◇うさらネット◇Lesson to LEDs

LEDの種類	形状	1.砲弾形　ランプ形ともいう。3-5Ø/Ovalサイズがあり、5Øが主流。　ベアチップ(発光部)をリードフレームにダイボンディング、ワイヤボンディング後に　エポキシ樹脂で封止外装を施している。レンズをもっているので指向性が強い。　10-50°の半値角(2θ)を持つので選択する。設計不良品では、レンズの映り込みあり。　最大許容電流はパッケージの関係で30-50mA、常用は白色(GaN)系で寿命を考慮して8mAでの使用例もある。 2.チップ形　SMD/SMTタイプともいう。携帯などに使用されているのは超小形のもので、　最近は車載関係で3528サイズが多用されつつある。指向性はレンズなし形で100-120°。　最大許容電流は20-30mAのものが多い。照度が必要な時の常用電流は、白色では寿命を考えて15mA前後。 3.高出力形　色々な外形のものが出ている。最も普及しているのはLumiledsタイプ。　7.5x7.5サイズに5x5ピッチの4本足中出力形、2枚の放熱兼用端子の高出力形。　高出力は数百mA、1Wクラスである。3Wクラス以上もある。当然、導熱と放熱考慮。　日亜化学の高出力白色は100 lm/Wの高効率。因みに40W白熱球の効率は12lm/W。
	発光色	1.GaN青色LEDの実用化で白色を出せるようになった。白色は3通りの方法で得られる。　A. 青色ベアチップの上に、黄色の蛍光層を置き、青と黄の混合で白を得る方法。　　蛍光物質にはYAG(イットリウム/アルミニウム/ガーネット+セリウム)を用いるもの、　　星和電機のCa系蛍光層などがある。2色スペクトラムのため演色性(赤の再現)に難。　　簡便のようではあるが、発光色制御が難易で色ムラ、色指向性を有する欠点がある。　B. RGB各ベアチップを1パッケージに封入混光する方法。3in1。　　ベアチップ3個を使うために、コスト高である。発光色制御が他方法に較べ容易。　　この方法は発光スペクトルに欠落部分を持つため、Aと同様に演色性は良くない。　　照明業界では発光スペクトルに欠落部分を持つ疑似白色を、白色の範疇に含まない。　C. 近紫外ベアチップ(UV 380nm前後)の上にRGBの混合蛍光層で混光する方法。　　演色性に優れ、発光色制御がAに較べて容易。豊田合成が量産化。Ra=90以上が可能。　D. 星和電機の白色は青色LED+赤・緑蛍光体の3波長方式。　　なお、UV LEDはパッケージ樹脂を侵すためガラス封止なども実用化されている。　この内、AとBは実用量産されている。CとDも量産され今後が期待されたが、Cは課題が多く停滞。　AとCは特に蛍光体成分、同塗布技術のノウハウが大いに関係するので　寿命に関係するパッケージとチップボンディング/封止樹脂の問題などと併せて、半導体技術だけでは開発できない。 2.色物　赤・アンバ・黄・緑などは従来のものに加えて、発光効率の高い4元素系が照明・ディスプレイ用途で　主流になりつつある。なお、GaN系と4元素系の緑では発光色(波長)が違う。　GaN系がピュアな印象である。3元素系より4元素系の方がロット内の特性バラツキは大きいと聞く。 3.発光色(組成)と順電圧　GaN系の白・青・緑は順方向電圧3.5V、4元素系を含む他は2V。　この値以上の電源電圧で、定電流駆動する必要がある。放電灯・放電管と同じ。
明るさ	従来は、表示が主目的であったために、光度cd(燭光)を単位に用いていたが、照明用途の表示には不向きなため、最近になって光束lm(ルーメン)が用いられつつある。全光束は、高輝度タイプと言われるもので、Typ50-100 lm/W(3.5-7 lm @20mA白色)程度である。高効率照明用白熱ハロゲンの3倍以上近い将来実験室レベルで200 lm/W、上市品で150 lm/Wとか。なお、器具やモジュール効率は定電流駆動回路のロスを加えて考慮するべきである。なお、1cdの光源で1m直下で1lxの照度を得られる。
白色LED 演色性	B+Y蛍光体タイプでRa75-80、同高演色形Ra90-95、近紫外発光+RGB蛍光体タイプではかなり良くRa85-92。白熱電球はRa100。LEDは電球のようなスペクトルではなく、蛍光灯に近似。
寿命	1.GaN系　白色砲弾形・エポキシ封止のチップ形で20mA、LED周囲50ºCで、光束半減(50%)5000時間。　白<青<緑の順で良い。エポキシ樹脂が熱と近紫外光で劣化、透過率低下が寿命短縮の主原因。　チップ形でシリコーン封止のものは上記よりかなり良く、同条件で2-50000時間はOK。　上記のいずれでも、周囲温度条件が良ければ倍の寿命が期待できる。セラミックパッケージはさらに良い。　高効率になると近紫外光の影響が大きくなるので、その分は短寿命になる。要注意。　　電流減で回避する。なお、電流減の分、温度低下できるので、最適設計されていれば高効率化による短寿命は回避できる。 2.4元素系などは一般に50000時間位。 3.LEDモジュールまたはLED器具の寿命の定義は光束維持率による。従来は50%をもって表記していたが、　今後は蛍光菅などと同様、ベース照明用途は70%、サイン・タスク・間接・景観照明用途は50%で表記する方向。いずれにしても、電流を下げてLED温度(Tj)は上げない設計にする。高出力形では、場合により要ヒートシンク。Lumileds Luxeonなどはしっかりしたものを要する。最近の日亜製では、ダイボンディング・パッケージ材料等に工夫をした耐熱長寿命パワー形が出てきており、　Tjが100°C以上でも光束低下が一定水準(80%とか)以下にはならないであろう製品が出現しつつある。　となると、従来器具同様に可触部の温度や樹脂の耐熱性、電子部品のディレーティングを考慮に入れた設計を要求される。
