JP2007258690A - 交流電圧用発光素子ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】交流電圧用発光素子ユニットを提供する。
【解決手段】交流電圧用発光素子ユニットにおいて、電気配線が形成されているサブマウントと、複数の第１発光素子１１２が前記サブマウント上に直列連結された第１発光素子アレイ１１０と、複数の第２発光素子１２２が前記サブマウント上にブリッジ回路で連結されたものであり、第１発光素子アレイ１１０に連結された第２発光素子アレイ１２０と、を備えているこれにより、発光素子をブリッジ回路及び直列に連結して、別途の整流素子なしにブリッジ回路を通じて整流動作を行わせることによって構造を単純化及び小型化できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、交流電圧用発光素子ユニットに係り、より詳細には、ブリッジ回路を利用して小型化され、発光効率を向上させた発光素子ユニットに関する。

発光ダイオードのような発光素子は、ＬＣＤバックライトユニット、カメラホンのフラッシュ、電光板、照明などその適用領域が益々拡大されつつある。発光ダイオードは、半導体のｐ−ｎ接合構造を利用して電子と正孔を作り、これらの再結合により光を発散する。発光ダイオードは、既存の電球または蛍光灯に比べて消耗電力が小さく、寿命が長いので、一般照明への適用のための研究が活発に進められている。

一般的に、発光ダイオードを照明用として使用するためには、パッケージング工程を通じて単一の発光素子チップを形成し、パッケージングされたそれぞれの発光ダイオードを直列または並列に連結し、外部で保護回路及び交流／直流変換器などを設置してランプの形態で製作する。しかし、このように複数のパッケージングされた発光素子を利用して照明を製作すれば、発光素子自体の大きさも大きいだけでなく、発光素子と発光素子との間の空間も大きいために、照明光源全体が非常に大きくなるという問題点がある。

一方、発光ダイオードを照明用として使用する場合、電源として交流を使用し、発光効率を高めるように考案された発光装置が開発されている。図１は、特許文献１に開示された発光装置を示したものである。この発光装置は、電源として使われる交流電圧を交互に照明に使用するために、互いに逆の極性で並列接続された第１及び第２発光ダイオードアレイ１、２を備える。図面符号３２は電極を表し、図面符号３４は第１及び第２発光ダイオードアレイ１、２をジグザグ形状に配列する時に生じる交差部分を表す。

交流電圧が印加されれば、半周期の間には、例えば第１発光ダイオードアレイ１が発光され、残りの半周期の間には第２発光ダイオードアレイ２が発光する。したがって、交流電圧が印加される間に常に全体発光ダイオード数の半分のみ発光し、全体発光ダイオードの数が多くなるという問題がある。

このような問題を解決するために、整流素子を備えて発光効率を高めつつ発光ダイオードの数も増やす必要がない方式が提案された。しかし、整流素子は体積が大きく、別途に製作する必要があるので工程が複雑になり、コストアップになる他の問題が発生する。したがって、小型の照明用光源に適用するための発光ダイオード装置に別途の整流素子を採用することには適していない。
国際公開第２００４／０２３５６８号パンフレット

本発明は、前記問題点を解決するために成されたものであり、発光素子をブリッジ回路及び直列に連結して発光効率を高め、工程を単純化すると共に。コストを削減することができる交流電圧用発光素子ユニットを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による交流電圧用発光素子ユニットは、電気配線が形成されているサブマウントと、複数の第１発光素子が前記サブマウント上に直列連結された第１発光素子アレイと、複数の第２発光素子が前記サブマウント上にブリッジ回路で連結されたものであり、前記第１発光素子アレイに連結された第２発光素子アレイと、を備えることを特徴とする。

前記第１発光素子及び前記第２発光素子は、発光チップから形成される。

前記第２発光素子のブレークダウン電圧Ｖ_ｂは、次の条件式を満足する。

ここで、Ｖ_ｆは第２発光素子の順方向電圧を、Ｖ_ｐは供給電圧の最大値を、ｎはブリッジ回路の１辺に配列される前記第２発光素子の数を表す。

前記第１発光素子及び前記第２発光素子は、前記サブマウントにフリップチップで実装されることができる。

前記第１発光素子及び前記第２発光素子は、交流電圧の半分の周期の間、Ｖ_ｆが第１発光素子及び前記第２発光素子の順方向電圧を、Ｖ_ｐが供給電圧の最大値を表す時、（Ｖ_ｐ／Ｖ_ｆ）より大きい数ほど発光される。

