Development of various corner-lit backlighting concepts in an advanced smart LED TV

Abstract

CCFL (Cold Cathode Florescent Lamp) based LCD (Liquid Crystal Display) TVs are replaced by Smart LED TVs with the help of recent improvements of the LED (Light Emitting Diode), electronics and information technologies. Electronics and LED improvements make connected, slimmer, fancy looking, wide color gamut, high luminance and energy efficient TV design possible. Optical design parameters are totally changed with LEDs' directional light emission. The efficacy improvement of LED chips helps decrease the number of LEDs and power consumption in the BLU (Backlight Unit) of the LED TVs. More than 50% of the TV power is consumed by the BLU. In addition to power consumption, manufacturability and cost level of TVs also highly depend on the BLU. Therefore LED structure of the TV takes a very important role in efficient TV design. The key point in decreasing the power consumption, cost level and manufacturability difficulty is decreasing the number of LEDs. In conventional BLUs, LEDs are placed at the four edges of the TV. However, the current LED placement technique has reached its limits. It is not easy to decrease the number of LEDs without any visual defect. Therefore, a new design concept should be studied. The corner placed LED (corner-lit) structure is the main focus of this study. There are optical and thermal design obstacles to overcome in this concept. The light distribution of the LEDs which are located at a specific point of the system is the most critical parameter in terms of optical design. In addition, the cooling mechanism of the high power LEDs in a small volume closure which allows only thermal conduction is the bottleneck in terms of thermal management.

Son yıllarda elektronik, bilgi işlem ve LED teknolojilerinde yapılan gelişmeler sayesinde Akıllı LED TV'ler CCFL (Floresan Lamba) bazlı LCD TV'lerin yerini aldılar. Internet bağlantılı, ince, şık görünümlü, geniş renk gamına sahip ve parlaklığı yüksek TV tasarımlarını LED ve elektronik alanındaki ilerlemeler mümkün kılmaktadır. Işık kaynağının CCFL'den LED'e geçmesi ile ışık emisyonu tek yönlü hale gelmiş ve tüm optik tasarım parametrelerini değiştirmiştir. LED'lerin verimliliğinin zaman içerisinde artaması ile birlikte LED TV arkaışık ünitesi tasarımlarında kullanılan LED sayısı azalmış ve güç tüketim miktarı da düşmüştür. TV güç tüketiminin % 50'sinden fazlasını arkaışık ünitesinin oluşturduğu düşünüldüğünde bu tasarımların önemi ortaya çıkmaktadır. Güç tüketimine ek olarak LED TV'lerin üretim zorluk seviyesi ve maliyet yapısı büyük oranda arkaışık ünitesi ile bağıntılıdır. Bu sebeplerden dolayı TV'lerde kullanılan LED yapıları verimlilikleri üzerinde önemli rol oynamaktadır. Güç tüketimi, maliyet ve üretim zorluğunun azaltılmasında tasarımdaki kilit nokta LED sayısının azaltılmasıdır. Marketlerde bulunan standart LED TV'lerin arkaışık ünitelerinde LED'ler dört kenara dizilmektedir. Fakat, mevcut kenara dizme yöntemi tasarımsal olarak limitlere ulaşmıştır. Herhangi bir görsel problem yaratmadan LED sayısını azaltabilmek çok zordur. Bu sebeple yeni bir tasarım konsepti üzerine çalışılması gerekmektedir. Köşeye yerleştirilmiş LED'ler ile oluşturulacak arkaışık ünitesi bu çalışmanın ana odağıdır. Bu arkaışık ünitesi konseptinde üzerine çalışma yapılıp çözülmesi gereken termal ve optik tasarım zorlukları bulunmaktadır. TV'nin köşe noktasına yerleştirilmiş olan LED'lerin arkaışık ünitesi içerisinde eş dağılım koşullarını sağlayabilmesi optik tasarım açısından en kritik noktadır. Köşe noktaya yerleştirilen yüksek güç tüketimli LED'lerin, kapalı ve küçük bir hacim içerisinde bulunmasından dolayı sadece ısıl iletim ile soğutulabilmesi de termal tasarım açısından zorluk yaratmaktadır.