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ＬＥＤ照明推進協議会技術副委員長加藤正明

LED NEXT STAGE 2016 ＬＥＤ照明信頼性ハンドブック改訂

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

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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

歴史

3 LED NEXT STAGE 2016 ＬＥＤ照明信頼性ハンドブック改訂

１９６０年代に暗めの赤色と黄色のＬＥＤが開発されました。

１９６８年

１９９４年徳島と愛知で

設置開始

１９９６年

LEDの歴史

２００７年LED式ヘッドライト

いつも視野にLED有り！


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ＬＥＤ照明の発光特性


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他の光源とＬＥＤ照明の波長分布



可視光線

ＬＥＤ照明推進協議会（JLEDS）の発足までの経緯

【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

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（ＪＲＣＭ）で下記の計画案がまとめられた

発足の主旨


http://www.meti.go.jp/

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

12年前に経済産業省がはっきりした志を持っていた


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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

JLEDS発足直前の準備会議と今後の方向性


ＪＬＥＤＳのホームページ画面（“ＪＬＥＳ”で検索してください）

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試してみる？

最新情報の公開

施工例の紹介

最新情報

漫画で見るLED


ＪＬＥＤＳはエキスパート企業の集合体です


ＪＬＥＤＳの委員会活動

企画運営委員会

技術委員会

広報委員会

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


ULの創始者

ウイリアム・ヘンリー・メリル

新しい文化には、常に正しい安全ルールが必要です

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


ＪＬＥＤＳがＬＥＤ照明信頼性ハンドブックを作った理由


LED照明ハンドブックと LED照明信頼性ハンドブック


http://image.yodobashi.com/product/100/000/009/000/997/693/100000009000997693_10204.jpg?_ga=1.175484320.348630541.1354075929

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。

身近に置きたいＬＥＤ照明信頼性ハンドブック


-----第１部基礎編-----

第１章総論

１.１. ＬＥＤの特徴

１.２ＬＥＤ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２部実務編-----

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

ＬＥＤ照明信頼性ハンドブックの構成


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ＬＥＤデバイスのテクノロジー


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どの様に作っているのか？


300 um x 800 um

紫色LEDチップ同一ｻｲｽﾞの青色LEDチップ

青色ＬＥＤとは、どんなものか？（２ワイヤータイプ）

MQW

n-Cladding Layer

p-Cladding Layer

ITO

High Thermal Conductivity

Substrate

MQW

n-Cladding Layer

p-Cladding Layer

ITO

Al2O3 Substrate


http://news.mynavi.jp/photo/news/2012/10/31/010/images/001l.jpg

青色ＬＥＤとは、どんなものか？（１ワイヤータイプ）

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＋

－フレーム側

樹脂の膨張でチップが上に押し上げられる


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ＬＥＤの構造と形状とその用途

1.6mm×0.8mm

3mm×3mm

砲弾型ＬＥＤ

チップ型ＬＥＤ

リフレクター付ＳＭＤ


http://image.made-in-china.com/2f0j00bByTigwWrLov/Chip-LED-M190-.jpg

http://image.itmedia.co.jp/l/im/mobile/articles/0711/22/l_os_p905i-key1.jpg

http://ameblo.jp/0-denzai-kyosan/image-11939876858-13099863588.html

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色々なＬＥＤチップの形状


ＬＥＤとは、どんなものか？


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ＬＥＤ照明の性能向上


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ＬＥＤ照明の性能向上特性要因図


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封止樹脂＋蛍光体と金線を取り除いたもの

3.2ｍｍ

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。

ＬＥＤデバイスを剥がしてみた

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。


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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。


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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。


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


演色性

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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。


故障率曲線

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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。


LEDデバイスのパッケージの構造（3種類）

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セラミックパッケージタイプ


ＬＥＤランプモジュールの基板に求める事


ＬＥＤランプモジュールの構成例（放熱ルート）


劣化の要因


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。


各部品の劣化と取出し光量との関係


ＬＥＤパッケージ用反射ケース樹脂

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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


この反射板の樹脂

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

ＥＭＣ/ＳＭＣ：ｴﾎﾟｷｼ樹脂+ｾﾗﾐｯｸ紛体 / ｼﾘｺｰﾝ樹脂+ｾﾗﾐｯｸ紛体


LEDパッケージ用セラミックケース


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ＬＥＤチップの表面は、エネルギーレベルが高く熱い！

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]

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]


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


白色ＬＥＤの封止材料


封止材料の比較図


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


アルミベース基板の放熱性比較

チップ温度を低減


ＬＥＤチップの温度変化押さえてで接続不良の未然防止

低格電流による温度上昇

ＶＦ１-ＶＦ２＝⊿ＶＦ

ＶＦ１ＶＦ２

チップ温度上昇

微電流によるＶＦ測定

時間経過

時間経過

接続部に抵抗があればチップ温度が上昇し

ＶＦが下がる

LEDベアチップ

金線

銀ペースト

プリント基板又はリードフレーム

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


過渡熱抵抗例


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。


ＬＥＤデバイスで起こるトラブル総括


窒化アルミとセラミック基板


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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


各種評価装置の実物紹介


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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？


Ａ．ＬＥＤ照明に太陽光が当たったら発電する？

＋

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ＬＥＤの電極が

剥がれた！


Ａ．ＬＥＤ照明に光が当たったら、発電した電力は何をする？

色々なタイプの電極構造

サファイア

Ｐ電極パッド透明電極Ｎ電極パッド保護膜

Ｐ窒化物半導体

発光層

Ｎ窒化物半導体


Ａ．ＬＥＤ照明に光が当たったら？実験は、簡単です


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Ｂ．緑が多いと発光効率が高くなる


ここを持ち上げれば

測定値は、高くなる。

赤

緑

青

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ＵＶガラス

ビルのガラスが青く見えている。

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

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:Abeno_Harukas_Osaka_Japan01-r.jpg


Ｃ．世界におけるＫＮＸ + ＤＡＬＩ

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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



DALIシステム構成例 DALIシステム構成例

Ｃ．世界における KNX + DALI

http://kensetsu.ipros.jp/advertising/detail/28641/

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ＮＥＣデンソー

ＮＴＴ東日本パナソニック

東芝

トヨタメディアサービス

Ｃ．日本におけるHome Energy Management System（ＨＥＭＳ）

日本は、優等生の集まりで

ガラパゴス化していなか？


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ご静聴

ありがとうございました


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