СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ВЫПОЛНЕННОЕ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ
ALTERNATING CURRENT DRIVEN LIGHT-EMITTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству с множеством светоизлучающих элементов, выполненному с возможностью приведения в действие переменным током, и осветительному прибору, содержащему такое светоизлучающее устройство.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Впечатляющее развитие в яркости, световой эффективности и доступности твердотельных источников света, таких как светоизлучающие диоды (СИД, LED), делает возможным обеспечение новых приложений освещения, которые больше не ограничиваются сегментными рынками. СИД предлагают некоторые преимущества по сравнению с традиционными источниками света, такие как длительный срок службы, повышенная эффективность, низкое рабочее напряжение, гибкость дизайна, более чистые спектральные цвета, быстрые времена отклика.
По этим и другим причинам СИД становятся все более и более подходящими для производства устройств освещения, таких как осветительные приборы с регулируемым цветом, прожекторы, подсветка жидкокристаллических дисплеев (ЖКД, LCD), освещение зданий, освещение сцены и так далее.
Для многих твердотельных источников света, таких как органические СИД (ОСИД, OLED), наиболее эффективное функционирование достигается с помощью смещения постоянным полем в точке оптимальной эффективности. Для более высоких уровней яркости требуется смещение выше этой точки. Яркостью можно управлять с помощью амплитудной модуляции (АМ) или с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM), где СИД находится в рабочем цикле. Часто ШИМ применяется для низких потерь в приводе и предоставляет свободу напряжения питания системы.
В некоторых применениях требуются светоизлучающие устройства, покрывающие большую поверхность. В этом случае множество СИД подключаются параллельно на подложке, или, в случае ОСИД, формируется одна или несколько плиток ОСИД, покрывающих большую поверхность. При запуске таких светоизлучающих устройств становится проблемой возникновение короткого замыкания, так как замыкается вся система, и в случае большого тока короткого замыкания свет не излучается. Ток также приводит к нежелательному рассеиванию мощности и тепловыделению.
Традиционно к этой проблеме обращались, к примеру, путем подбора плитки ОСИД с достаточно низкой вероятностью дефекта. Также используются испытательные процедуры и обратное смещение, чтобы уменьшить и/или восстановить влияние коротких замыканий. Однако благодаря большой требуемой поверхности и стремлению к простой недорогой технологии с достаточной производительностью может быть сложно полностью избежать возникновения коротких замыканий в ОСИД для устройств освещения.
Патент США 7025473 предлагает приведение в действие переменным током СИД с двумя СИД, подключенными встречнопараллельно последовательно с конденсатором. Во время каждого периода тока ограниченная величина заряда проходит через СИД, что приводит к вспышке света. Этот заряд сохраняется на конденсаторе, который останавливает электрический ток. Заряд доступен для следующего цикла для использования снова. Встречнопараллельный диод обеспечивает обратное протекание заряда. В этом случае обеспечивается полное двухфазное функционирование.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения - обеспечить светоизлучающее устройство с множеством светоизлучающих элементов, в котором короткие замыкания, происходящие в одном или нескольких светоизлучающих элементах, имеют ограниченное влияние на функционирование.
Эта и другие задачи достигаются светоизлучающим устройством, содержащим первый общий электрод, структурированный проводящий слой, формирующий набор электродных контактных площадок, электрически изолированных друг от друга, диэлектрический слой, расположенный между слоем первого общего электрода и структурированным проводящим слоем, второй общий электрод, и множество светоизлучающих элементов. Каждый светоизлучающий элемент электрически подключен между одной из электродных контактных площадок и вторым общим электродом, чтобы быть подключенным последовательно с конденсатором, содержащим одну из электродных контактных площадок, диэлектрический слой и первый общий электрод.
Согласно настоящему изобретению, тонкий слой пленки (то есть толщиной порядка нескольких микрометров) используется, чтобы обеспечить конденсаторы, которые подключены последовательно со светоизлучающими элементами, например, СИД. Диэлектрический слой, расположенный между двумя проводящими слоями, используется, чтобы создать емкостную связь между слоями. Один из слоев затем структурируется на контактных площадках, формируя множество независимо подключенных конденсаторов. Светоизлучающие элементы затем подключаются между контактными площадками и общим электродом, так что каждый светоизлучающий элемент подключается последовательно с одним из конденсаторов.
