CN102067724B - 适合于交流驱动的发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件包括：第一共同电极(11；21)；构造的传导层(12；22)，形成相互电隔离的成组电极焊盘(14；24a，24b)；电介质层(13；23)，***于第一共同电极层(11；21)与构造的传导层(12；22)之间；第二共同电极(15；30)；以及多个发光元件(16；20a，20b)，各发光元件电连接于电极焊盘(14；24a，24b)之一与第二共同电极(15；30)之间以便与电容器(18；31)串联连接，该电容器包括：电极焊盘(14；24a，24b)之一、电介质层(13；23)和第一共同电极(11；21)。当在第一与第二共同电极之间施加交变电压时，将通过电容耦合(也提供限流)来向发光元件供电。在发光器件工作期间，在一个发光元件中的短路故障将仅影响连接到同一电容器的发光元件。另外，短路电流将受这一电容器限制。

Description

适合于交流驱动的发光器件
技术领域
本发明涉及一种具有适合于交流驱动的多个发光元件的发光器件和一种包括这样的发光器件的光源。
背景技术
在诸如发光二极管(LED)之类的固态光源的亮度、流明功效和可供应性上的显著进步实现不再限于狭小市场的新照明应用。LED赋予较传统光源而言的若干优点，比如寿命长、效率优、工作电压低、设计灵活、光谱颜色更纯、响应时间快。
出于这些和其它原因，LED变得越来越适合于制作诸如变色光源、聚光灯、LCD背光、建筑照明、舞台照明等的照明器件。
对于许多固态光源如有机LED(OLED)，利用在最优功效点的直流偏置来实现最高效操作。为求更高亮度水平，需要在这一点以上的偏置。可以用幅度调制(AM)或者用脉宽调制(PWM)控制亮度，其中使LED周期操作。通常应用PWM以在驱动器中实现低损耗并且允许***电源电压自由。
在一些应用中，需要覆盖更大表面的发光器件。于是许多LED并联连接于衬底上，或者在OLED的情况下形成覆盖大表面的一个或者多个OLED平铺块(tile)。当驱动这样的发光器件时，短路的出现变成问题，因为整个***短路并且在大短路电流的情况下并不发光。该电流也造成不希望的功率耗散和发热。
常规地，例如已经通过选择缺陷可能性充分低的OLED平铺块来解决这一问题。而且使用老化过程和反向偏置来减少和/或弥补短路的影响。然而由于需要大面积并且致力于产量充足的简单低成本技术而可能难以完全地避免在用于照明应用的OLED中出现短路。
美国专利7,025,473提出LED的交流驱动，其中两个LED与电容器反并行串联连接。在每个电流周期期间迫使有限数量的电荷经过LED从而造成闪光。这一电荷存储于电容器上，这使电流停止。电荷可用于下一周期重用。反并行二极管保证电荷的回流。在这一情况下保证全双相操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有多个发光元件的发光器件，其中在一个或者多个发光元件中出现的短路对性能的影响有限。
这一目的和其它目的由一种发光器件实现，该发光器件包括：第一共同电极；构造的传导层，形成相互电隔离的成组电极焊盘和包围电极焊盘的电极网；电介质层，***于第一共同电极层与构造的传导层之间；以及多个发光元件。各发光元件电连接于电极焊盘之一与第二共同电极之间以便与电容器串联连接，该电容器包括电极焊盘之一、电介质层和第一共同电极。
根据本发明，薄膜层(即微米级厚度)用来提供与发光元件如LED串联连接的电容器。***于两个传导层之间的电介质层用来在层之间产生电容耦合。层之一然后构造成焊盘从而形成多个独立连接的电容器。发光元件然后连接于焊盘与共同电极之间，从而各发光元件与电容器之一串联连接。
当在第一共同电极与第二共同电极之间施加交变电压时，将通过电容耦合(也提供限流)向发光元件供电。在发光器件工作期间，在一个发光元件中的短路故障将仅影响连接到同一电容器的发光元件。另外，短路电流将受这一电容器限制。
在每个周期对电容器进行充电/放电，因而不会出现电荷损失并且功率耗散小。任何短路峰值电流将在传导层中的电阻两端引起少量电阻功率损耗I2R。
各电容器的电容取决于电介质层的厚度、它的介电常数和各焊盘电极的面积。经过各电路的电流将取决于这一电容、施加的电压和频率。将典型材料和典型厚度用于电介质载体层，可以获得kHz级的适当频率。
