一具體實施例中，該發光二極體及子基板係「顛倒」安裝於該LCD中，以至於該子基板與該LCD之液晶層側相對。因此，該等液晶層為該子基板及發光二極體晶粒提供機械支撐。可以將該發光二極體晶粒(安裝於該子基板上)插入在該光導的「頂部」表面中形成之一腔，而該光導之頂部表面係鄰接倚靠該等液晶層或介於該光導與液晶層之間的可選擴散器及BEF。在此一組態中，該發光二極體光源(包括所有支撐組件)不為該LCD添加厚度。
該發光二極體可以係一白色光發光二極體或者可以包含複數個發光二極體以藉由紅色、綠色及藍色光成分照明該等液晶層。
在另一具體實施例中，在與該發光二極體晶粒相對的該LCD之「底部」表面上具有兩個狀態之一可電性切換鏡。一電氣信號使得該可切換鏡具有反射性以將所有照射於該鏡上的光朝該發光二極體往回反射或者成為透明以讓光穿過該可切換鏡。一光學透鏡或其他集光元件校準穿過該可切換鏡之光，而經校準的光在蜂巢式電話或其他裝置中係用作用於數位圖像之一閃光或者用作一閃光。若欲將該發光二極體用作一閃光，則提供合適的驅動器電路以提供透過該發光二極體之一電流脈衝。
還說明其他具體實施例。
圖2係解說依據本發明之一具體實施例之一LCD 40之一側視圖。圖3係圖2之一透視俯視圖。
一固體透明光導42(例如由一聚合物或玻璃形成)具有形成於其中之一腔44，其中該腔具有一側發射發光二極體46之大致尺寸。該側發射發光二極體46以一低角度360度圍繞該發光二極體晶粒發射其大部分光。因此，來自該發光二極體46的大部分光係直接透射進該光導42。一可選的反射器可位於該光導42的側壁周圍以防止光從該等側壁逃逸。
一底部反射器48朝該等液晶層向上反射該光導42內的光。該光導42可以具有刻面、一粗糙化表面或其他變形以允許光從該光導42之頂部表面向外洩漏。該光導42甚至可以係楔形形狀。吾等熟知，有許多技術用於將光從一光導均勻地向外洩漏。
一擴散器50(其可以係一半透明膜)擴散來自該光導42之光以增加橫跨該表面的光均勻度。一亮度增強膜(BEF)52將光重新引導進一較窄視角以增加該視角內的亮度。此類BEF膜已為人熟知。
接著，所產生的光係入射於液晶層54之背部表面上，此已頗為人所熟知而無需詳細說明。一類液晶層基本上係由一底部偏光器56、在一玻璃基板上之一透明薄膜電晶體(TFT)層陣列58、一液晶層60、在一玻璃基板上之一透明接地層62、對應於RGB像素位置之一RGB濾波器64及一第二偏光器66組成。該LCD驅動器68於選定像素位置向該TFT陣列施加之信號改變光的偏光並使得處於該像素位置之光從該LCD 40輸出為一紅色、綠色或藍色像素。藉由正確選擇該等TFT信號，該LCD 40產生彩色影像。
該發光二極體46係安裝於一子基板70上。該子基板70可由一陶瓷、矽、一絕緣金屬板或其他合適材料形成。該發光二極體46上的金屬墊係銲接至該子基板70上的對應墊(顯示焊球72)。該發光二極體46較佳的係一覆晶以使得厚度最小化，而一覆晶係一將該晶片的「底部」表面上的所有電性端子皆用於直接銲接至一子基板或其他安裝結構之晶片。該子基板70具有連接至一發光二極體驅動器76之端子74。除該子基板70用作介於該驅動器76與該發光二極體46之間的一電性介面外，該子基板70還用作一散熱片以從該發光二極體46移除熱量。子基板70之表面可具反射性以朝該光導42往回反射該發光二極體光。
可以藉由所謂的撓性箔互連(例如，由Gould Electronics公司製造之JTC FlexTM )來容易地實現該子基板70與該發光二極體驅動器76之間的電連接。作為一替代方案，該子基板70與該等液晶層可能共享在同一撓性箔上的連接。若該子基板過小而無法附著於一撓性箔，則可能使用絲銲來製造與該撓性箔之電連接(夾箝於該子基板之側)，或者可能將該子基板放置(膠合)於該撓性箔處中之一孔內，或者可能直接將該發光二極體46附著於一薄撓性箔之頂部上。該電連接器，例如該撓性箔，可以額外地用作一散熱片以從該發光二極體晶粒移除熱。
