TWI513358B - 適用於交流驅動的發光裝置 - Google Patents

Description

適用於交流驅動的發光裝置

本發明涉及具有複數個適用於交流驅動的發光元件之一發光裝置，及包括此一發光裝置之一照明器具。

固態光源諸如發光二極體(LED)的亮度、流明效率及經濟性上的驚人進步使得新照明應用不再受限於利基市場。LED提供若干個超越傳統光源的優點，諸如長壽命、較高效率、低工作電壓、撓性設計、更純光譜色、快速回應時間。

由於此等及其他原因，LED變得越來越適合於製造照明裝置，例如變色照明器具、聚光燈、LCD背光、建築照明、舞臺照明等。

對於很多固態光源(諸如有機LED(OLED))，最有效操作係以在最佳效能點的DC偏壓而達成。對於更高亮度位準，需要在此點上偏壓。在LED為作用時間循環情況下，亮度可藉由調幅(AM)或藉由脈衝寬度調變(PWM)予以控制。通常PWM應用於驅動器中低損耗，並容許系統供應電壓的自由度。

在一些應用中，需要覆蓋一較大表面的發光裝置。許多LED其後在一基板上並聯連接，或若是OLED，形成覆蓋一大表面的一個或若干個OLED發光塊。當驅動此發光裝置時，短路的發生變成一個問題，因整個系統為短路且若是一大短路電流時不發出光。該電流亦導致不希望的功率消耗及發熱性。

習知地，此問題已藉由例如選擇具有一足夠低之缺陷機會的OLED發光塊而解決。預燒程序及反向偏壓亦用於減少及/或解決短路效應。然而，對於發光應用，OLED中短路的發生難以完全地避免，因為需要大的區域及爭取具有足夠良率的簡單低成本技術。

美國專利第7,052,473號提出LED的交流驅動，其具有與一電容器反平行串聯的兩個LED。在每個電流循環期間，強迫一有限的電荷量通過LED而導致一閃光。此電荷儲存在該電容器上，其阻止該電流。該電荷可用於下一循環以被再次使用。該反平行二極體確保該電荷的回流。在此情況下，確定雙相操作。

本發明的一目的是提供具有複數個發光元件的一發光裝置，其中發生在一個或若干個該等發光元件中的短路對效能具有有限的影響。

此及其他目的係藉由一發光裝置達成，該發光裝置包括：一第一共通電極；一結構化導電層，其形成一組彼此電隔離的電極襯墊；一介電層，其介於該第一共通電極層與該結構化導電層之間；一第二共通電極；及複數個發光元件。每個發光元件係被電連接於該等電極襯墊之一者與該第二共通電極之間，以便與一電容器串聯連接，該電容器包括該等電極襯墊之一者、該介電層及該第一共通電極。

根據本發明，一薄膜層(亦即，微米量級厚度)用於提供與該等發光元件(例如LED)串聯連接的電容器。介於兩個導電層之間的該介電層用於在該等層之間建立一電容耦合。該等層之一者其後結構化成襯墊，形成複數個獨立連接的電容器。該等發光元件其後係被連接於該等襯墊與一共通電極之間，致使每個發光元件與該等電容器之一者串聯連接。

當施加一交流電壓於第一與第二共通電極之間時，將透過一電容耦合對該等發光元件供電，亦提供電流限制。在該發光元件的操作期間，一發光元件中的一短路故障將僅影響連接至同一電容器的發光元件。進一步言之，該短路電流將受此電容器限制。

該等電容器在每一循環中充電/放電，因此無損耗電荷發生且功率耗散小。任何短峰值電流將跨該導電層中之該電阻導入小電阻性功率耗損I² R。

每個電容器的電容係由該介電層的厚度、其介電常數及每個襯墊電極的面積決定。通過每個電路的電流將由此電容、該施加的電壓及頻率決定。使用用於一介電載體層的典型材料及典型厚度，可獲得一kHz量級的適當頻率。

