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LED照明の高効率化プロセス・材料技術と応用展開    
[コードNo.10STA054]

■体裁/ B5判上製本 478ページ
■発行/ 2010年 5月 28日 S&T出版(株)
■定価/ 71,280円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-903413-88-4
 
★LED照明の普及・拡大時にみえてきた応用展開・技術的な「課題」と「対策」!
★蛍光体、基板材料、封止材料など高効率のカギを握る材料から応用市場を見据えた技術開発のポイントがわかる。

著者

服部寿(株)マルチタスク・カンパニー
王学論(独)産業技術総合研究所
小久保光典東芝機械(株)
奥野敦史サンユレック(株)
市川明(株)朝日ラバー
石川知成(株)フィリップス エレクトロニクス ジャパン
村上元(株)元天
川窪一輝TOWA(株)
東海林巌スタンレー電気(株)
日高明弘(株)住友金属エレクトロデバイス
矢口博久千葉大学
戸田健司新潟大学
石垣雅新潟大学
上松和義新潟大学
佐藤峰夫新潟大学
田部勢津久京都大学
中西貴之京都大学
福田武司埼玉大学
鎌田憲彦埼玉大学
安達定雄群馬大学
内野隆司神戸大学
福井俊巳(株)KRI
山口裕オプトリンク(株)
米村直己電気化学工業(株)
東正信(株)トクヤマ
奥村浩史利昌工業(株)
村上睦明(株)カネカ
壁田桂次モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン(合)
小材利之信越化学工業(株)
尼子雅章東レ・ダウコーニング(株)
植月洋平ナガセケムテックス(株)
小堺規行住友大阪セメント(株)
越部茂(有)アイパック
吉川正信(株)東レリサーチセンター
三輪優子(株)東レリサーチセンター
山田敏郎金沢大学
串崎義幸金沢大学
関本晃男太陽インキ製造(株)
菅武藤倉化成(株)
桃井恒浩シャープ(株)
木村成幸(株)アクシア
佐藤孝スタンレー電気(株)
岡崎聖一(株)キーストーンテクノロジー
島田順一京都府立医科大学
岡本研正香川大学
鈴木篤(社)日本電球工業会

目次

1章 LED照明の国内外マーケット動向と今後の予測

1照明製品の市場動向
2LED照明製品の市場規模予測
3日本の照明光源の市場規模予測
4LED照明光源のアプリケーション別の市場予測

2章 高効率化プロセス技術

1節エバネッセント光の制御によるLEDの光取出し効率向上技術
1エバネッセント光とは何か?
2形状基板におけるエバネッセント光の空気伝播光変換現象
3屈折率の小さい表面膜による多重結合効果
4デバイス応用
2節製造プロセスによる高効率化
[1]LEDナノインプリント技術
1LEDの高輝度化 ―内部量子効率と外部量子効率−
2ナノインプリント技術
3サファイア基板へのナノインプリント
4フィルムタイプの樹脂モールド(フィルムモールド)の作製方法
5微細パターン形成
[2]特殊真空印刷システム(VPES)による高密度化対応半導体パッケージングと高輝度白色LEDレンズ形成技術
1技術開発の背景
2半導体パッケージング及び高輝度白色LEDパッケージングへのVPESの応用
2.1COBへの応用
2.2BGA,CSP,MCMへの応用
2.3ウエハーレベルパッケージングへの応用
2.4ウエハー上のビアホールを充填することによるスタックICへの応用
2.5高輝度白色LEDのレンズ形成技術への応用について
3節白色LEDの色調設計と色調ばらつきの低減
1白色LEDの色調設計と色調ばらつきの低減
2白色LEDの構造
3LEDの色調設計
3.1使用する材料
3.2色度の調整方法
3.3演色評価数の調整方法
3.4色調設計の課題
3.5色調設計に最適なLED
4LEDの色調ばらつき
4.1現状の課題
4.2色調ばらつきの原因
4.2.1発光素子のばらつき
4.2.2蛍光体量のばらつき
4.3色調ばらつきの解決策