一金屬支架78係連接至該等液晶層之底部表面與該子基板70以將該子基板70附著到位並用作一額外的散熱片。該金屬支架78還可以延伸超過該LCD區域以提供額外的散熱，此係由該發光二極體之功率使用決定。可以黏合方式將該支架78及子基板70附著到位或藉由其他合適構件(例如藉由一導熱膠帶)來固定。在另一具體實施例中，該子基板70係直接附著於該等液晶層54而無插入的支架78。可以將一或多個額外層添加到該等液晶層54之底部以支撐該子基板70。該等液晶層及光導輔助從該子基板70移除熱。
該金屬支架還可能係一引線框架，其中該金屬支架係分成至少兩部分，每一部分係一電連接以將陽極及陰極電壓提供給該發光二極體晶粒，以及提供機械支撐及散熱。或使用一具有通道之子基板而將該子基板銲接至該等引線框架，或藉由絲銲將該發光二極體子基板連接至該引線框架。
由於該發光二極體46及子基板70不需要任何印刷電路板(PCB)用於機械支撐、散熱及電性介接，因此該LCD可能比圖1所示之先前技術LCD要薄得多。
將該發光二極體顛倒安裝於該等液晶層上之另一優點係很好地定義從該發光二極體46的發光部分到該子基板70之距離。藉由此組態，可以精確地決定該子基板70與該等液晶層與該光導的介面之對齊，而且可以將該發光二極體46之發光部分與該光導42精確對齊。在先前技術之組態中(如圖1所示)，該發光二極體的發光部分相對於該光導之位置係基於各種組件(例如，PCB、子基板、反射器)之尺寸及對齊，而可能發生更大的對齊錯誤。若低至數微米的對齊精度對於超薄層背光而言很重要，則首要的係避免此類對齊錯誤。
任何類型的發光二極體皆可用於圖2所示具體實施例，但一側發射發光二極體在最小數目的反射之條件下將光耦合進該光導42。可以使用具有子基板的多個發光二極體沿該光導42之一或多側或頂角將光耦合進該光導42。在較大LCD情況下可能需要如此。將以圖2所示方式支撐每一發光二極體。
各層之厚度可與本揭示內容之先前技術一節中所述者(其中整個LCD之所產生厚度小於2 mm)相同。
圖4A係可用於圖2所示之一類側發射白色光發光二極體82之一斷面側視圖。由一AlInGaN材料形成之一藍色發光二極體晶粒83具有沉積或電鍍於其上之一磷光體層84。該磷光體在受到該藍色發光二極體加電時發射紅色及綠色光而洩漏部分藍色光。該組合光係白色光。許多類型的白色光發光二極體已為人習知而且適用。一側發射透鏡85將來自該發光二極體晶粒83的光反射並折射成使得在該發光二極體晶粒83周圍以一低角度發射大部分光。或者，可以使用紅色、綠色及藍色發光二極體來建立該白色光，或者可以使用一白色光發光二極體連同一紅色發光二極體來增加光的紅色成分。還可以使用具有紅色、綠色及藍色磷光體之一紫外線發光二極體。
圖4B解說一側發射白色光發光二極體86之另一具體實施例，其比圖4A所示發光二極體更薄。發光二極體86包含安裝於一基板70上之一藍色發光二極體晶粒87，其中一磷光體板88係附著於該發光二極體晶粒87之頂部。該磷光體組合物可以係本文所述的任何磷光體組合物，其與藍色光組合的發射建立白色光。一頂部反射器89確保從該發光二極體86之側發射所有光。
圖5係在許多方面與圖2所示LCD 40類似之一LCD 90之一斷面側視圖，而無需重複該等類似性。圖5中，該子基板70係直接附著於該等液晶層54，但是還可以使用一金屬支架。圖5中，處於該光導42的底部之反射器48不在該發光二極體46下延伸。實際上，一可電性切換鏡92位於該發光二極體之下。可購得可切換鏡而其係常用於通信應用中的光學切換。一可切換鏡在一鏡控制器94向其施加一第一電壓之際處於一第一狀態而具有反射性，而在向其施加一第二電壓之際處於一第二狀態而係透明。圖5中，當該可切換鏡92處於該第一狀態時，該鏡將照射光反射回進該腔44，因此可以將其耦合進該光導42。在將使用僅該LCD時使用此模式。