2
Когда между первым и вторым общими электродами прикладывается переменное напряжение, светоизлучающие элементы питаются через емкостную связь, также обеспечивающую ограничение тока. Во время функционирования светоизлучающего устройства сбой короткого замыкания в одном светоизлучающем элементе будет влиять лишь на светоизлучающие элементы, подключенные к тому же конденсатору. Дополнительно ток короткого замыкания будет ограничен этим конденсатором. Конденсаторы заряжаются/разряжаются каждый цикл, поэтому потери заряда не происходит, и рассеивание мало. Любые короткие пики тока будут вносить небольшую резистивную потерю мощности IRна сопротивлении в проводящем слое.
Емкость каждого конденсатора определяется толщиной диэлектрического слоя, его диэлектрической проницаемостью и площадью каждой контактной площадки электрода. Ток, протекающий через каждую цепь, будет определяться этой емкостью, приложенным напряжением и частотой. Используя типичные материалы и типичную толщину для слоя диэлектрического носителя, может быть получена подходящая частота порядка нескольких кГц. Стоит отметить, что один или несколько светоизлучающих элементов могут быть подключены более чем к одной контактной площадке, при этом каждая такая электродная контактная площадка формирует часть отдельного конденсатора. Такое выполнение может обеспечить экономические преимущества.
Второй общий электрод может содержать электродную сетку, окружающую электродные контактные площадки. В этом случае, по меньшей мере, участок каждой электродной контактной площадки может примыкать к электродной сетке. Например, каждая контактная площадка или группа контактных площадок может быть окружена сеткой. Это позволяет подключать светоизлучающие элементы в местах, где контактная площадка примыкает к сетке, таким образом, избегая длинных соединительных проводов или связей. Сохраняя соединительные провода или связи короткими, увеличивается вероятность того, что конкретный светоизлучающий элемент будет активен, когда устройство разрезается. Светоизлучающие элементы могут являться светоизлучающими диодами, включая полупроводниковые СИД, низкомолекулярные органические СИД и полимерные органические СИД. В этом случае множество СИД может включать в себя первую группу, содержащую катод, подключенный к одной из контактных площадок, и вторую группу, содержащую анод, подключенный к одной из контактных площадок. Такая конструкция позволит активизировать СИД одной группы, когда прикладывается положительное напряжение, и активизировать СИД другой группы, когда прикладывается отрицательное напряжение. Это позволяет эффективно использовать переменную мощность, гарантируя, что одна группа СИД всегда активна.
Каждая контактная площадка может быть подключена к паре встречнопараллельно подключенных СИД, где пара включает в себя один СИД из первой группы и один СИД из второй группы. Это будет гарантировать, что переменный ток через каждый конденсатор используется рационально, чтобы активировать различные СИД.
Устройство согласно настоящему изобретению допускает наличие коротких замыканий в светоизлучающих элементах. Соответствующий ток короткого замыкания и потери света будут ограничены одной секцией светоизлучающих элементов. Это особенно полезно, когда светоизлучающие элементы таковы, что их светоизлучающие характеристики зависят от электрического тока, протекающего через устройство, например, светоизлучающие диоды. Устройство согласно настоящему изобретению, таким образом, подходит для любого светоизлучающего устройства с множеством СИД, возбуждаемых общим источником питания (напряжения). Специфическим примером являются применения ОСИД, для которых крайне сложно и дорого полностью избежать наличия коротких замыканий в органических слоях.
В случае применения ОСИД носитель, сформированный первым общим электродом, диэлектрическим слоем и контактными площадками, может действовать как подложка, на которую нанесены органические слои, формирующие ОСИД. Органические слои должны быть выровнены с контактными площадками таким образом, что один ОСИД формируется на вершине каждой контактной площадки. Дополнительно полярность ОСИД должна быть упорядочена чередующимся образом. В этом случае полное светоизлучающее устройство имеет многослойную структуру.