3章 LEDの最適構造・放熱設計

1節LEDの最適構造設計
1パワーLED基本構造の変遷
2ルミレッズ製LED構造の特徴
2.1チップ構造
2.2蛍光体構造
2.3チップ結晶構造
3LuxeonK2及びRebelの構造と特徴
4Luxeon Altilonの構造と特徴
5今後の高出力化のための展望
2節LEDパッケージ構造の最適化
1LED素子の構造
2LEDデバイスの発光と駆動回路
3LEDパッケージの種類
4LEDパッケージ組立技術
5LEDパッケージの信頼性確認
6LEDパッケージ構成材料と選択
3節高輝度LEDの新しい封止技術
1LEDパッケージの種類と封止方法
2新しいLED封止技術とそのパッケージ
2.1新しいパッケージと圧縮封止プロセス
3圧縮封止プロセスの特徴
3.1適応基板
3.2適応樹脂
3.3適応レンズ形状
4LED封止装置の概要
5今後の課題
4節白色LEDの構造・材料からの放熱アプローチ
1LED開発の歴史
2LEDの発光原理
3LEDランプ構造
4白色LEDの特徴
5LEDの熱設計
5節セラミックパッケージからみた高出力LEDの放熱設計
1LEDチップの熱問題
2高出力LED用セラミックパッケージについて
2.1パッケージの役割
2.2セラミックパッケージの利点
2.2.1材料
2.2.2パッケージ構造
3LEDランプの放熱設計
3.1パッケージや実装基板の役割
3.2LEDチップ接合剤の役割
4放熱設計の効果
4.1放熱特性について
4.2放熱性評価
4.3光学特性への影響
5今後の放熱設計とパッケージ構造

4章 LED演色性評価

1演色評価法の現行規格
1.1演色評価数
1.2条件等色指数
2新しい演色評価の試み
2.1カテゴリカルカラー演色評価指数
2.2目立ち指数
2.3CQS
2.4CRI-CAM02UCS