應注意，一個或若干個該等發光元件可連接至多於一個襯墊，每個此電極襯墊形成一單獨電容器之一部分。此一設計可提供經濟優勢。

該第二共通電極可包括圍繞該等電極襯墊之一個電極網格。在此情況下，每個電極襯墊之至少一部分可接近該電極網格。舉例言之，每個襯墊或襯墊組可由該網格圍繞。此容許該等發光元件的連接在該襯墊接近該網格的地方，因此避免長連接線或跡線。藉由保持該等連接線或跡線短，當該裝置係按量度切割(cut to measure)時，一特定發光元件將為有效的機會增加。

該等發光元件可為發光二極體，其包含半導體LED、小分子有機LED及高分子有機LED。在此情況下，複數個LED可包含一第一組，其具有一連接至該等襯墊之一者之陰極及一第二組，其具有一連接至該等襯墊之一者之陽極。此一設計將使得當施加一正電壓時，啟動一組的LED，及當施加一負電壓時，啟動另一組的LED。此容許有效使用交流電源，確保一組LED總是在作用中。

每個襯墊可連接至一對反平行連接的LED，該對包含來自該第一組的一個LED及來自該第二組的一個LED。此將確保通過每個電容器的該交流電流有效地用於啟動不同LED。

根據本發明之一裝置容許該等發光元件中存在短路。關聯的短路電流及光的損耗將限於發光元件的一部分。當該等發光元件使其等發光特徵取決於通過裝置(諸如發光二極體)的電流時，此尤其有利。根據本發明之一裝置因此適合於任一發光裝置，該發光裝置具有複數個藉由一共通電(電壓)源驅動的LED。一特定實例是OLED應用，其中完全地避免有機層中短路的存在係極其困難且昂貴的。

若為一OLED應用，藉由該第一共通電極、介電層及襯墊形成的該載體可充當一基板，形成該等OLED的有機層可沈積在其上。該等有機層必須與該等襯墊對準，致使一個OLED形成在每個襯墊之頂部上。進一步言之，該等OLED的極性必須為交替配置。在此情況下，該整個發光裝置具有一層狀結構。

進一步言之，在許多場合中，需要將一照明裝置按量度切割，亦即可容易地改變其大小及形狀，因此其將適合任何房間且其可用於很多目的。此一照明裝置的一綜合實例描述在US 2005/0251698中。為此目的，該載體由該共通電極層組成，該結構化電極層及該介電層藉由適用於切割的材料形成，例如藉由形成適當材料及厚度的該等不同層。整個載體(包括該等導電層及中間介電)可按量度切割為任何形狀及大小，甚至字母及數字，而不損壞該電容耦合性。

根據本發明的此實施例，不需要先前技術之按量度切割之照明裝置中必需的跨接線、通道、並行連接器等。該裝置因此易於按成本效益地製造。

根據本發明之一發光裝置可與一小低電壓電源供應器組合以形成一產品，其可應用於許多市場，諸如招牌、室內建築、學校、可穿戴的電子及光子紡織品。如果認為有利，為了對燈提供某一光學功能性，其可裝備有特定光學組件諸如擴散器、透鏡、瞄準儀等。

該發光裝置可為特定用於一照明器具中，亦即意欲照明一物體或一圍繞物之一裝置。

注意本發明涉及技術方案中敘述的功能的所有可能組合。

本發明的此及其他態樣，現將參考顯示本發明的一當前較佳實施例的附屬圖式更詳細描述。

圖1顯示適用於交流驅動的一發光裝置的一電路圖，其具有根據US 7,052,473連接的複數個LED。電容器1各自與一對反平行LED 2串聯連接。自圖1可見，任一LED可拿出矩陣外，而不影響其他LED的功能，除單個反平行連接的相鄰LED之外。然而，因為每對LED需要擁有其自己的電源線對，對於一具有很多LED的裝置，此為一困難且昂貴的方法。