本发明允许在焊盘与网相邻的地方连接发光元件，因此避免长的连接接线或者迹线。通过将连接接线或者接线保持为短，增加具体发光元件将在按照测量尺寸切割器件时活跃的可能性。
应当注意，一个或者多个发光元件可以连接到多个焊盘，每个这样的电极焊盘形成单独电容器的部分。这样的设计可以提供经济优点。
发光元件可以是发光二极管(包括半导体LED、小分子有机LED和聚合物有机LED)。在这一情况下，多个LED可以包括阴极连接到焊盘之一的第一组和阳极连接到焊盘之一的第二组。这样的设计将实现在施加正电压时激活一组LED而在施加负电压时激活另一组LED。这允许高效使用交变功率从而保证一组LED总是活跃。
各焊盘可以连接到成对反并行连接的LED，其中成对包括来自第一组的一个LED和来自第二组的一个LED。这将保证经过各电容器的交变电流高效地用来激活各种LED。
根据本发明的器件允许在发光元件中存在短路。关联的短路电流和光损耗将限于发光元件的一部分。这在发光元件的发光特性依赖于经过器件的电流，如它们为发光二极管时，是特别有利的。根据本发明的器件因此适合于具有由共同功率(电压)源驱动的多个LED的任何发光器件。具体例子为OLED应用，其中完全避免在有机层中存在短路是极为困难和高成本的。
在OLED应用的情况下，由第一共同电极、电介质层和焊盘形成的载体可以充当衬底，形成OLED的有机层沉积于该衬底上。有机层必须与焊盘对齐，从而一个OLED形成于各焊盘上面。另外，必须交替地布置多个OLED。在这一情况下，整个发光器件具有分层结构。
另外，在许多场合中希望按测量尺寸切割照明器件、即可以容易地更改它的尺寸和形状，因而它将适配于任何空间中并且它可以服务于诸多目的。在US 2005/0251698中描述了这样的照明器件的复杂例子。出于这一目的，载体包括由适合于切割的材料(例如通过形成适当材料和厚度的各层)形成的共同电极层、构造的电极层和电介质层。可以将包括传导层和中间电介质的整个载体按测量尺寸切割成任何形状和尺寸(甚至字母和数字)而不破坏电容耦合。
根据本发明的这一实施例，无需在现有技术的按测量尺寸切割的照明器件中所需要的跳线、通路、并行连接器等。因此易于成本高效地制造器件。
根据本发明的发光器件可以与小型低电压电源组合以形成可以在大量市场中大行其道的产品，比如招牌、室内建筑、学校、可佩戴的电子器件和光子纺织品。如果认为有利，则为了向灯给予某个光学功能，则它可以配备有诸如扩散器、透镜、校准器等具体光学部件。
发光器件在光源(即用来照亮物体或者环境的设备)中可能特别有用。
注意，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。
附图说明
现在参照示出了本发明当前优选实施例的附图更详细地描述本发明的这一方面和其它方面。
图1示出了现有技术的LED阵列的电路图。
图2a至图2c示出了制造根据本发明第一实施例的发光器件的各种步骤。
图3示出了图2c中的器件的电路图。
图4示出了根据本发明第二实施例的发光器件的示意透视图。
具体实施方式
图1示出了根据US 7,052,473连接的具有多个LED的适合于交流驱动的发光器件的电路图。电容器1各自与成对反并行LED 2串联连接。根据图1清楚：除了单个反平行连接的邻近LED之外，可以在不影响其它LED的功能的情况下从矩阵取出任何LED。然而由于各对LED需要它自己的成对功率接线，所以这对于具有大量LED的器件而言是一种困难和昂贵的方式。
现在将参照图2a至图2c描述制造根据本发明第一实施例的发光器件5的过程。
首先在图2a中，载体10由三层形成：第一传导层11、第二传导层12以及中间电介质层13。电介质层13可以具有介电常数高的薄膜层这一形式。可以使用常规的电路板制造技术来制造这一种载体10。载体10显然可以包括除了这三层之外的附加层，例如在载体需要结构强度的情况下的结构支撑层或者载体会受到物理应力时的保护壳层。
第一传导层11形成共同电极。如图2b中所示，使用常规技术如蚀刻来构造第二传导层12。将该层构造成相互隔离并且与周围电极网15隔离的多个电极焊盘14。在所示实施例中，焊盘各***完全包围，但是取而代之，两个或者更多焊盘被彼此相邻地分组，然后整组由网包围。然而如果各焊盘的边的至少部分沿着网延伸则是有利的。