5章 構成材料

1節蛍光体
[1]LED用蛍光体材料の合成・設計・結晶構造と高効率化
1なぜ白色LED で蛍光体を利用するのか?
2蛍光体中の発光イオンの特徴
3白色LED用蛍光体の発光特性
3.1希土類のf-d遷移および遷移金属を利用する酸化物蛍光体
3.2希土類のf-f遷移を利用する蛍光体
3.3(酸)窒化物蛍光体
[2]白色LED用希土類蛍光体の発光特性とその評価
1発光特性評価
1.1紫外線励起の発光特性評価
1.1.1光源特性
1.1.2光学部品の波長依存性
2蛍光体発光効率の測定
2.1積分球を用いた全放射束/全光束測定
2.1.1積分球の構造
2.1.2放射束分布(補正係数の導出)
2.1.3蛍光体量子収率(%)導出
[3]ゾル-ゲルガラスで封止したEu錯体ナノ粒子の白色LED用蛍光体への応用
1ゾル-ゲル法の原理と作製方法
2ゾル-ゲル法でシリカガラスを被覆したナノ粒子Eu錯体の形状及び発光特性
2.1触媒の最適化によるナノ粒子化および高い蛍光量子効率の実現
2.2粒子形状に対するエタノール・水依存性
2.3ゾル-ゲル法でシリカガラスを被覆したナノ粒子Eu錯体の光劣化特性
[4]白色LED用赤色蛍光体への過マンガン酸塩の応用と発光特性
1Mn4+イオン蛍光体の基礎
2過マンガン酸塩を用いたMn4+イオン蛍光体の作製方法と結晶評価
2.1概要
2.2作製方法
2.3蛍光体結晶評価
3過マンガン酸塩を用いて作製したMn4+赤色蛍光体の発光特性
3.1概要
3.2I2-IV-F6蛍光体の発光及び励起スペクトル
3.3発光スペクトルの微細構造
3.4発光強度の温度依存性
[5]シリカ関連材料の発光現象と白色LED用蛍光体への応用
1シリカの発光
1.1バルクシリカの発光
1.2シリカ微粒子の発光
1.2.1シリカ微粒子の発光の特徴
1.2.2シリカ微粒子の発光スペクトル
1.2.3シリカ微粒子の発光モデル
2シリカベース有機−無機複合発光材料
2.1高効率発光材料作製にむけたアプローチ
2.2シリカベース有機−無機複合材料の合成と発光挙動
2.2.1加溶媒分解反応による発光性シリカベース有機−無機複合材料の合成
2.2.2長鎖アルキル基を有するシリコンアルコキシドの加水分解反応による高効率発光材料の合成
3シリカ関連材料の白色LED用蛍光体への応用
[6]有機-無機ハイブリッドを用いた透明発光材料
1発光イオン含有ナノクラスターを用いたハイブリッド発光材料
1.1有機-無機ハイブリッド
1.2新規発光材料のコンセプト
1.3希土類ドープハイブリッド材料の合成と発光特性
2白色LED応用の可能性
2.1R・G・B発光ナノクラスターの適用による白色化
2.2GB発光ナノクラスターの応用
2.3Znを発光中心とするナノクラスター
[7]蛍光体を使用しない2波長白色LED
1白色LED発光の仕組み
22波長LEDの特徴
32波長LEDの波長分布特性
4弱点を補うローコストパッケージ開発
5今後の2波長素子使用開発品
2節基板材料
[1]パワーLED/高放熱性基板(パッケージ)の技術動向
1高放熱性基板(メタルベース基板)
1.1メタルベース基板の基本構成
1.2アルミベース基板の特徴
2高放熱LEDパッケージ
2.1はじめに
2.2高放熱・高密度パッケージについて
2.2.1PLCC樹脂パッケージ代替
2.2.2COB用セラミックパッケージ代替
[2]LED放熱基板用窒化アルミニウムセラミックス
1高純度AlN粉末
1.1AlN粉末の製造方法
1.2AlN粉末の物性
2AlN焼結体
2.1AlN焼結体の製造方法
2.2高熱伝導化技術
2.3AlN焼結体の物性
2.4複雑形状成形技術
3メタライズ技術
3.1薄膜法
3.2コファイヤ法
3.3ポストファイヤ法
4パッケージ技術
4.1放熱積層技術
4.2AlNパッケージの放熱特性
[3]LED基板の高機能化
1白色LEDの発光形式
2表面実装型LED構成材料に求められる特性
3LED用基板
4耐候性・耐変色性・反射率向上
4.1耐紫外線性向上
4.2加熱変色性改善の技術要素
4.3LED用白色基板と顔料
4.4材料の機械的特性
4.5材料の付加特性とフィラー
[4]高熱伝導性グラファイトシートの特性と応用
1電子機器・LEDにおける熱対策
1.1電子機器・LEDにおける放熱・冷却方式
1.2LED照明における熱対策の必要性
2熱伝導による熱拡散・冷却の基礎
2.1各種熱伝導材料
2.2半導体(絶縁体)固体の熱伝導特性
2.3グラファイトの電気・熱伝導
3高熱伝導性グラファイトシート(GS)の作製と物性
3.1ポリイミド(PI)を原料とする高熱伝導性KSGS
3.2高品質グラファイトフィルム(KSGS)の物性