本発明による発光素子ユニットは、発光素子をブリッジ回路及び直列に連結して、別途の整流素子なしにブリッジ回路を通じて整流動作を行わせることによって構造を単純化及び小型化することができる。また、ブリッジ回路を通じた整流動作により、一般的な直列及び並列配列に比べて発光効率を向上させることができる。また、整流素子を別途に製作する必要なく、発光素子等の配列だけで整流作用を具現することによって、コストダウン効果がある。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。

本発明による発光素子ユニットは、交流電圧用に適用するためのものであり、発光素子をブリッジ回路形態に連結して整流作用を行わせることによって発光効率を高めるようにしている。

図２を参照すれば、本発明に係る発光素子ユニットは、複数の第１発光素子１１２が直列に連結された第１発光素子アレイ１１０と、複数の第２発光素子１２２がブリッジ回路形態に連結された第２発光素子アレイ１２０とを備える。第１発光素子アレイ１１０と第２発光素子アレイ１２０とが直列に連結され、電源１０５から交流電圧が供給される。

第２発光素子１２２は、ブリッジ回路形態で結合され、第１〜第４辺１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄで構成されたブリッジ回路の１辺に一つの第２発光素子が配置されるか、複数の第２発光素子が直列に連結される。第２発光素子アレイ１２０は、発光素子をブリッジ回路形態で配列して整流作用を行うようになっている。

第１発光素子１１２及び第２発光素子１２２は、発光チップで構成されるか、パッケージングされた発光素子で構成されることができる。すなわち、本発明に係る発光素子ユニットは、パッケージングされた発光素子を利用してＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）レベルに製作されるか、発光チップを利用してチップレベルに製作される。チップレベルに製作される場合には、発光素子をパッケージングする工程が不要なので、コストダウンとなり、ＰＣＢレベルに比べて小型に製作できるという利点がある。

図３は、本発明に係る発光素子ユニットの一例を図示したものである。この例では、７×７配列の構造を持つものを示している。サブマウント１００に電気配線１３０が形成されており、電気配線１３０によって第１発光素子１１２及び第２発光素子１２２が実装される。図面では便宜上、発光素子の電極構造のみを示している。

図３では、第１発光素子１１２が直列に連結され、第２発光素子１２２がブリッジ形態に配列されている。第２発光素子１２２は、ブリッジ回路の１辺に７個ずつ直列に連結されている。第２発光素子を７個で構成することは一例に過ぎず、第２発光素子のうち一つの素子にかかる逆方向電圧がブレークダウン電圧（Ｖ_ｂ）より小さな限度内で、第２発光素子の数を変更して多様構成できる。

前記第２発光素子１２２は、ブレークダウン電圧（Ｖ_ｂ）が次の数式を満足するように構成されることが望ましい。

ここで、Ｖ_ｆは第２発光素子の順方向電圧を、Ｖ_ｐは供給電圧の最大値を、ｎはブリッジ回路の１辺に配列される第２発光素子の数を表す。言い換えれば、第２発光素子１２２のブレークダウン電圧（Ｖ_ｂ）は逆方向電圧よりも大きくなければならない。例えば、Ｖ_ｐ＝１１０（Ｖ）であり、ｎ＝７であり、Ｖ_ｆ＝３．５（Ｖ）である時、右辺は、約１２．２Ｖとなるので、Ｖ_ｂは、１２．２（Ｖ）よりも大きい値を持つことが望ましい。第２発光素子の逆方向電圧が前記数１式を満足させる範囲内で第２発光素子の数（ｎ）を定めることができる。

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、発光素子ユニットの発光動作について説明する。

図４Ａは、電源１０５からの交流電圧の順方向の第１半周期の間の電流のフローを、図４Ｂは、逆方向の第２半周期の間の電流のフローを示したものである。第１半周期の間には、第１辺１２０ａの第２発光素子、第１発光素子１１２、第３辺１２０ｃの第２発光素子を通じて電流が流れる。一方、第２半周期の間には、第２辺１２０ｃの第２発光素子、第１発光素子１１２、第４辺１２０ｄの第２発光素子を通じて電流が流れる。結果的に、第２発光素子は、全体数の半分ずつ交互に発光される一方、第１発光素子は連続的に発光される。第２発光素子は、整流作用と発光作用とを共に行う。したがって、既存の並列構造の発光素子に比べて発光効率が向上する。本発明の発光素子ユニットで、交流電圧の半分の周期の間に発光される第１及び第２発光素子の数は、（Ｖ_ｐ／Ｖ_ｆ）よりも大きい。