青色ベア白色メーカ	青色ベアチップを生産している国内メーカは、日亜化学・豊田(とよだ)合成の2社がメイン。両社共に白色LEDのパッケージ品も供給しているが、明るさは前者が20-50%優れており、色むらは後者が優れている。なお、豊田合成は社外パッケージ。高出力チップ形は内製化方向。また、星和電機が青・緑・白色に参入。海外メーカでは、Cree/Osram/Agilent。その内、日本製と共に、Cree製を使っている日本・台湾・中国パッケージメーカが多い。 Creeのサブストレート(基材)はSiC(シリコンカーバイド)でサージ耐性が強く、他社はサファイアが多い。なお、日本の大手光半導体メーカS社や車載系S社、韓国のソウルセミコンが、日亜のPATを回避して白に参入しつつある。
電気特性効率	LEDは他のセミコンと同様、負性抵抗素子である。特性から見ると蛍光灯などの放電灯に似ている。駆動は抵抗による定電流が多い。将来、高出力LEDには蛍光灯と同じようなインバータ(但しDC)を使用して、器具効率を上げるようになるだろう。現在のLED器具は、省エネとは名ばかりで、定電流駆動に30%は消費している。器具のlm/Wは白熱ハロゲン器具と大差はなく、15-20 lm/W程度。良好なものは20-25 lm/W程度。蛍光灯器具では、50-80 lm/W位か(FL-Hf単体では100 lm近い)。 *電力効率についての誤解や錯覚　信号機の赤や青色の電力効率は、LEDのものが断然高効率である。なぜなら、白色電球またはFLから　赤や青のガラスフィルタを通して抜けてきた光は元の発光エネルギの一部であるのに対して、　単色LEDは、かなり狭い帯域の単一スペクトルであるために、発光の大部分を利用できるからである。　この点で白色の効率とは違う。白色は相変わらずFLには追いついていない。照明用途では高効率ではない。
単価	安い色物は、数円。白色の高いもので、35-50円(照明用で光度/色ランク指定)、青は少し下。 Kタイ用はさらに安い。以上は専業メーカのロット1-10万個の買値。アキバ小売りでは、これの2倍か?
注意	1.GaN系は、静電気に弱いので取り扱い注意、耐サージ回路(ZD吸収など)を要する。　ただし、SiC(シリコンカーバイド)基材のものは基材自体が導電性のために、　サファイア基材のものに較べてかなり強くESD1kV。サファイア基材のものでもZD内蔵形では同程度の強さ。　以上は保証値で実力は数倍ある。 2.近紫外発光+RGB蛍光体では、僅かながらUVの漏光が考えられるので、直近直視をしないこと。　これは、他のLEDでも長時間直視は避けた方が良い。目を傷めるおそれががある。 3.半導体なので逆電圧には弱く、特にLEDは弱い。逆電圧吸収のためにZDを入れるなどを要する。雷サージなどで壊れないように。 4.配光制御には小形のパッケージが良い。最近の高出力1W形は6x7mmなどの外形で、　パッケージリフレクタで光取り出し効率アップを計っており、従来光源のショートアークや　ショートフィラメントによる点光源化と逆行した方向だ。LEDの持つ点光源に近い良さは何処へ。 5.レンズやリフレクタによる光制御をする場合に、BLUE+YAG蛍光体の白色では青色と黄色の　発光部とレンズ等の入射面距離が異なるために、照射面に特有の色むらを生じることが多い。　光学拡散材入りの樹脂レンズで軽減できる。豊田合成の近紫外発光+RGB蛍光体の白色LEDでは、この問題はない。
BLU	カラーディスプレイ用途のBLU(Back Light Unit)には、白色LEDではなくRGBの単色を使う。色再現域を広げるためである。蛍光体使用のCCFL(冷陰極蛍光管)やCRTより再現域が広くとれる。問題点として、光度むらと色度むらが残されている。
関連	有機ELも電子発光体ということで、広くはLEDと同じ仲間。まだ効率が良くない。高湿度でダウンする。しかし、面発光体としての期待は大きい。いずれBLU(BackLightUnit)はこれが担うか。ドライバが結構難しいらしい。うまく設計しないと、ELパネルが鳴いたりする。ピーッ。
この業界は、提携や技術供与、ベアチップのやりとりなどで、蜘蛛の巣状態だ。関連業界でLEDの普及を計るべく推進協議会を設立した。JLEDS(数10社+関連団体)。活動中。