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CN110828645B - 一种发光元件、背光模组和显示装置 - Google Patents

一种发光元件、背光模组和显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供一种发光元件、背光模组和显示装置，涉及光电器件领域，能够降低全发射造成的出射光线损失，提高发光元件的出光效率。发光元件包括：光学芯片以阵列方式设置于基板上；保护层覆盖所述光源芯片；在保护层的出光面上，相邻的光源芯片之间设置有凹槽；凹槽的开口方向朝向保护层的出光方向；所述凹槽的形状使得其槽壁能够将所述光源芯片发射至所述凹槽的槽壁上的光线折射至受激发光层；所述受激发光层设置于所述保护层的出光面上，所述受激发光层受所述光源芯片发出的光线的激发而发光。

Description

一种发光元件、背光模组和显示装置
技术领域
本发明涉及光电器件领域，尤其涉及一种发光元件、背光模组和显示装置。
背景技术
Mini-LED(英文全称：Mini-Light Emitting Diode)的芯片大小介于100-200μm之间，Mini LED用于直下式设计，可做成区域调光，将比一般侧光式背光源芯片具备更好的透光均匀度以及较高的对比度和更多明暗细节；Mini LED背光电视LED间距小，混光均匀，可以去除厚重的传统电视背光膜片，降低混光距离，实现超薄模组设计，可以媲美OLED的厚度。
LED芯片一般需要一定的封装保护起来，避免脏污及损害等。如图1所示，一种典型的封装方式为：LED芯片11阵列式分布在基板12上，然后在基板12上涂覆覆盖LED芯片11的透明涂层13，并在透明涂层13上封装包含荧光粉(或者量子点材料)的光学膜片14，光学膜片14的出光侧设置有其他光学膜片15。用于保护和支撑光学膜片的透明涂层13一般为环氧树脂或者硅胶，折射率在1.4～1.5之间，LED芯片发出的光线经透明涂层出射至光学膜片时，从光密介质进入光疏介质，大角度光线会发生全反射，而大角度光线大部分照射在LED芯片与LED芯片交界的地方，因而会导致背光的亮暗不均，LED芯片与LED芯片交界偏暗，影响了两颗LED芯片交界处对应位置的亮度以及出光效率。
发明内容
本发明的实施例提供一种发光元件、背光模组和显示装置，能够降低全发射造成的出射光线损失，提高发光元件的出光效率。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供一种发光元件，包括：光源芯片、保护层以及受激发光层；
所述光源芯片以阵列方式设置于基板上；
所述保护层覆盖所述光源芯片；其中，在所述保护层的出光面上，相邻的光源芯片之间设置有凹槽；其中，所述凹槽的形状使得其槽壁能够将所述光源芯片发射至所述凹槽的槽壁上的光线折射至受激发光层；
所述受激发光层设置于所述保护层的出光面上，所述受激发光层受所述光源芯片发出的光线的激发而发光。
第二方面，提供一种背光模组，包括
背板；
背光源，所述背光源设置在所述背板上，所述背光源包括上述的发光元件。
第三方面，提供一种显示装置，包括上述的背光模组。
上述方案中提供的发光元件包含：光源芯片以阵列方式设置于基板上；保护层覆盖光源芯片；其中，在保护层的出光面上，相邻的光源芯片之间设置凹槽；所述凹槽的形状使得其槽壁能够将所述光源芯片发射至所述凹槽的槽壁上的光线折射至受激发光层；所述受激发光层设置于所述保护层的出光面上，所述受激发光层受所述光源芯片发出的光线的激发而发光。由于光源芯片发出的大角度光线可以照射至凹槽的槽壁上，而由于凹槽能够将大角度光线折射至发光层，因此避免了大角度光线在保护层的出射面发生全反射，因此能够降低全发射造成的出射光线损失，提高发光元件的出光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种发光元件的结构示意图；
图2为本发明的实施例提供的一种发光元件的结构示意图；
图3为本发明的如图2所示的发光元件的俯视结构示意图；
图4为本发明的另一实施例提供的一种发光元件的结构示意图；
图5为本发明的实施例提供一种背光模组的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
