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そうすけしんまつ
5 years ago
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1 LED 照明推進協議会技術副委員長加藤正明

2 LED 照明信頼性ハンドブック ( 日刊工業新聞社 ) 故障要因まるわかり 2015 年 12 月 4 日 ( 金 ) JLEDS 技術副委員長篠原電機株式会社加藤正明 2

3 歴史 3

4 1960 年代に暗めの赤色と黄色の LED が開発されました LED の歴史 1968 年 1994 年徳島と愛知で設置開始 2007 年 LED 式ヘッドライト 1996 年いつも視野に LED 有り! 4

5 LED 照明の発光特性 5

6 他の光源と LED 照明の波長分布 6

7 可視光線 7

8 発足の主旨 LED 照明推進協議会 (JLEDS) の発足までの経緯 JLEDS は 2004 年 6 月 9 日に発足した任意団体です設立までの経緯を以下に表しました 2003 年 3 月経済産業省 (METI) と ( 財 ) 金属系材料研究開発センター (J RCM) で下記の計画案がまとめられた発足の主旨平成 10 年 (1998 年 )~14 年 (2002 年 ) まで行われた 21 世紀のあかりプロジェクトの研究成果の実用化産業の展開日本発の LED 照明技術産業の発展事務局の設置当面は ( 財 ) 金属系材料研究開発センター (JRCM) に事務局を置く任意団体として発足させ 3 年を活動期間としその後法人化も可能 LED 照明推進協議会の検討課題 1ロードマップの策定 2 市場動向の想定 3 普及の課題抽出 4 標準化 5 公的規制の整備 8

9 12 年前に経済産業省がはっきりした志を持っていた 2003 年 4 月に LED 照明普及に関する打合せが行なわれた 1. 日時 : 第 1 回 2003 年 4 月 24 日 ( 木 ) 16:00~18:00 第 2 回 2003 年 5 月 26 日 ( 月 ) 14:00~16:30 第 3 回 2003 年 7 月 2 日 ( 水 ) 14:00~16:00 2. 場所 : 経済産業省会議室 ( 本館 7F 東 3 第 6 会議室 ) 3. 議題 : LED 照明普及のための課題対応策今後の検討の進め方 4. 出席者 : ( 注 ) 当時の役職で下記は記載しています日亜化学東京技術センター脇脩豊田合成取締役 ( 当時 ) 太田光一技術企画部長吉村直樹松下電工照明 R&D 所長柴田哲朗東芝ライテック取締役三宅正信研究所長三浦明研究副所長油浅邦雄 JRCM 専務理事小島彰経済産業省非鉄金属課長青山市三吉野課長補佐石垣課長補佐 9

10 JLEDS 発足直前の準備会議と今後の方向性 2004 年 2 月 12 日第 1 回 LED 照明推進協議会準備会議出席者 : 経済産業省小糸工業昭和電工スタンレー電気住友化学工業東芝ライテック豊田合成並木精密宝石古川電工松下電工三菱電機照明三菱電線工業山田照明 (12 社 ) 2004 年 3 月 4 日第 2 回 LED 照明推進協議会準備会議出席者 : 経済産業省 NEDO 小糸工業シャープ昭和電工東芝ライテック豊田合成並木精密宝石松下電工三菱電機照明三菱電線工業山田照明 (10 社 ) 2004 年 6 月 9 日 LED 照明推進協議会 (JLEDS) が発足会長日本大学 ; 大谷教授副会長松下電工 ; 清野社長東芝ライテック ; 袴田社長豊田合成 ; 松浦所長シャープ ; 宮田専務サンユーレック ; 奥野専務 2007 年 11 月に NPO 法人登録完 10

11 JLEDS のホームページ画面 ( JLES で検索してください ) 施工例の紹介最新情報の公開最新情報出版物の公開漫画で見る LED 試してみる? 11

12 JLEDS はエキスパート企業の集合体です 12

13 JLEDS の委員会活動企画運営委員会広報委員会技術委員会 A. 課題抽出及び検討 Gr. LED 照明推進の課題を集め新規テーマの立案推進 B. 市場及び標準化動向調査 Gr. 安全性や性能に関する調査研究 C. 啓蒙情報発信 Gr. Web 活用などによる対外普及活動の推進 13