4グラファイトシート(KSGS)の放熱特性と応用
4.1熱拡散効果
4.2冷却効果(冷却源と接続した場合)
4.3ヒートスポット緩和効果
4.4LEDチップへの応用
4.5LEDデバイス(実装)での応用
4.6LEDモジュールへの応用
3節封止材料
[1]モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社のLED用シリコーン材料
1シリコーン材料の特徴
1.1シリコーン樹脂の基本構造
1.2シリコーン材料の透明性
1.3シリコーン材料の耐熱性、耐UV性
1.4シリコーン材料の屈折率
2シリコーン封止材
2.1代表的なシリコーン封止材
2.2金型を用いたシリコーン封止材の成形
2.3シリコーン封止材の剥離を低減させ、LEDパッケージの信頼性を向上させるために
2.3.1ステップキュアの適用
2.3.2硬化時間の延長
2.3.3プライマーの使用
3レンズ成形材料
[2]信越化学工業のLED用シリコーン材料
1シリコーン樹脂について
2白色LED用封止材料の開発動向
3シリコーンエラストマー封止材料
4フェニルシリコーン高硬度封止材料
5有機変性シリコーンレジン封止材料
6シリコーンダイボンド材料
6.1透明ダイボンド材料
6.2白色ダイボンド材
6.3放熱ダイボンド材料
6.4シリコーンダイボンド材の特徴
7その他周辺の材料へのシリコーンの応用
[3]東レ・ダウコーニングのLED用シリコーン材料
1LED封止用シリコーン材料
2LEDの一括封止・レンズ成型
3シリコーンダイボンド材
[4]シルセスキオキサン系樹脂を用いたLED封止材の開発
1樹脂の劣化と安定化剤
2透明封止材料の分子設計
3エポキシ基を有するシルセスキオキサンの合成
4エポキシ基を有するキューブ型シルセスキオキサンの物性
5エポキシ基を有するシルセスキオキサンの硬化物物性の改良
6更なる耐熱性の向上
7耐硫黄曝露への効果
[5]封止・接着用-高熱伝導電気絶縁性−液状エポキシ樹脂封止材“リコ・ジーマ・イナス”の開発と熱対策部品への応用−
1設計思想
1.1フィラーの選定
1.2バインダの選定
1.3フィラーの混合分散
2成形条件と成形粘度
3特性値
4接着強さ
5温度別可使時間
[6]高発熱LED用複合材料
1LEDの概要
1.1LEDの発光原理
1.2LEDの開発経緯
1.3LEDの用途
1.4LEDの製造方法
1.5LEDの発熱特性
2LEDの封止技術
2.1LEDの封止方法
2.2LEDの樹脂封止
2.3LEDの封止材料
3照明用LED
3.1白色化機構
3.2高輝度照明
3.3高輝度LED用封止材料
4高発熱LED用複合材料
4.1原料の見直し
4.2配合の見直し
4.3構造の見直し
[7]LEDチップ・封止樹脂の劣化解析
1GaN系LEDとその関連材料の主な評価項目と分析手法
2LEDチップの劣化評価
3樹脂の劣化評価
3.1LED樹脂の劣化構造解析
3.2FRP中のエポキシ樹脂の硬化挙動解析
3.3シリコーン樹脂の構造解析
[8]LED封止工程における剥離現象と応力解析
1解析手法
1.1粘弾性基礎方程式
1.2解析モデルと物性
1.3粘弾性特性の測定
1.4粘弾性解析の方法
2LEDパッケージの剥離現象の観察・計測
3解析結果
3.1冷却工程中の温度分布
3.2LEDに生ずるせん断応力
4せん断応力に及ぼす粘弾性特性の検討
4.1緩和弾性係数依存性
4.2線膨張係数依存性
4.3ガラス転移温度依存性
4節ソルダーレジスト・接着剤
[1]ソルダーレジストの高機能化によるLED基板の放熱と高輝度化
1背景
1.1ソルダーレジストとは
1.2LEDについて
1.3光学特性に対する当社の取り組み
1.4放熱性について
2白色ソルダーレジストの光学特性
2.1ソルダーレジストの反射率の劣化について
2.2反射率の劣化防止の取り組み
2.3写真現像型白色ソルダーレジストの耐久性能
3白色関連部材の適用可能性
3.1難燃性FPC用写真現像型白色ソルダーレジスト
3.2熱硬化型白色ソルダーレジスト
3.3PETフィルム用写真現像型白色レジスト
4ソルダーレジストでの放熱対策について
[2]高熱伝導性導電性接着剤の開発とLEDへの応用展開・放熱対策
1Pbはんだ代替導電性接着剤の紹介、及び開発動向について
2導電性接着剤に使用される樹脂について
2.1導電性接着剤に使用されるエポキシ樹脂について
2.2エポキシ系導電性接着剤に使用される硬化剤について
2.3エポキシ樹脂とフェノール系の硬化物性について
3エポキシ系導電性接着剤の物性について
3.1汎用性導電性接着剤、Pbはんだ、Pbフリーはんだの比較
3.2Snメッキ電極対応の導電性接着剤について
4熱伝導性導電性接着剤