在图2c中，发光元件16连接于各焊盘与网之间。在所示例子中，发光元件为发光二极管(LED)，并且成对LED 17a、17b并联连接于各电极焊盘14与网15之间。LED之一17a的阳极连接到焊盘14并且它的阴极连接到网15，而另一LED 17b的阴极连接到焊盘14并且它的阳极连接到网15。
各LED对17a、17b因此与由电极焊盘14之一、电介质层13和共同电极11形成的电容器18串联连接。换而言之，各焊盘形成单独电容器18的一个端子而该电容器具有与多个其它电容器一样的另一端子。
由于LED仅允许电流在一个方向上流动，所以如果仅一个LED与电容器串联连接则电路将不可工作。当然，它可以与任何其它类型的二极管或者甚至与电阻器并联连接，但是这样的设计将引起效率降低和附加成本。通过使用两个反并行LED，各LED将在交变功率源的各半周期期间生成光，并且基本上所有电流将有助于生成光。
当在底部传导层11与网15之间施加交变电压19时，交变电流将流过各电容器18并且将激活所有LED。由于LED的反并行连接，所以当电流在第一方向上流动时将激活第一组LED，而当电流在第二方向上流动时将激活第二组LED。
电容器将充当限流器，并且可以在不影响功能的情况下按测量尺寸切割载体。在图3中描绘了所得电路图。容易认识到的是，这一电路在功能上等效于图1中的电路。
流过LED的交变电流受电容器阻抗限制并且可以根据I＝U·2·л·f·C来计算，其中I为有效电流，U为有效电压，f为驱动频率，而C为各电容器的电容。电容C又将取决于各焊盘的面积、电介质层的厚度和电介质的介电常数。
为了保证令人满意的工作条件，必须针对预期电压电平获得充足电流。出于这一目的，各电容器18的电容和驱动频率必须与可用电压匹配以获得所需驱动电流。用于各电容器18的电容的预期值因此对于给定的电源电压将是在最小化短路电流与最大化光输出之间的折衷。
在常规电路板制造工艺中的典型厚度为10-50μm。使用相对介电常数(ε)约为3-6的并不昂贵的电介质材料，电容因此将相当低。例如假设典型驱动电压约为10V，将需要例如50-100kHz级的相对高驱动频率以获得例如每cm2约为0.3mA的充足的驱动电流。然而为求更高介电常数值、更高驱动电压和更大焊盘面积，可用电流成比例地增加。清楚的是，也可以施加诸如锯齿、方波等非正弦交流信号。
在D类放大器中常规使用的技术适合于这一目的。这样的放大器具有极高电效率并且颇为成本高效，因而它们很好地适合于充当用于这一按测量尺寸切割的灯的驱动器。
如提到的那样，发光元件16可以是半导体LED。取而代之，它们可以是有机LED。
在图4中图示了尤其适合于实施OLED的本发明的又一实施例，该图示出了两个反并行OLED 20a、20b。
如图4中所示，照明器件5’这里同样包括第一传导层21、第二传导层22以及中间电介质层23。然而第二传导层22在这里仅划分成焊盘24a、24b而无任何周围网。取而代之，焊盘24a、24b充当衬底，有机层26、27沉积于该衬底上以形成OLED 20a、20b。有机层通常包括空穴注入层26(例如PEDOT)和发光层27(例如PPV)。有机层26、27与焊盘对齐，从而一个OLED形成于各焊盘上面。在各OLED的上有机层27上面沉积最终传导层以形成二极管阴极28a、28b。
为了反并行连接两个OLED，也构造第一传导层21以形成在各对反并行OLED中的一个OLED之下延伸的电极25。例如，电极25可以在成行OLED之下延伸。另外，第一互连元件29被布置成将位于电极25上面的OLED的焊盘24a连接到另一OLED的上端子28b，而第二互连元件30被布置成将位于电极25上面的OLED的上端子28a连接到第二OLED的焊盘24b。结果是成对OLED以相反极性并联连接而与由焊盘24a与电极25之间的电介质层23形成的电容器31串联连接。
电压源32连接于形成第一共同电极的第一传导层21与形成第二共同电极的互连元件30之间。
在一个替代实施例中，构造电介质层23以便在仅一个二极管之下延伸。在这一情况下，传导层21无需构造成电极25。