14 新しい文化には常に正しい安全ルールが必要です UL の創始者ウイリアムヘンリーメリル 1893 シカゴ博覧会電気館展示に対し保険会社は電気による火災の危険性を理由にしり込み W. H. メリル徹底的検査を行って説得 1894 W.H.Merrill 万博の経験をもとに電気製品の検査機関として Underwriters' Electric Bureau 設立 14

15 JLEDS が LED 照明信頼性ハンドブックを作った理由 15

16 LED 照明ハンドブックと LED 照明信頼性ハンドブック 16

17 身近に置きたい LED 照明信頼性ハンドブック LED 照明信頼性ハンドブックは直ぐに手の届くところに置いて下さい 2007 年に LED ダウンライトが発売されて以来日本において急速な発展を遂げましたしかし 60 年周期で変わっている照明ソースとしてはまだまだこれからが大切ですこの本は JLEDS 会員企業の有志達が手弁当で書き上げた本です

18 LED 照明信頼性ハンドブックの構成第 1 部基礎編第 1 章総論 1.1. LEDの特徴 1.2 LED 照明の寿命 1.3 白色 LEDの各部材の解説第 2 章劣化のメカニズム第 3 章各部材の諸特性第 1 章寿命推定の基礎第 2 章加速試験第 3 章ジャンクション温度の推定方法第 4 章光劣化のメカニズム第 5 章試験方法第 6 章関連規格その他コラム6 項目第 2 部実務編

19 LED デバイスのテクノロジー 19

20 どの様に作っているのか? 20

21 青色 LED とはどんなものか?(2 ワイヤータイプ ) ITO p-cladding Layer MQW n-cladding Layer ITO p-cladding Layer MQW n-cladding Layer High Thermal Conductivity Substrate Al 2 O 3 Substrate 紫色 LED チップ同一サイスの青色 LED チップ 300 um x 800 um

22 青色 LED とはどんなものか?(1 ワイヤータイプ ) + - フレーム側樹脂の膨張でチップが上に押し上げられる 22

23 砲弾型 LED LED の構造と形状とその用途チップ型 LED 1.6mm 0.8mm リフレクター付 SMD 3mm 3mm 23

24 色々な LED チップの形状 24

25 LED とはどんなものか?

26 LED 照明の性能向上 26

27 LED 照明の性能向上特性要因図 27

28 LED デバイスを剥がしてみた 3.2mm このデバイスはツェナーダイオードが入っていない安価なものです 2.8 mm シリコーン樹脂 + 蛍光体と金線を取ったものです Ag は剥離後大気で硫化して黒くなっています封止樹脂 + 蛍光体と金線を取り除いたもの 28

29 故障率曲線このデバイスはツェナーダイオードが入っています白色 LED の特許もクリアしたものですツェナーダイオードの影による効率悪化をカバーする為にツェナーダイオードを置く位置を窪ませて居ますきっちりした設計が出来ています 29

30 直管 LED の中身? このデバイスはリードフレームを J ベンドしています最近はこのような熱意効率の悪いデバイスを照明用に使わなくなっています 30

31 既存光源と LED の比較と今後の方向性どんどん境界が上に移動 31

32 演色性右下の 15 枚の色紙を太陽光の下で見た時との差異を表したものが Ra です Ra85 ならば演色性が良いと言えます 32

33 故障率曲線電子部品を組み合わせた製品は下記の様に初期故障が起きなければ長期に渡り安定して使用できます寿命が訪れた時に再び故障率が上がります丁度車と同じです 33

34 LED デバイスのパッケージの構造 (3 種類 ) セラミックパッケージタイプ 34

35 LED ランプモジュールの基板に求める事 35

36 LED ランプモジュールの構成例 ( 放熱ルート ) 36

37 劣化の要因 37

38 不点灯の 2 次要因熱衝撃や機械的振動金属の結晶粒界部にクラックが発生する金属マイグレーション水分の介在で電気泳動により正電極側から負電極側へ移動してショート現象を起こす錫めっきから発生するウイスカ基材とめっき皮膜の圧縮膨張差によって左記のようなウイスカが発生し回路の短絡につながる 38