6章 応用市場に向けた技術

1節一般照明用LEDの市場動向と利用に向けた課題
1LED照明の特長
1.1LED照明の特長
1.1.1長寿命性
1.1.2環境に優しい
1.1.3省エネ性能
1.1.4省資源
2LED照明の商品動向
2.1LED照明の市場規模・予測<ビジネスユース>
2.2LED照明の市場成長要因<ビジネスユース>
2.3LED照明の市場動向<ビジネスユース>
2.4シャープのLED照明<ビジネスユース>につい
2.5LED照明の利用に向けた課題
2.5.1照明器具全体の総合効率向上
2.5.2長寿命化
2.5.3色味の改善
2.5.4低価格化
3LED照明の普及に向けて
3.1一般用LED照明の普及元年 〜LED電球の登場
3.2LED電球の市場規模
3.3LED電球におけるシャープの特長機能 〜生活の質を変える調色・調光機能
3.4LED電球の可能性と課題
3.5LED照明の更なる進化に向けて
4おわりに 〜シャープのLED照明事業
2節工場・商業用LEDの市場動向とLED照明の技術課題
1高圧放電灯(水銀灯)とLED照明の寿命
1.1高圧放電灯(水銀灯)とLED照明の寿命定義の違い
1.1.1高圧放電灯(水銀灯)の寿命定義について
1.1.2LED照明の寿命定義について
1.1.3高圧放電灯(水銀灯)専用の安定器の寿命
1.1.4LED専用電源(AC-DCコンバータ)の寿命
2高出力LED照明の開発動向
2.1高出力LED照明開発の概況
2.1.1光量、波長のばらつき
2.1.2ジャンクション温度とヒートシンク設計について
2.1.3高出力LED照明の演色性と色温度について
2.2高出力LED照明の照度及び照射距離を上げる光学レンズ開発
2.2.1光学レンズの開発の必要性
2.2.2光学レンズと色収差について
2.2.3光学レンズとグレアについて
2.3高圧放電灯(水銀灯)と高出力LED照明との照度比較
2.4高出力LED照明の技術的課題
3LED照明のメンテナンス
3.1メンテナンス軽減について
3.1.1保守率について
3.1.2設置方法について
4LED照明の信頼性
4.1信頼性を高める設計方法
4.1.1回路設計・放熱設計
4.1.2静電気対策
4.1.3LED専用電源回路(AC-DCコンバータ)
4.2周囲温度と設置環境による寿命への影響
4.3LED照明開発における信頼性試験について
4.3.1低温及び高温動作試験
4.3.2ホットスタート、コールドスタート試験
4.3.3高温高湿試験
4.3.4ヒートサイクル試験
4.3.5低温及び高温放置試験
4.3.6電源ON/OFF試験
4.3.7絶縁耐圧試験
4.3.8振動試験
4.3.9防水試験
4.3.10絶縁抵抗試験
5高出力LED照明の市場動向
5.1高圧放電灯(水銀灯)から高出力LEDへの交換市場
5.1.1工場・倉庫の市場
5.1.2スポーツ施設の市場
5.1.3商業ビルの市場
5.1.4駐車場・街路灯の市場
5.1.5農業・漁業での市場
6LED照明の導入後の環境効果
6.1水銀灯400WからLED照明95Wに取替えた導入事例と効果
6.2水銀灯250WからLED照明56Wに取替えた導入事例と効果
7LED照明の導入の課題
7.1製品コスト問題
8LED照明の将来展望
8.1LED照明の開発動向
3節自動車用LEDの市場動向及び技術課題
1外装におけるLED
1.1世界初の搭載
1.2近年の動向
1.3新しい応用例
1.3.1黄色LED
1.3.2赤外LED
1.3.3白色LED
2内装におけるLED
2.1表示用としてのLED
2.2照明用としてのLED
3LEDヘッドランプ
3.1ヘッドランプの要件
3.1.1使用環境
3.1.2配光要件
3.2LEDヘッドランプの要素
3.2.1光源
(1)LEDパッケージ
(2)光束
(3)光源の形状
(4)発光スペクトル
3.3今後の開発課題
3.3.1発光効率の向上
3.3.2発光色の改良
3.3.3コスト低減
4節植物栽培におけるLED及び各種光源応用技術
1フードマイレージの数値を小さくする努力と植物工場の関わり
2植物工場の類型と栽培用光源
3植物はどのように光を利用しているのか
4光合成と光形態形成
5植物栽培に利用可能な光源
5.1白熱電球
5.2蛍光ランプ
5.3メタルハライドランプ
5.4高圧ナトリウムランプ
5.5冷陰極管(CCFL)
5.6発光ダイオード(LED)
6用途別植物栽培用LEDの応用事例
6.1植物の生理、光形態反応実験用途
6.2完全制御型・太陽光併用型植物工場用途
6.2.1収穫ACE
6.2.2Sodatsu(GAIA magical nursery)
6.2.3トルネードACE
7植物工場用栽培光源に求められる性能と課題
8植物工場システムの事業化とイノベーション
5節医療から見たLED照明の技術課題
1無影灯の歴史
2白色LEDゴーグルライトの誕生
3白色LEDを用いた手術
4パワー発光ダイオードモジュール:大学等発ベンチャー創出支援制度
5第3世代ゴーグルライト デザイナーデザイン
6究極のLED超局所外科医療照明
6.1内視鏡手術の現状
6.2LED光源の省エネ性は途上
6.3LED光源の無秩序な普及には医学的な問題がある
6節漁業におけるLED光源の利用と課題
1LED応用研究の経緯
2LED集魚灯の開発研究
3魚の走光性と集魚灯
4集魚灯イカ漁
5集魚灯の歴史
6LED集魚灯の原理
7LED集魚灯によるイカ釣り実験操業
8水中集魚灯
9LED集魚灯の技術的課題

7章 照明用LED光源の規格、試験方法について

1JIS規格(一部計画)と対応国際規格(IECなど)の状況
2ヨーロッパ(EU)での標準化
3アメリカ(US)での標準化
4日本以外のアジア地域での動向
5電気用品安全法 技術基準



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