LC-Displays Neue Konzepte für die Hinterleuchtung

Die Hinterleuchtung von LC-Panels mit LEDs erfordert zusätzlich optische Elemente, die für eine möglichst gleichmäßige Lichtverteilung sorgen sollen. Bei der Verwendung von RGB-LEDs muss darüber hinaus auch die Farbmischung im Raum hinter dem Panel möglichst homogen sein. Zwei neue Konzepte könnten den bisher erforderlichen hohen Aufwand deutlich reduziereren: gefaltete Lichtführung und Quantenpunkte.

Quantenpunkte sind mesoskopische Systeme aus den unterschiedlichsten Materialien, deren Atome in kristalliner oder auch ungeordneter Form vorliegen können. Ihr wesentliches Merkmal ist ihre Größe, die etwa dem Abstand mehrerer Atome im Kristallgitter entspricht. Durch die räumliche Begrenzung definiert der Quantenpunkt für die darin enthaltenen freien Elektronen einen quantenmechanischen Potenzialtopf, d.h. die Elektronen können nur ganz bestimmte Zustände einnehmen.

Die Energieniveaus dieser Zustände aber werden von den Dimensionen des Quantenpunktes bestimmt; auf diese Weise können verschiedene Quantenpunkte aus dem gleichen Material, wenn sie denn unterschiedlich groß sind, durchaus verschiedene Absorptions- und Emissionsspektren zeigen, da diese Prozesse durch den Abstand der elektronischen Energieniveaus bestimmt sind.

Die Firma nanosys bietet unter dem Namen QDEF (Quantum Dot Enhancement Film) Folien für die LC-Panel-Hinterleuchtung mit LEDs an, die für beliebige Bildschirmgrößen geliefert werden können. Diese Folien ersetzen die üblichen Diffusoren und erzeugen gleichzeitig das gewünschte Farbspektrum; allerdings sind sie etwas dicker als die Diffusor-Folien (Bild 1).

Die QuantumRail-Elemente von Nanosys werden zwischen die LEDs und die Lichtleiter gesetzt und vergrößern den Gamut des Lichts, mit dem das LC-Panel durchstrahlt wird. Bei den dafür verwendeten Quantenpunkt-Phosphoren handelt es sich um Kristallite, deren räumliche Ausdehnungen kleiner sind als die eines Virus. Die Quantenpunkte konvertieren etwa das Licht einer blau strahlenden GaN-LED in unterschiedliche Wellenlängen, die von der Größe des Quantenpunktes abhängen: je größer die Abmessungen, desto größer die Wellenlänge.

Mit einer bestimmten Größenverteilung der Quantenpunkte kann das resultierende Spektrum eingestellt werden. Damit lässt sich die Hinterleuchtung eines LC-Bildschirms an die Farbfilter des LC-Panels anpasssen.

Farbmischer mit geringer Bauhöhe

Mit einer gefalteten Lichtführung lösen sich viele Probleme, die bei der Hinterleuchtung mit LEDs auftreten. So gelingt trotz einer geringen Bauhöhe eine gute Mischung der Lichtfarben und die gesamte Rückwand kann für die Kühlung der LEDs genutzt werden. Das zentrale Bauelement des FMLG-Hinterleuchtungskonzeptes (Folded Mixing Light Guide) des LED-Herstellers Lumileds ist ein Spiegel, der das Licht um 180 Grad umlenkt (Bild 2).

Damit wird die Faltung des lichtführenden Elements (Light Guide) möglich, was die Bauhöhe der Hinterleuchtung reduziert. Vor dem 180-Grad-Spiegel wird das Licht der verschiedenfarbigen LEDs (RGB) gemischt; dabei ist jede LED mit einer „Extraktionsoptik“ ausgestattet, im Wesentlichen ein 90-Grad-Spiegel.

In dem vergleichsweise langen Strahlengang werden die verschiedenen Anteile durch die Mehrfachreflexionen an den Grenzflächen der Lichtführung zu einem räumlich homogenen Weißlichtfeld gemischt, dessen Farbtemperatur sich über die Regulierung des von den LEDs abgegebenen Lichtstroms gezielt einstellen lässt.