39 各部品の劣化と取出し光量との関係 39

40 LED パッケージ用反射ケース樹脂 PPA: ポリフタルアミド PCT: ポリシクロヘキシレンテレフタレート 40

41 LED パッケージ用反射ケース樹脂この反射板の樹脂 PPA: ポリフタルアミド PCT: ポリシクロヘキシレンテレフタレート EMC/SMC: エホキシ樹脂 + セラミック紛体 / シリコーン樹脂 + セラミック紛体 41

42 LED パッケージ用セラミックケース 42

43 LED チップの表面はエネルギーレベルが高く熱い! E = hc/λ[j] = hc/eλ[ev] 波長が nm 単位なら E = hc 10^9/eλ です h = 6.626*10^-34[J s] e = 1.602*10^-19[C] c = 2.998*10^8[m/s] などの値より E 1240/λ[eV] 例えば 540nm では 2.33eV になると論文には書いてあるのですが λ に 540[nm] を代入すると E = 1240/540 = 2.30[eV] 43

44 LED ベアチップのエネルギー密度 LED チップの天面の熱密度はホットプレートの約 5 倍 44

45 白色 LED の封止材料 45

46 封止材料の比較図 46

47 封止樹脂の透過率変化 LED チップ近傍のエポキシ樹脂が黄変する 47

48 アルミベース基板の放熱性比較チップ温度を低減 48

49 LED チップの温度変化押さえてで接続不良の未然防止 ΔVF 法 : LED チップが発熱すると VF が下がる事を利用した測定方法 LED ベアチップ銀ペーストプリント基板又はリードフレーム金線接続部に抵抗があればチップ温度が上昇し VF が下がるチップ温度上昇微電流による VF 測定 VF1 時間経過低格電流による温度上昇 VF2 VF1-VF2= VF 時間経過 49

50 過渡熱抵抗例 50

51 金属基板の検討一部の LED 式交通信号機に使用されている 51

52 LED デバイスで起こるトラブル総括 52

53 窒化アルミとセラミック基板 53

54 J ベンドとフラットフレーム熱可塑性樹脂熱硬化性樹脂 54

55 各種評価装置の実物紹介 55

56 本には載っていない内容! A. 太陽光が当たると LED 照明が壊れるものがあるって本当? B. 発光効率の数値だけを上げる方法があるって本当? C.10 年後の LED 照明の制御システムは変わっているのか? 世界標準は? 56

57 A.LED 照明に太陽光が当たったら発電する? + LED の電極が剥がれた! 57

58 A.LED 照明に光が当たったら発電した電力は何をする? 保護膜 P 窒化物半導体発光層 N 窒化物半導体 P 電極パッド透明電極 N 電極パッドサファイア色々なタイプの電極構造 58

59 A.LED 照明に光が当たったら? 実験は簡単です 59

60 B. 緑が多いと発光効率が高くなる緑青赤ここを持ち上げれば測定値は高くなる 60

61 あべのハルカスは何故青いのか? B. 紫外線カットガラスの中は赤っぽい U V ガラスビルのガラスが青く見えている 61

62 C. 世界における KNX + DALI 62

63 C. 世界における KNX + DALI KNX は国際標準 (ISO/IEC 14543) 欧州標準 (CENELEC50090/CEN13321) 中国標準 (GB/T 20965) として承認されていますつまり KNX は将来も存続する規格であるということです KNX 商標ロゴは相互運用性を保証するものですので異なるメーカーの KNX 製品を組み合わせることが可能ですゆえに KNX は住宅ビル制御の国際標準なのです KNX 会員企業は世界で 380 社を越えさまざまな用途に向けて約 7000 の KNX 認定製品群が販売されています 63

64 C. 世界における KNX + DALI DALI システム構成例 64

65 C. 日本における Home Energy Management System(HEMS) NEC デンソー日本は優等生の集まりでガラパゴス化していなか? トヨタメディアサービス NTT 東日本パナソニック東芝 65

66 ご静聴ありがとうございました 66

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<4D F736F F D208D EBF8FC696BE97704C45448CF58CB982C982A882AF82E990AB945C97768B818E77906A C668DDA F4390B3816A2 高品質照明用 LED 光源における性能要求指針 2013 年 ( 平成 25 年 ) 4 月 17 日制定一般社団法人日本照明工業会 Japan Lighting Manufacturers Association 高品質照明用 LED 光源における性能要求指針 1. はじめに電球形 LED ランプや直管 LED ランプが白熱電球や直管蛍光ランプの代替として使用されているしかし LED ランプの性能が必ずしも十分でない製品も散見され