在图4中所示实施例中，根据相同层沉积顺序，即与在层26上面的层27同时地构造两个二极管。在一个替代实施例中，有机层26和27以相反顺序沉积于焊盘24a和24b上。这可以通过充分的材料去除(蚀刻、烧蚀等)和材料沉积(印刷、旋涂、蒸发等)技术来完成。在这一情况下，无需互连元件29、30。另外，无需构造传导层21和电介质层23。
在小分子OLED技术中的实施方式也是可能的，其中层26和27为层的堆叠物所取代，该堆叠物通常包括与发射层组合的空穴-电子注入阻止层的组合。甚至单层解决方案也是可能的，其中层26、27组合于一层中，并且通过恰当选择材料嵌层22和28a、28b来获得二极管表现。
根据OLED层26中的预计短路可能性(有时称为每单位面积的OLED“短路密度”)，应当充分大地选择电容器的数目以允许非功能区的损耗最小。这将保证失效部分(连接到一个电容器的OLED)充分地小以免添加太多短路电流和以免光输出减少太多。例如，如果预计100次短路的给定OLED平铺块划分成1000个部分(对应于2000个‘像素’)，则该平铺块仍然按照它的最大性能的90％进行工作。
本领域技术人员认识到，本发明决不限于上述优选实施例。恰好相反，许多修改和变化在所附权利要求的范围内是可能的。例如可以修改电极焊盘的形状和布置以及可以修改发光元件的定向和分布。也注意，发光元件未必是发光二极管。恰好相反，各种发光元件可以适合于在根据本发明的发光器件中使用。最后应当注意，本发明也适用于交流电致发光(EL)***。

Claims (11)

1.一种发光器件(5，5’)，包括：
第一共同电极(11；21)，
构造的传导层(12；22)，形成相互电隔离的成组电极焊盘(14；24a，24b)和包围每个所述电极焊盘(14)的电极网(15)，
电介质层(13；23)，***于所述第一共同电极层(11；21)与所述构造的传导层(12；22)之间，
多个发光元件(16；20a，20b)，各发光元件电连接于所述电极焊盘(14；24a，24b)中的一个电极焊盘与所述电极网(15)之间以便与电容器(18；31)串联连接，所述电容器包括：
所述电极焊盘(14；24a，24b)中的所述一个电极焊盘，
所述电介质层(13；23)，以及
所述第一共同电极(11；21)。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述发光元件中的至少一个发光元件电连接于多个所述电极焊盘与所述第二共同电极之间，每个这样的电极焊盘形成单独电容器(18；31)的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的发光器件，其中所述第二传导层(12)被构造成使得各电极焊盘(14)的至少一部分与所述电极网(15)相邻。
4.根据任一前述权利要求所述的发光器件，其中各发光元件的第一端子连接到所述电极焊盘(14；24)中的一个电极焊盘而第二端子连接到所述电极网(15)以便与由所述电极焊盘中的所述一个电极焊盘、所述电介质层和所述共同电极形成的电容器(18；28)串联连接。
5.根据任一前述权利要求所述的发光器件，其中所述多个发光元件包括阳极连接到所述电极焊盘(14，24a)中的一个电极焊盘的第一组发光二极管(17a；20a)和阴极连接到所述电极焊盘(14；14b)中的一个电极焊盘的第二组发光二极管(17b；20b)。
6.根据权利要求5所述的发光器件，其中各电极焊盘连接到成对反并行连接的发光二极管(17a，17b；20a，20b)，所述成对包括来自所述第一组的一个发光元件和来自所述第二组的一个发光元件。
7.根据任一前述权利要求所述的发光器件，其中所述发光元件为有机发光二极管(OLED)。
8.根据权利要求7所述的发光器件，其中所述构造的传导层(12；22)充当衬底，形成所述OLED的有机层沉积于所述衬底上。
9.根据任一前述权利要求所述的发光器件，其中所述第一传导层(11；21)、所述构造的传导层(12；22)和所述电介质层(13；23)由适合于切割的材料形成以便形成按测量尺寸切割的发光器件。
10.根据任一前述权利要求所述的发光器件，还包括：交变电压电源(19；32)，其连接成在所述第一共同电极(11；21)与所述第二共同电极(15；30)之间提供交变电压。
11.一种光源，包括根据任一前述权利要求所述的发光器件。
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