根據本發明的一第一實施例，現將參考圖2a-c描述製造一發光裝置5的程序。

首先，圖2a中，一載體10係藉由三層形成：一第一及第二導電層11、12及一中間介電層13。該介電層13可具有一薄膜層的形狀，該薄膜層具有高介電常數。此類型的一載體10可使用用於製造電路板之習知技術予以製造。該載體10明顯可包括除此等三個層之外的額外層，舉例言之在該載體需要支撐強度情況下之一結構支撐層，或如果該載體可暴露於物理應力之一保護覆蓋層。

該第一導電層11形成一共通電極。如圖2b中繪示，該第二導電層12使用一習知技術諸如蝕刻而結構化。該層結構化為複數個電極襯墊14，該等電極襯墊14自彼此且自一圍繞電極網格15隔離。在繪示的實施例中，該等襯墊為各自藉由網格完全圍繞，但另一選擇為，兩個或更多襯墊為成組相鄰於彼此，且該整個組其後藉由網格圍繞。然而，如果每個襯墊的邊緣之至少一部分沿著網格延伸，此為有利。

在圖2c中，一發光元件16係連接於每個襯墊與該網格之間。在繪示的實例中，該等發光元件為發光二極體(LED)，且一對LED 17a、17b在每個電極襯墊14與該網格15之間並行連接。該等LED 17a之一者將其陽極連接至該襯墊14及將其陰極連接至該網格15，同時另一LED 17b將其陰極連接至該襯墊14及將其陽極連接至該網格15。

每個LED對17a、17b因此與一電容器18串聯連接，該電容器18係由該等電極襯墊14之一者、該介電層13及該共通電極11形成。換句話說，每個襯墊形成一單獨電容器18的一個終端，且具有與複數個其他電容器一樣的另一終端。

因為一LED僅容許在一方向上之電流的流動，若僅一個LED與該電容器串聯連接則此電路將不可操作。當然，其可與任何其他類型二極體乃至與一電阻器並聯連接，但此一設計將引起減少的效率及額外的成本。藉由使用兩個反平行LED，在一交流電源的每個一半循環期間，該等LED之每一個將產生光，且實質上所有電流將貢獻於光的產生。

當一交流電壓19施加於該底端導電層11與該網格15之間時，一交流電流將流動通過每個電容器18，且將啟動所有LED。由於該等LED之該反平行連接，當該電流在一第一方向上流動，將啟動一第一組LED，同時當該電流在一第二方向上流動時，將啟動一第二組LED。

該等電容器將充當限流器，及該載體可按量度切割而不影響該功能性。所形成之電路圖描述在圖3中。易於瞭解的是，此電路功能上等於圖1中電路。

流動通過該等LED的交流電流係由該等電容器阻抗限制，且可自I=U‧2‧JI‧f‧C計算出，其中I為有效電流，U為有效電壓，f為驅動頻率及C為每個電容器的電容。該電容C繼而將取決於每個襯墊的面積、介電層的厚度及介電質的介電常數。

為了確保合意的工作條件，對一所需電壓位準，必須獲得一足夠電流。為此目的，每個電容器18的電容及驅動頻率必須與可用電壓相配，以獲得所需驅動電流。對於每個電容器18之電容的所需值，將因此為最小化短路電流與最大化用於一給定供應電壓之光輸出之間的平衡。

習知電路板製程中之一典型厚度為10-50μm。使用一具有一相對介電常數(ε)約3-6之便宜介電材料，電容將因此為相當低。例如，假定一典型驅動電壓約10V，一相對高驅動頻率，例如在50-100kHz量級，將是必需的以獲得一足夠驅動電流，例如大約每cm² 約0.3mA。然而對於更高介電常數值、更高驅動電壓及更大襯墊面積，該可用電流按比例增加。亦清楚可施加像鋸齒形、正方形波等的非正弦AC信號。