直下式设计的背光模组中，采用阵列式分布的Mini LED作为光源芯片，可以去除厚重的传统电视背光膜片，降低混光距离，实现超薄模组设计，可以媲美OLED的厚度。然而，LED芯片的封装方式可能会影响两颗LED芯片交界处对应位置的亮度以及出光效率。如图1所示，LED芯片11阵列式分布在基板12上，然后在基板12上涂覆覆盖LED芯片11的透明涂层13，并在透明涂层13上封装包含荧光粉(或者量子点材料)的光学膜片14，光学膜片14的出光面上设置其他光学膜片15。用于保护和支撑光学膜片的透明涂层13一般为环氧树脂或者硅胶，折射率在1.4～1.5之间，LED芯片发出的光线经透明涂层出射至光学膜片时，从光密介质进入光疏介质，大角度光线会发生全反射，例如，光线从光密介质进入光疏介质发生全反射的临界角θ为：θ＝arcsin(1/n)。示例性的，透明涂层的折射率取1.45，则θ＝43.6°。LED芯片的发光角度范围为±90°，而绝对值大于43.6°的光线会发生全反射不能出射，或者多次反射后出射，而绝对值大于43.6°的大角度光线大部分照射在LED芯片与LED芯片交界的地方，因而会导致背光的亮暗不均，LED芯片与LED芯片交界偏暗，这影响了两颗LED芯片交界处对应位置的亮度以及出光效率。
针对上述技术问题，本发明的实施例提供一种发光元件，参照图2、3所示，包括：
光源芯片21、保护层22以及受激发光层23；
光源芯片21以阵列方式设置于基板24上；
保护层22覆盖光源芯片21；其中，在保护层的出光面上，相邻的光源芯片21之间设置有凹槽221；其中，凹槽221的开口方向朝向保护层22的出光方向；凹槽221内部镂空，凹槽221的形状使得其槽壁能够将光源芯片21发射至凹槽221的槽壁2211上的光线折射至受激发光层23；
受激发光层23设置于保护层22的出光面上，受激发光层23受光源芯片21发出的光线的激发而发光。
需要说明的是，光源芯片21可以为LED芯片，例如mini LED芯片，其额定电压为3V左右，工作电流20-50mA；mini LED芯片的尺寸一般控制在100-200μm，一个典型的mini LED芯片的尺寸为长(200μm)*宽(100μm)*高(80μm)；基板24可以采用铝基板，受激发光层23包含量子点材料或荧光材料。采用蓝光或紫光LED芯片，例如光源芯片产生蓝光，受激发光层23包含的量子点材料为红绿量子点混合材料，示例性的，LED芯片发出蓝光时，蓝光的峰值波长在440nm～470nm范围；蓝光激发红色量子点材料发出峰值波长在610nm～650nm范围的红色光线；蓝光激发绿色量子点材料发出峰值波长在520nm～550nm范围的绿色光线；这样通过红绿蓝三原色混色形成混合光，例如：白光；或者，光源产生紫外光，受激发光层23包含的量子点材料为红绿蓝量子点混合材料，其量子点材料混合在胶体(如环氧树脂)中，涂布在保护层22的出光侧。保护层22可以采用透明胶体，其作用为保护光源芯片21，其一般采用透光性较好可固化的材质，如环氧树脂等；此外，在受激发光层23的出光面还可以设置有其他功能的光学膜片，例如保护受激发光层23的透明涂层、偏光片等等。
上述方案中提供的发光元件包含：光源芯片以阵列方式设置于基板上，光源芯片用于发射预定范围波长的光线；保护层覆盖光源芯片；其中，在保护层的出光面上，相邻的光源芯片之间设置有凹槽；其中，所述凹槽的形状使得其槽壁能够将所述光源芯片发射至所述凹槽的槽壁上的光线折射至受激发光层；所述受激发光层设置于所述保护层的出光面上，所述受激发光层受所述光源芯片发出的光线的激发而发光。由于光源芯片发出的大角度光线可以照射至凹槽的槽壁上，而由于凹槽能够将大角度光线折射至发光层，因此避免了大角度光线在保护层的出射面发生全反射，因此能够降低全发射造成的出射光线损失，提高发光元件的出光效率。
如图3所示，光源芯片按照行列方式分布，为提高发光元件的受激发光层激发的光线的均匀性，相邻的两行光源芯片21关于相邻的两行光源芯片21之间横向延伸的凹槽221-a对称。相邻的两列光源芯片21关于相邻的两列光源芯片21之间竖向延伸的凹槽221-b对称。其中，参照图3所示，凹槽221-a的两个槽壁所在的截面与凹槽221-a横向延伸的方向垂直，凹槽221-b的两个槽壁所在的截面与凹槽221-b竖向延伸的方向垂直，横向延伸的方向与竖向延伸的方向相互垂直，并且横向延伸的方向与光源芯片行向排列的方向平行；竖向延伸的方向与光源芯片列向排列的方向平行。
如图2所示，P表示LED芯片与LED芯片之间的距离，凹槽221关于P的中线对称。
参照图2所示，提供一种发光元件的截面局部示意图，凹槽221的截面呈倒锥形。凹槽221的两个槽壁(2211、2212)的倾斜角度α的取值范围为[41.8°，45.6°]。其中α为凹槽221的两个槽壁(2211、2212)与竖直方向的夹角，当然，凹槽221的两个槽壁(2211、2212)与竖直方向的夹角可以相等或不相等。
参照图2所示，保护层22的出光面包括倒锥形的凹槽221和平面222，凹槽221设置在LED芯片与LED芯片交界的位置，平面222设置在LED芯片正上方的位置。