Дополнительно во многих случаях желательно, чтобы устройство освещения было разрезаемым, то есть его размер и форма могли быть легко изменены так, чтобы оно подходило для любой комнаты и могло служить многим целям. Сложный пример такого устройства освещения описан в US 2005/0251698. Для этой цели носитель, составленный из общего электродного слоя, структурированного электродного слоя и диэлектрического слоя, сформирован из материалов, подходящих для разрезания, например формируя различные слои подходящих материалов и толщины. Весь носитель, содержащий проводящие слои и промежуточный диэлектрик, может быть вырезан любой формы и размера, даже на буквы и фигуры, без разрушения емкостной связи.
Согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения, нет необходимости в перемычках, переходных отверстиях, параллельных соединителях и т.д., которые необходимы для разрезаемых устройств освещения, относящихся к предшествующему уровню техники. Поэтому устройство легко изготовить экономически эффективно.
Светоизлучающее устройство согласно настоящему изобретению может быть объединено с небольшим источником питания низкого напряжения, чтобы сформировать изделие, которое может выйти на различные рынки, такие как вывески, архитектура внутри помещений, школы, переносная электроника и светящийся текстиль. Если это будет считаться выгодным, чтобы придать осветителю определенную оптическую функциональность, он может быть оборудован специфическими оптическими компонентами, такими как рассеиватели, линзы, коллиматоры и так далее.
Светоизлучающее устройство может быть особенно полезно в осветительном приборе, то есть устройстве, предназначенном, чтобы освещать объект или окружающее пространство.
Стоит отметить, что изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, изложенных в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает электрическую схему матрицы СИД, относящейся к предшествующему уровню техники.
Фиг.2a-c изображает различные этапы производства светоизлучающего устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 изображает электрическую схему устройства на фиг.2c.
Фиг.4 изображает схематический общий вид светоизлучающего устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 изображает электрическую схему светоизлучающего устройства, выполненного с возможностью приведения в действие переменным током, с множеством СИД, подключенных согласно US 7025473. Каждый из конденсаторов 1 подключен последовательно с парой встречнопараллельных СИД 2. Из фиг.1 видно, что любой СИД может быть извлечен из матрицы, без влияния на функцию других СИД, кроме встречнопараллельно подключенного соседнего СИД. Однако так как каждая пара СИД требует своей собственной пары проводов электропитания, это трудный и дорогой подход для устройства с большим числом СИД.
Процесс производства светоизлучающего устройства 5 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, будет описан теперь со ссылкой на фиг.2a-c.
Сначала на фиг.2a носитель 10 формируется тремя слоями: первым и вторым проводящими слоями 11, 12 и промежуточным диэлектрическим слоем 13. Диэлектрический слой 13 может иметь вид тонкопленочного слоя с высокой диэлектрической проницаемостью. Носитель 10 этого типа может быть произведен, используя традиционные технологии, применяемые для производства схемных плат. Носитель 10 может, очевидно, содержать дополнительные слои вдобавок к тем трем слоям, например структурный слой подложки в случае, если носителю требуется структурная прочность или защитный покрывающий слой, если носитель может быть подвергнут физическому воздействию.
Первый проводящий слой 11 формирует общий электрод. Как изображено на фиг.2b, второй проводящий слой 12 структурирован, используя традиционную технологию, такую как травление. Слой структурирован на множество электродных контактных площадок 14, которые изолированы друг от друга и от окружающей электродной сетки 15. В проиллюстрированном варианте осуществления каждая из контактных площадок полностью окружается сеткой, но в качестве альтернативы две или более контактных площадки группируются близко друг к другу, и в этом случае вся группа окружается сеткой. Однако это является выгодным, если по меньшей мере участок края каждой контактной площадки проходит вдоль сетки.
На фиг.2c светоизлучающий элемент 16 подключен между каждой контактной площадкой и сеткой. В проиллюстрированном примере светоизлучающие элементы - светоизлучающие диоды (СИД), и пара СИД 17a, 17b подключена параллельно между каждой электродной контактной площадкой 14 и сеткой 15. Один из СИД 17a подключен своим анодом к контактной площадке 14, а своим катодом к сетке 15, в то время как другой СИД 17b подключен своим катодом к контактной площадке 14 и своим анодом к сетке 15.
