Numerical and experimental analysis of KSF LED packages in a 65" ultra-thin LED TV

Abstract

Flat panel display technologies have been well developed over the last decade towards high-end products which have slimmer, higher brightness and wider color gamut (WCG) characteristics. These challenges led to a dramatic increase in power consumption and restricting mechanical design by affecting optical components and also limiting the volume for thermal design. At the present time, LED (light-emitting diodes) technology with some unique advantages such as long life time, high energy efficiency and high reliability is the most desirable solution to overcome the challenges in the high-end TV market. LED TV is a type of LCD (liquid crystal display) television and utilizes LEDs at the backlight in place of the conventional CCFLs (cold cathode fluorescent lights). A number of phosphor concentrations has been proposed for advanced LED TV systems. The LEDs doped with KSF (K2SiF6:Mn4+) phosphor have made a rapid penetration to the high-end TV market as a solution to meet the requirement of the wider color gamut. However, the light output of the KSF LEDs is approximately 15% lower than conventional LEDs. Hence, high brightness expectation of the TV must be met by increasing the power consumption of the TV. Considering the thermal sensitivity of a typical KSF phosphor with a high power consumption, the key point is to identify the thermal performance of optical and mechanical components with an optimal LED type to design a thermally and optically stable TV system. This study focuses on investigating thermal and optical effects of the various LEDs doped with KSF in a 65” LED TV with computational thermal models and experimental studies. The low inner volume and complex geometry of a TV poses crucial challenges to overcome that has been the main focus of this study. Modeling is initiated with geometry idealizations, and an analytical model (1D resistance network) is established to find out the total thermal resistance to obtain the least thermal resistance in the TV system. CFD (computational fluid dynamics) simulations with a commercial software, Ansys Icepak, have been created to determine 3D heat transfer behavior. Furthermore, the LED junction temperature and the temperature distribution on the LCD surface are predicted with computational models. In the experimental study, the validation of thermal models is investigated with thermal measurements and the optical performances of the TV system for various LEDs are determined with optical measurements. Finally, the thermal and the optical performances of different LED chips are compared with each other.

Düz ekran teknolojileri, son on yılda daha ince, daha yüksek parlaklığa sahip ve daha geniş renk gamlı (WCG) yüksek kaliteli ürünlere doğru evrilmektedir. Bu zorlayıcı özellikler, güç tüketiminde dramatik bir yükselmeye sebep olur ve optik komponentleri etkileyerek mekanik tasarıma ve termal tasarıma kısıtlar getirir. Günümüzde, uzun ömür, enerji verimliliği ve yüksek güvenilirlik gibi avantajlara sahip olan LED (ışık yayan diyotlar) teknolojisi, üst düzey TV pazarındaki zorlukların üstesinden gelmek için en cazip çözümdür. LED TV’ler LCD televizyonun bir türüdür ve arka aydınlatma biriminde geleneksel CCFL (floresan lamba) yerine LED’ler kullanılır. Gelişmiş LED TV sistemleri için çeşitli fosfor konsantirasyonları önerilmektedir. KSF (K2SiF6:Mn4+) fosfor katkılı LED’ler ise daha geniş renk gamı ihtiyacına karşı bir çözüm olarak üst seviye TV pazarına hızlı bir giriş yapmıştır, fakat KSF katkılı LED’lerin aydınlatma gücü geleneksel LED’lere göre yaklaşık %15 daha düşüktür. Dolayısıyla, TV’nin yüksek parlaklık özelliğini karşılamak için TV’nin güç tüketimini arttırmak gerekmektedir. KSF fosforun termal hassasiyeti ve sebep olduğu yüksek güç tüketimi de dikkate alındığında, belirlenen optimum LED tipleri ile termal ve optik olarak stabil bir televizyon sistemi tasarlamak için optik ve mekanik komponentlerin termal performansını ortaya koymak kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada KSF katkılı LED’lerin bir 65” TV içerisindeki termal ve optik performansının hesaplamalı termal modeller ve deneysel çalışmalar ile araştırılmasına odaklanılmıştır. Bu kapsamda üstesinden gelinmesi gereken zorluklar TV’nin dar iç hacmi ve karmaşık bir geometriye sahip olmasıdır. Modelleme çalışmaları TV geometrisinin basitleştirilmesi ile başlatılmıştır ve sonrasında sistemin toplam termal direncini ve etkin termal direncini bulmak için bir analitik model (bir boyutlu) kurulmuştur. Üç boyutta ısı transfer davranışını belirleyebilmek için ise Ansys Icepak programını kullanarak CFD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) simülasyonu oluşturulmuştur. Bu CFD modeli ile LED’lerin bağlantı noktası sıcaklıkları ve LCD yüzeyindeki sıcaklık dağılımlarının bulunması öngörülmüştür. Deneysel bölümde ise termal ölçümler ile termal modellerin doğrulama çalışmaları araştırılıyor ve optik ölçümler alınarak TV’nin optik performası çeşitli LED’ler için kontrol ediliyor. Son olarak farklı tip LED çiplerinin TV sistemi içerisindeki termal ve optik performansları kıyaslanıyor.