習知地用於D類放大器中的技術適合於此目的。此放大器具有一極其高介電效率且非常具成本效益，因此其等充分適合於充當用於此按量度切割之燈的驅動器。

如提及的，該等發光元件16可為半導體LED。另一選擇為，其等可為有機LED。

本發明的一進一步實施例，特定適合於圖4中繪示的OLED實施，其顯示兩個反平行OLED 20a、20b。

如圖4中顯示，該照明裝置5'此處同樣包括第一及第二導電層21、22，及一中間介電層23。然而，該第二導電層22此處僅分成襯墊24a、24b，沒有任何圍繞網格。確切言之，該等襯墊24a、24b充當基板，有機層26、27沈積在其上以形成該等OLED 20a、20b。該等有機層通常包括一電洞注入層26(例如PEDOT)及一發光層27(例如PPV)。該等有機層26、27與該等襯墊對準，致使一個OLED形成在每個襯墊的頂部上。一最終導電層沈積在每個OLED的該上部有機層27的頂部上，以形成一二極體陰極28a、28b。

為了反平行連接該兩個OLED，該第一導電層21亦被結構化，以形成在每對反平行OLED中一OLED下延伸的電極25。舉例言之，一電極25可在一列OLED下延伸。進一步言之，一第一互連元件29係經配置以將位於電極25的頂部上之該OLED的襯墊24a連接至另一OLED的上部終端28b，及一第二互連元件30係經配置以將位於電極25的頂部上該OLED的上部終端28a連接至第二OLED的襯墊24b。結果是一對並聯連接的OLED具有相反極性，且與一電容器31串聯連接，該電容器31藉由該襯墊24a與該電極25之間的該介電層23形成。

一電壓源32係被連接於該第一導電層21(其形成一第一共通電極)與該互連元件30(其形成一第二共通電極)之間。

在一替代實施例中，該介電層23被結構化，以便僅在該等二極體之一者下面延伸。在此情況下，該導電層21不需要被結構化成電極25。

在圖4中顯示的實施例中，兩個二極體根據相同層沈積次序，亦即隨層26的頂部上之層27被同時構造。在一替代實施例中，該等有機層26及27在該等襯墊24a及24b上以顛倒次序沈積。此可藉由適當的材料移除(蝕刻、切除等)及材料沈積(印刷、旋模、蒸發等)技術完成。在此情況下，不需要互連元件29、30。進一步言之，該導電層21及該介電層23兩者都不需要被結構化。

亦可能以小分子OLED技術實施，其中該等層26、27係用多個層之一堆疊替代，其通常由與發射層組合的電洞-電子注入阻擋層的組合而組成。即使單層解決方案亦為可能，此處層26、27與一個層組合，且該二極體行為藉由適當選擇該等材料鑲嵌22及28a、28b而獲得。

根據用於該等OLED層26中一短路的預期可能性(有時稱作OLED每面積單位的「短路密度」)，電容器的數量應選擇足夠大以容許非功能面積的最小損耗。此將確保一故障區段(連接至一個電容器的OLED)足夠小而不增加太多短路電流且不減少太多光輸出。例如，具有100個預期短路的一給定OLED磚，如果該磚分成1000部分(其對應於2000「像素」)，其仍以其最大效能的90%操作。

熟悉此項技術者瞭解本發明絕不限於上文描述的較佳實施例。相反而言，在附加申請專利範圍的範疇內可能有很多修改及變動。舉例言之，可修改電極襯墊的形狀及配置，亦可修改發光元件的配向及分佈。亦注意該等發光元件不一定為發光二極體。相反而言，不同發光元件可適合於用於根據本發明之一發光裝置中。最後，應注意，本發明亦可應用於交流電激發光(EL)系統。