Каждая пара 17a, 17b СИД, таким образом, подключена последовательно с конденсатором 18, сформированным одной из электродных контактных площадок 14, диэлектрическим слоем 13 и общим электродом 11. Другими словами, каждая контактная площадка формирует один вывод отдельного конденсатора 18, содержащего свой другой вывод совместно с множеством других конденсаторов.
Так как СИД допускает протекание электрического тока лишь в одном направлении, цепь не будет функционировать, если только один СИД будет подключен последовательно с конденсатором. Конечно, он мог бы быть подключен параллельно с любым другим типом диода или даже с резистором, но такое выполнение вызвало бы снижение эффективности и дополнительные затраты. Используя два встречнопараллельных СИД, каждый из СИД будет вырабатывать свет в течение каждой половины периода источника питания переменного тока, и по существу весь электрический ток будет использован для выработки света.
Когда переменное напряжение 19 прикладывается между нижней  частью проводящего слоя 11 и сеткой 15, переменный ток будет протекать через каждый конденсатор 18, и все СИД будут активизированы. Благодаря встречнопараллельному подключению СИД, первая группа СИД будет активизирована, когда электрический ток потечет в первом направлении, в то время как вторая группа СИД будет активизирована, когда электрический ток потечет во втором направлении.
Конденсаторы будут действовать как ограничители тока, и носитель может быть разрезан без влияния на функциональность. Получающаяся электрическая схема изображена на фиг.3. Легко понять, что эта схема функционально эквивалентна схеме на фиг.1.
Переменный ток, который протекает через СИД, ограничивается полным сопротивлением конденсаторов и может быть рассчитан как I=U·2·Л·f·C, где I - действующее значение тока, U - действующее напряжение, f - частота возбуждения, а C - емкость каждого конденсатора. Емкость C будет в свою очередь зависеть от площади каждой контактной площадки, толщины диэлектрического слоя и диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Чтобы гарантировать удовлетворительные рабочие условия, должен быть получен достаточный ток для желательного уровня напряжения. Для этой цели емкость каждого конденсатора 18 и частота возбуждения должны быть согласованы с доступным напряжением, чтобы получить необходимый ток возбуждения. Поэтому желательное значение для емкости каждого конденсатора 18 будет компромиссом между минимизацией тока короткого замыкания и максимизацией светового выхода для данного напряжения питания.
2
Типичная толщина традиционных схемных плат в производственных процессах составляет 10-50 мкм. Используя недорогой диэлектрический материал, с относительной диэлектрической проницаемостью (ε) около 3-6, емкость будет достаточно низкой. К примеру, допуская типичное напряжение возбуждения около 10 В, будет необходима сравнительно высокая частота возбуждения, например порядка 50-100 кГц, чтобы достичь достаточного тока возбуждения, например около 0,3 мА/см. Однако для более высоких значений диэлектрической проницаемости, более высокого напряжения возбуждения и большей площади контактной площадки доступный электрический ток увеличивается пропорционально. Ясно, что также может быть применен несинусоидальный переменный ток, такой как пилообразный, прямоугольная волна и так далее.
Технологии, традиционно использовавшиеся в усилителях класса D, подходят для этой цели. Такие усилители имеют крайне высокую электрическую эффективность и очень экономически эффективны, поэтому они хорошо подходят, чтобы выступать в качестве драйверов для этого разрезаемого осветителя.
Как упоминалось выше, светоизлучающие элементы 16 могут быть полупроводниковыми СИД. Альтернативно, они могут быть органическими СИД.
Дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения, особенно подходящий для реализации на ОСИД, изображен на фиг.4, показывающей два встречнопараллельных ОСИД 20a, 20b.