該發光二極體46在其第二狀態中可用作用於一數位相機之一閃光(例如在一蜂巢式電話中)或用作一閃光燈。當該可切換鏡92係透明時，該發光二極體光係藉由集光元件96(一透鏡)來校準並用於照明用於一數位圖像之一物件。顯示該蜂巢式電話中的傳統相機光學元件及電子元件98。一般地，將使用該LCD將該圖像訊框化，使用者將按壓相機按鈕，該可切換鏡92將變成透明，將由該驅動器76向該發光二極體46提供一增加的電流脈衝以建立一明亮閃光，並將處理所產生之圖像。
圖6係顯示包含圖5所示LCD及閃光特徵之一蜂巢式電話之一倒裝部分100之一側視圖。應注意，該閃光與LCD螢幕處於相對側上，此係藉由與先前技術之圖1相比將該發光二極體反轉而成為可行。若需要能夠讓該閃光及LCD處於相同側上，例如當使用者希望給自己拍攝圖像時，該閃光可以係容置於該蜂巢式電話之主體內，而該LCD可以係容置於一可以旋轉的倒裝部分中。
該等具體實施例之任何組合皆可行。該LCD可以係彩色或單色的。
本發明既經詳細說明，熟習此項技術人士應明白在給定本揭示內容後，可在不脫離本文中所說明之本發明概念的精神下修改本發明。因此，並不希望本發明之範疇限於圖示及說明的特定具體實施例。
10．．．發光二極體模組
12．．．發光二極體晶粒
14．．．子基板
16．．．反射腔
18．．．窗口
20．．．固體光導
22．．．端子
24．．．印刷電路板(PCB)
28．．．擴散器
30．．．亮度增強膜(BEF)
32．．．液晶層
34．．．LCD驅動器
36．．．底部反射膜/反射器
40．．．LCD
42．．．固體透明光導
44．．．腔
46．．．側發射發光二極體
48．．．底部反射器
50．．．擴散器
52．．．亮度增強膜(BEF)
54．．．液晶層
56．．．底部偏光器
58．．．透明薄膜電晶體(TFT)層陣列
60．．．液晶層
62．．．透明接地層
64．．．RGB濾波器
66．．．第二偏光器
68．．．LCD驅動器
70．．．子基板
72．．．焊球
74．．．端子
76．．．發光二極體驅動器
78．．．金屬支架
82．．．側發射白色光發光二極體
83．．．藍色發光二極體晶粒
84．．．磷光體層
85．．．側發射透鏡
86．．．側發射白色光發光二極體
87．．．藍色發光二極體晶粒
88．．．磷光體板
89．．．頂部反射器
92．．．可電性切換鏡
94．．．鏡控制器
96．．．集光元件
98．．．傳統相機光學元件及電子元件
100．．．蜂巢式電話之一倒裝部分
圖1係一薄層LCD之一斷面側視圖，其中該發光二極體模組係安裝於一印刷電路板(PCB)上。
圖2係一LCD之一斷面側視圖，其中該子基板受該等液晶層及/或該光導之支撐，從而消除對一PCB之需要。
圖3係圖2所示LCD之一俯視透視圖，其顯示該等液晶層、光導、子基板及發光二極體晶粒之相對位置。
圖4A係可用於圖2所示LCD之一可能的側發射白色光發光二極體之一斷面側視圖。
圖4B係可用於圖2所示LCD之另一可能的側發射白色光發光二極體之一斷面側視圖。
圖5係一與圖2所示LCD類似但具有與該發光二極體晶粒相對之一可電性切換鏡的LCD之一斷面側視圖，其中當該可切換鏡處於一透明狀態時，可以將該發光二極體用作一用於一蜂巢式電話相機之閃光。
圖6係顯示圖5所示LCD及集光元件之一蜂巢式電話之倒裝部分之一側視圖。
各圖中標記為相同數字之元件可以係相同或等效。
40．．．LCD
42．．．固體透明光導
44．．．腔
46．．．側發射發光二極體
48．．．底部反射器
50．．．擴散器
52．．．亮度增強膜(BEF)
54．．．液晶層
56．．．底部偏光器
58．．．透明薄膜電晶體(TFT)層陣列
60．．．液晶層
62．．．透明接地層
64．．．RGB濾波器
66．．．第二偏光器
68．．．LCD驅動器
70．．．子基板