1．．．電容器

2．．．LED

5．．．發光裝置

5'．．．發光裝置

10．．．載體

11．．．第一共通電極層

12．．．結構化導電層

13．．．介電層

14．．．電極襯墊

15．．．第二共通電極

16．．．發光二極體

17a．．．發光二極體

17b．．．發光二極體

18．．．電容器

19．．．交流電壓電源供應器

20a．．．發光元件

20b．．．發光元件

21．．．電極層

22．．．結構化導電層

23．．．介電層

24a．．．電極襯墊

24b．．．電極襯墊

25．．．電極

26．．．有機層

27．．．有機層

28a．．．電極陰極

28b．．．電極陰極

29．．．互連元件

30．．．第二共通電極

31．．．電容器

32．．．交流電壓電源供應器

圖1顯示一先前技術LED陣列的一電路圖；

圖2a-c顯示製造根據本發明的一第一實施例之一發光裝置的不同步驟；

圖3顯示圖2c中之裝置的一電路圖；及

圖4顯示根據本發明的一第二實施例之一發光裝置的示意性透視圖。

5．．．發光裝置

11．．．第一共通電極層

13．．．介電層

14．．．電極襯墊

15．．．第二共通電極

16．．．發光元件

17a．．．發光二極體

17b．．．發光二極體

18．．．電容器

19．．．交流電壓電源供應器

Claims (11)

1. 一種發光裝置(5、5')，其包括：一第一共通電極(11；21)；一結構化導電層(12；22)，其形成一組彼此電隔離的電極襯墊(14；24a、24b)及一圍繞該等電極襯墊(14)之電極網格(15)；一介電層(13；23)，其介於該第一共通電極(11；21)與該結構化導電層(12；22)之間；複數個發光元件(16；20a、20b)，每個發光元件係電連接於該等電極襯墊(14；24a、24b)之一者與該電極網格(15)之間，以便與一電容器(18；31)串聯連接，該電容器(18；31)包括：該等電極襯墊(14；24a、24b)之該一者；該介電層(13；23)；及該第一共通電極(11；21)。
2. 如請求項1之發光裝置，其中該等發光元件之至少一個係電連接於該等電極襯墊之若干個與該電極網格之間，每個此電極襯墊形成一單獨電容器(18；31)之一部分。
3. 如請求項1或2之發光裝置，其中該結構化導電層(12)經結構化使得每個電極襯墊(14)之至少一部分接近該電極網格(15)。
4. 如請求項1或2之發光裝置，其中每個發光元件以一第一終端連接至該等電極襯墊(14；24)之一者，及以一第二終端連接至該電極網格(15)，以便與一電容器(18；28) 串聯連接，該電容器(18；28)係由該等電極襯墊之一者、該介電層及該共通電極形成。
5. 如請求項1或2之發光裝置，其中該複數個發光元件包含：一第一組發光二極體(17a；20a)，其具有連接至該等電極襯墊(14；24a)之一者之一陽極及一第二組發光二極體(17b；20b)，其具有連接至該等電極襯墊(14；24b)之一者之一陰極。
6. 如請求項5之發光裝置，其中每個電極襯墊連接至一對反平行連接的發光二極體(17a、17b；20a、20b)，該對發光二極體包含來自該第一組之一發光元件及來自該第二組之一發光元件。
7. 如請求項1或2之發光裝置，其中該等發光元件為有機發光二極體(OLED)。
8. 如請求項7之發光裝置，其中該結構化導電層(12；22)充當一基板，形成該等OLED的有機層沈積在該基板上。
9. 如請求項1或2之發光裝置，其中該第一共通電極(11；21)、該結構化導電層(12；22)及該介電層(13；23)係由適合於切割的材料形成，以便形成一按量度切割(cut-to-measure)的發光裝置。
10. 如請求項1或2之發光裝置，進一步包括一交流電壓電源供應器(19；32)，其經連接以在該第一共通電極(11；21)與該電極網格(15；30)之間提供一交流電壓。
11. 一種照明器具，其包括如請求項1至10中任一項之發光裝置。