θ为光线从光密介质(保护层22)进入光疏介质(凹槽221内部)发生全反射的临界角，θ＝arcsin(1/n)。参照图2所示，α为设置的倒锥形的凹槽的槽壁与竖直方向的夹角。那么一条光线的出射角度θ1大于临界角θ，若在保护层22的顶部平面222出射，则光线发生全反射无法出射。如图2所示，然而本发明的实施中设置倒锥形的凹槽后，则出射角度为θ1的光线，照射在倒锥形的凹槽的槽壁上，发生折射时，光线的入射角度发生改变，由原来的θ1变为Φ，Φ＝θ1-(90°-α)，那么满足：
Φ＝θ1+α-90°≤arcsin(1/n)＝θ。
如图2，在折射面(槽壁2211)的入射角为Φ。保护层22一般为环氧树脂或者硅胶，折射率在1.4～1.5之间，那么全反射临界角的范围为：41.8°＜θ＜45.6。为了保证所有的光线能够都出射，需要使得θ≤θ1≤90°的光线照射在倒锥形的凹槽的槽壁2211上，θ1＜θ的光线照射在保护层22的平面222上。并且为了避免光线从槽壁2211出射后，再照射在槽壁2212上，倒锥形的凹槽的槽壁与竖直方向的夹角越大越好，示例性的：
考虑极限情况，当θ1＝90°的时候，凹槽为矩形槽，槽壁2211和槽壁2212均与竖直方向平行，则90°-(90°-α)＝θ，即α＝θ，由于41.8°＜θ＜45.6°；所以α的取值范围为41.8°≤θ≤45.6°。
深度H-h2≤h1＜H，其中H为LED芯片的发光面到保护层22最顶部的距离，h2为LED芯片的高度，h1为倒锥形的凹槽的深度。
另外，参照图4所示，提供一种发光元件的截面示意图，凹槽221的截面呈圆弧形。示例性的，凹槽221的截面可以为半圆弧，可以理解的是，光线照射至圆弧形的凹槽的槽壁时，光线入射的法线角度(β)是随LED芯片发出的光线的出射角度不断变化的。并且随着LED芯片发出的光线的角度变大，光线传递至圆弧形的凹槽的槽壁入射角度Φ逐渐变大，因此只要保证LED发出的光线的角度最大(90°)时，光线传递至圆弧形的凹槽的槽壁入射角度Φ小于临界角θ，则可以保证LED发出的光线均可以被凹槽的槽壁折射。如图4所示，出射角度为θ2＝90°的光线，照射在凹槽的槽壁上，发生折射时，光线的入射角度发生改变，由原来的θ2变为Φ，Φ＝90°-β，其中β为入射面法线与竖直方向的夹角，因此只要满足：
h1≥(H-h2)/cosβ，即圆弧的半径足够大即可保证光线在凹槽的槽壁发生折射。其中H为LED芯片的发光面到保护层22最顶部的距离，h2为LED芯片的高度，h1为半圆弧凹槽的半径。
参照图5所示，本发明的实施例提供一种背光模组，包括：背板51；
背光源52，所述背光源52设置在所述背板51上，所述背光源52包括上述的发光元件。
本发明的实施例提供一种显示装置，包括上述的背光模组。其中背光模组的出光侧设置有液晶显示面板。该显示装置可以为电子纸、手机、电视、数码相框等等显示设备。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种发光元件，其特征在于，包括：光源芯片、保护层以及受激发光层；
所述光源芯片以阵列方式设置于基板上；
所述保护层覆盖所述光源芯片；其中，在所述保护层的出光面上，相邻的光源芯片之间设置有凹槽；其中，所述凹槽的形状使得其槽壁能够将所述光源芯片发射至所述凹槽的槽壁上的光线折射至受激发光层；
所述受激发光层设置于所述保护层的出光面上，所述受激发光层受所述光源芯片发出的光线的激发而发光；
所述凹槽的截面呈倒锥形；其中，所述凹槽的两个槽壁的倾斜角度的取值范围为[41.8°，45.6°]；所述倒锥形的深度小于所述基板的上表面到所述保护层最顶部的距离，并且不小于所述基板的上表面到所述保护层最顶部的距离减去所述光源芯片的厚度后得到的高度。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述光源芯片按照行列方式分布，相邻的两行所述光源芯片关于所述相邻的两行光源芯片之间横向延伸的凹槽对称；相邻的两列所述光源芯片关于所述相邻的两列光源芯片之间竖向延伸的凹槽对称。
3.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述受激发光层包含量子点材料或荧光材料。
4.根据权利要求1-3任一项所述的发光元件，其特征在于，所述光源芯片的尺寸为100-200μm。
5.一种背光模组，其特征在于，包括：
背板；
背光源，所述背光源设置在所述背板上，所述背光源包括权利要求1-4任一项所述的发光元件。
6.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求5所述的背光模组。
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