Как изображено на фиг.4, устройство 5' освещения здесь содержит первый и второй проводящие слои 21, 22 и промежуточный диэлектрический слой 23. Однако второй проводящий слой 22 здесь только разделен на контактные площадки 24a, 24b, без какой-либо окружающей сетки. Вместо этого контактные площадки 24a, 24b выступают в качестве оснований, на которые нанесены органические слои 26, 27, чтобы сформировать ОСИД 20a, 20b. Органические слои типично содержат слой 26 инжекции дырок (например, PEDOT) и светоизлучающий слой 27 (например, PPV). Органические слои 26, 27 выравниваются с контактными площадками, так что один ОСИД формируется на вершине каждой контактной площадки. На вершину верхнего органического слоя 27 каждого ОСИД наносится конечный проводящий слой, чтобы сформировать катод 28a, 28b диода.
Чтобы подключить два ОСИД встречнопараллельно, первый проводящий слой 21 также структурируется, чтобы сформировать электроды 25, которые проходят под одним ОСИД в каждой паре встречнопараллельных ОСИД. Например, электрод 25 может проходить рядом с ОСИД. Дополнительно первый соединительный элемент 29 расположен, чтобы соединять контактную площадку 24a ОСИД, расположенного на вершине электрода 25 с верхним выводом 28b другого ОСИД, а второй соединительный элемент 30 расположен, чтобы соединять верхний вывод 28a ОСИД, расположенного на вершине электрода 25, с контактной площадкой 24b второго ОСИД. Результатом является пара ОСИД, подключенная параллельно с обратной полярностью, и подключенная последовательно с конденсатором 31, сформированным диэлектрическим слоем 23 между контактной площадкой 24a и электродом 25.
Источник 32 напряжения подключен между первым проводящим слоем 21, который формирует первый общий электрод, и соединительным элементом 30, который формирует второй общий электрод.
В альтернативном варианте осуществления диэлектрический слой 23 структурирован, чтобы проходить снизу только одного из диодов. В этом случае нет нужды структурировать проводящий слой 21 на электродах 25.
В варианте осуществления, показанном на фиг.4, оба диода изготовлены совместно, согласно одинаковому порядку наложения слоев, то есть со слоем 27 поверх слоя 26. В альтернативном варианте осуществления органические слои 26 и 27 нанесены на контактные площадки 24a и 24b в обратном порядке. Это может быть сделано соответствующими технологиями удаления материала (травлением, абляцией и так далее) и нанесения материала (печатью, центробежным литьем, напылением и так далее). В этом случае соединительные элементы 29, 30 не требуются. Более того, нет нужды в структурировании ни проводящего слоя 21, ни диэлектрического слоя 23.
Также возможны варианты осуществления в низкомолекулярных ОСИД технологиях, где слои 26 и 27 заменены набором слоев, типично состоящих из комбинаций электронно-дырочных инжекторно-блокирующих слоев, скомбинированных с излучающими слоями. Возможны даже решения с единственным слоем, где слои 26, 27 комбинируются в одном слое, и действие диода достигается подходящим выбором материалов в слоях 22 и 28a, 28b.
В зависимости от ожидаемой вероятности короткого замыкания в слоях 26 ОСИД (иногда указываемой ссылкой как «плотность коротких замыканий» ОСИД на единицу площади) должно быть выбрано достаточно большое число конденсаторов, чтобы допускать минимальную потерю недействующей площади. Это будет гарантировать, что вышедшая из строя секция (ОСИД, подключенных к одному конденсатору) достаточно мала, чтобы не добавить слишком большого тока короткого замыкания и чтобы не слишком сильно снизить световой выход. К примеру, заданная плитка ОСИД со 100 ожидаемыми короткими замыканиями все еще работает на 90% своей максимальной производительности, если плитка разделена на 1000 секций (что соответствуют 2000 «пикселям»).
Специалист в данной области техники понимает, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, в объеме прилагаемых пунктов формулы изобретения возможны многие модификации и изменения. К примеру, форма и расположение электродных контактных площадок могут быть изменены, так же как ориентация и распределение светоизлучающих элементов. Также отмечается, что светоизлучающие элементы не обязательно являются светоизлучающими диодами. Напротив, различные светоизлучающие элементы могут быть пригодными для использования в светоизлучающем устройстве согласно настоящему изобретению. В заключение, следует отметить, что настоящее изобретение также применимо к электролюминесцентным (EL) системам переменного тока.