一方、第１発光素子１１２及び第２発光素子１２２は、前記サブマウントにフリップチップで実装される。発光素子をワイヤーなしにフリップチップで実装することで製造工程を単純化すると共に、発光素子と発光素子との間隔を縮めることができ、小型化に役に立つ。

図５は、発光素子の一例を図示したものであり、サファイア基板２２７上に電子がドーピングされたｎ型クラッド層２２５、活性層２２４、正孔がドーピングされたｐ型クラッド層２２３、及びｐ型電極２２１が順次積層されている。そして、前記ｎ型クラッド層２２５の一側下部面にｎ型電極２２６が備えられる。前記ｎ型クラッド層２２５が段差を持って形成され、その段差部分にｎ型電極２２６が備えられる。

前記第ｐ型電極及びｎ型電極２２１、２２６にそれぞれプラス及びマイナス電圧を順方向に加えれば、前記ｐ型及びｎ型クラッド層２２３、２２５から前記活性層２２４に電子と正孔が移動し、この電子と正孔との結合を通じてエネルギーバンドギャップに該当するエネルギーを持つ光子が発生して発光される。前記のように構成された発光素子を、サブマウント２２０の配線に沿って配置してフリップチップで実装することで、簡単に発光素子ユニットを製作できる。図面符号２３０は、ボンディングメタルを表す。これ以外に、ｐ型電極及びｎ型電極が互いに逆方向の面に配置される構造の発光素子を利用して発光素子ユニットを製作することもできる。

本発明では、発光素子をブリッジ形態で配列することによって、整流作用と共に発光作用を行わせることによって、発光素子ユニットの発光効率を高めると共に小型化に寄与することができる。

以上に説明した実施形態は、本発明を例示したものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。したがって、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想により決定される。

本発明は、発光素子ユニットの小型化及び高輝度化を通じて交流電圧の照明光源に有用である。

従来の発光装置を示す図面である。 本発明の一実施形態に係る交流電圧用発光素子ユニットの等価回路図である。 本発明の一実施形態に係る交流電圧用発光素子ユニットの一例を示す図面である。 図３に示された発光素子ユニットの発光動作を説明するための図面である。 図３に示された発光素子ユニットの発光動作を説明するための図面である。 本発明に係る交流電圧用発光素子ユニットに採用される発光チップの一例を示す図面である。

符号の説明

１０５ 電源、
１１０ 第１発光素子アレイ、
１１２ 第１発光素子、
１２０ 第２発光素子アレイ、
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ 第１〜第４辺、
１２２ 第２発光素子。

Claims (6)

1. 交流電圧用発光素子ユニットにおいて、
   電気配線が形成されているサブマウントと、
   複数の第１発光素子が前記サブマウント上に直列連結された第１発光素子アレイと、
   複数の第２発光素子が前記サブマウント上にブリッジ回路で連結されたものであり、前記第１発光素子アレイに連結された第２発光素子アレイと、
   を備えることを特徴とする発光素子ユニット。
2. 前記第１発光素子及び前記第２発光素子は、発光チップから形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子ユニット。
3. 前記第２発光素子のブレークダウン電圧Ｖ_ｂは、次の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の発光素子ユニット。
   

   

   ここで、Ｖ_ｆは第２発光素子の順方向電圧を、Ｖ_ｐは供給電圧の最大値を、ｎはブリッジ回路の１辺に配列される前記第２発光素子の数を表す。
4. 前記第１発光素子及び前記第２発光素子は、前記サブマウントにフリップチップで実装されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子ユニット。
5. 前記ブリッジ回路の１辺には、前記第２発光素子が一つで構成されるか、複数の前記第２発光素子が直列に連結されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子ユニット。
6. 前記第１発光素子及び前記第２発光素子は、交流電圧の半分の周期の間、Ｖ_ｆが当該第１発光素子及び前記第２発光素子の順方向電圧を、Ｖ_ｐが供給電圧の最大値を表す時、Ｖ_ｐをＶ_ｆで除した値よりも大きい数ほど発光されることを特徴とする請求項３に記載の発光素子ユニット。

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