72．．．焊球
74．．．端子
76．．．發光二極體驅動器
78．．．金屬支架

Claims (18)

  1. 一種液晶顯示器(LCD)裝置，其包含：一發光二極體(LED)晶粒，該發光二極體晶粒係使所有電性端子處於一第一表面上之一覆晶(flip-chip)，該發光二極體晶粒具有與該第一表面相鄰之側表面並具有與該第一表面相對之一第二表面；一實質上係矩形的光導，其係由一固體材料形成，該光導具有一前部表面與一後部表面，從該發光二極體晶粒發射的光係耦合進該光導；以及液晶層，其在該光導之該前部表面上俾使在一第一方向上從該光導之該前部表面發射的光作為一背光照射該等液晶層之一後部表面，該發光二極體晶粒係安裝於該LCD裝置中而接近該光導以至於該發光二極體晶粒之該第一表面實質上面對該第一方向，而該發光二極體之至少一部分位於介於該光導的該前部表面與該光導的該後部表面之間的一平面內，其中該等液晶層延伸超過該光導之一邊緣，及其中該發光二極體晶粒係由延伸超過該光導的該邊緣的該等液晶層所支撐，其中該發光二極體晶粒從其側邊直接將光注入該光導之該邊緣。
  2. 如請求項1之裝置，其中該發光二極體晶粒係安裝於一形成於該光導內之腔內。
  3. 如請求項1之裝置，其進一步包含面對該發光二極體晶粒的該第二表面之一反射器。
  4. 如請求項1之裝置，其進一步包含一子基板，該子基板具有銲接至該發光二極體晶粒的該等電性端子之電性端子。
  5. 如請求項4之裝置，其中該等液晶層延伸於該光導之一邊緣上，該裝置進一步包含一夾具，該夾具係附著於延伸於該光導的該邊緣上之該等液晶層之一部分，該夾具支撐該子基板。
  6. 如請求項4之裝置，其中該子基板之至少一部分處在介於該光導的該前部表面與該等液晶層的該後部表面之間的一平面內。
  7. 如請求項1之裝置，其進一步包含用以將光耦合進該光導之一或多個額外的覆晶發光二極體晶粒，其中該一或該等多個額外發光二極體晶粒係安裝於該LCD裝置內而接近該光導，該一或該等多個額外發光二極體之一底部表面具有電性端子，該一或該等多個額外發光二極體晶粒係安裝成使得該一或該等多個額外發光二極體之該底部表面實質上面對該第一方向。
  8. 如請求項1之裝置，其進一步包含接近該發光二極體晶粒而用以對該發光二極體晶粒所發射的該光進行色彩轉換以至於產生白色光之磷光體。
  9. 如請求項1之裝置，其進一步包含介於該光導與該等液晶層之間的一擴散器。
  10. 如請求項1之裝置，其進一步包含熱耦合至該發光二極體晶粒以從該發光二極體晶粒移除熱之一散熱片。
  11. 如請求項1之裝置，其進一步包含與該發光二極體晶粒的該第二表面相對之一可切換鏡，該可切換鏡可在一其中面對該發光二極體晶粒之該第二表面的該可切換鏡之一表面具有反射性之第一狀態與一其中該可切換鏡實質上係透明之第二狀態之間電性切換。
  12. 如請求項11之裝置，其進一步包含處於該可切換鏡之一光輸出側而用以修改該可切換鏡在該第二狀態中所透射光之一光圖案的集光元件。
  13. 如請求項11之裝置，其進一步包含一用以在該可切換鏡處於該第二狀態以在一數位相機中用作一閃光時向該發光二極體晶粒提供一電流脈衝之發光二極體驅動器。
  14. 如請求項13之裝置，其進一步包含一蜂巢式電話，該蜂巢式電話包含該LCD、該可切換鏡及一數位相機。
  15. 如請求項1之裝置，其中該發光二極體晶粒係安裝於該LCD上而不使用一印刷電路板。
  16. 如請求項1之裝置，其中該LCD之一總厚度小於約2mm。
  17. 如請求項1之裝置，其中該發光二極體晶粒發射藍色光。
  18. 如請求項1之裝置，其進一步包含電性耦合至該發光二極體晶粒之一發光二極體驅動器與電性耦合至該等液晶層之一LCD驅動器。
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