研究報告№７（２０１７）

LED の更なる高効率化・省エネルギーを図る
新たな高放熱性セラミックス基板材料の開発〜放熱性セラミックスの放射特性に関する基礎的検討〜
窯業系チーム要

高石大吾，稲田博文，荒川裕也

旨近年，LED 照明が急速に普及しているが，その高輝度化，ハイパワー化に伴う放熱対策は喫緊の課題であり，セラミックスの放射による放熱効果が注目されるようになっている。本研究では，セラミック製放射放熱部材・ヒートシンクの開発により，本課題を解決することを目的として基礎的検討を行った。セラミック，金属，樹脂の各材料の分光放射率測定を行い，物質による赤外放射特性の違いを評価した。また，アルミナセラミック試料を作製・加工して，物体の表面状態が放射率に及ぼす影響について評価を行った。セラミックスによる放射放熱の有効性を示唆する結果が得られた。

１．はじめに導，対流，熱放射の３種類がある1）。熱伝導は物質，近年，LED（Light Emitting Diode；発光ダイオー

対流は流体，熱放射は放射線（電磁波）によって熱がド）を用いた照明器具が広く普及している。2014年にエネルギーの高いところから低いところへ運ばれる現「明るく省エネ型の白色光源を可能にした効率的な青象である。熱放射は電磁波によるエネルギーの移動で色 LED の発明」により，赤崎，天野，中村氏にノーあることから，物質を介さずに熱の移動が行われ，真ベル物理学賞が授与されたことは記憶に新しい。白

空中でも熱を伝えることが可能である。

色 LED 照明の特徴は，省エネルギー，高効率であり，従来の LED 照明の放熱対策としては，アルミニウ

高輝度，高演色性，調光性に優れ，熱線や紫外線が少ム製の放熱フィンによる空冷が一般的であり，空冷ないこととされている。全固体照明であることから，ファンと組み合わせる場合も見られる。これは熱伝導長寿命かつ高信頼性であり，また視認性にも優れること対流を利用した放熱方式であるが，高輝度化によるとから，信号等の屋外用途にも採用されている。この温度上昇に対して冷却効率の限界が危惧されている。

ような優れた特性から，最近は自動車のヘッドランプ

また構造が大きくなり，複雑化することも課題であやスタジアムの照明等に用いられる高輝度 LED も開る。一方，セラミックスは遠赤外線ヒーターに使用さ発され，社会実装が進められている。LED 光源が放れていることからも理解されるように，赤外波長域の射する光自体にはほとんど熱線が含まれていないが，放射特性に優れている。この放射特性に着目し，放射LED 素子自体は発熱し，投入した電力の70% 程度は熱になるとされている。LED 照明の高輝度化は，つまり発光体である LED 素子に流れる電流電圧の増大

放熱による冷却が提案され2，3），利用され始めている。
遠赤外放射については，乾燥や加熱といったいわゆるを意味し，発光効率の大幅な向上が望めない現状にお性という観点からの評価はほとんど行われていない。

いては温度の上昇は避けられない。LED 照明には様々

この方式は，従来に比べてシンプルな構造で実現できな方式が存在するが，LED パッケージ及びモジューること，密閉型で対流による熱移動が困難なパッケー

遠赤効果についての研究は行われているが4，5），放熱ル化されている照明は，樹脂で封止された LED 素子，ジでも冷却効果が期待できることなどの利点がある。

電極及び電子部品等から構成されている。温度の上昇

そこで本研究では，セラミックスによる放熱部材・は発光強度の低下，封止材料や電子部品の劣化を招

ヒートシンクの開発を目指して，各種材料について放き，製品寿命が４万時間と設計されている場合でも，射率測定を行い，材料，組成及び表面状態が及ぼす影実際には低寿命化することが指摘されている。

響を評価することを目的として基礎的な検討を行った。

熱の移動形態には，熱移動の３原則と言われる熱伝−40−

京都市産業技術研究所
２．実験方法度は大きくなる。測定で得られた各放射エネルギーか２.１ 試料

ら試料の分光放射率を求めた。また，試料の分光放射各種材料の放射率を比較するため，金属材料（純ア率に，プランクの式から得られる所定の温度の黒体のルミニウム，純銅），樹脂（PTFE），セラミックス（ア分光放射輝度を乗じることにより，その試料の分光放ルミナ，ジルコニア，AlN，Si3N4）を用意した。金属

射輝度を求めた。さらに，試料の積分放射輝度をプラ材料，樹脂，アルミナ，Si3N4は市販の部材を所定のンクの式から得られる分光放射輝度の積分値で割るこ寸法に切断加工し測定用試料とした。ジルコニアととで，各試料の積分放射率を算出した。

AlN は，市販の顆粒を金型プレス成形後，所定の温度で焼結し測定用試料とした。
またセラミックスについては，表面状態が放射率に与える影響を評価するため，焼結体に対して加工を行い未加工面と比較した。高純度アルミナ DS-25（大明化学工業（株））の顆粒を用いて金型による一軸プレスで仮成形した後，冷間等方加圧成形（CIP）法により400MPa で成形体を得た。1600 ℃で１ h 焼成し得られた焼結体について，研削・研磨加工として，焼結体上面に＃250ダイヤモンド砥石による研削加工（砥石研削面）及び＃1500で研磨（研磨面）して測定用試料
図１とした。また，同焼結体に対する切削による溝加工

各温度での黒体の分光放射輝度として，焼結体上面に，幅１ mm, 高さ２ mm の溝を，１ mm 間隔で14本（溝数14），あるいは，0.5mm 間隔

３．結果および考察で18本（溝数18），切削加工により付与した。

３.１ 各種材料の放射率
セラミック，金属，樹脂の200℃での放射率測定結

２.２ 分光放射率測定

果を図２に示す。アルミナセラミックスは，５〜12μⅿ

各試料の放射率は，日本工業規格 JIS R1802に準拠

程度の波長範囲において100％近い高い放射率を示すした放射率測定システム（（株）島津製作所）を用いて特徴的なスペクトルが観測された。純アルミニウム及測定した。本システムは，黒体炉，試料加熱炉，温度

び純銅は2.5〜25μⅿの全波長範囲にわたって20% 以制御器，FT-IR を用いた光学系及び検出器から構成さ下であった。一方，PTFE は測定波長範囲においてはれている。測定手順は，黒体炉と試料加熱炉を測定温ほぼ一定の80% 以上の放射率を示した。図３に同じく度に設定し，温度が安定したら，まず黒体炉の放射エ分光放射輝度の結果を示す。プランクの式から計算しネルギーを測定する。次に試料加熱炉側に光路を切りた黒体放射のスペクトルのピークである７μ m 付近

替え，設定温度に加熱した試料表面からの放射エネル

では，アルミナセラミックスの放射が最も大きいことギーを測定する。今回は200℃で測定した。試料加熱が分かる。10〜20μⅿの波長範囲では，アルミナセ

炉は試料下部からの加熱方式のため，試料表面温度はラミックスの放射が低下する一方，PTFE は黒体放射設定温度より低い可能性がある。表面温度を補正する

スペクトルに沿った一定の強度を示した。金属材料はため，測定試料と同一形状の試料をもう一つ用意し，いずれも極めて低い分光放射輝度を示すことが分かっ

その表面に放射率既知（0.94）の黒体スプレーを塗布た。

して放射率を測定し，温度補正を行った。放射率は黒体に電磁波が入射した場合すべて吸収される。温「放射体の放射発散度とその放射体と同温度の黒体の度が平衡状態にある場合，キルヒホッフの法則から放放射発散度との比」として定義されている6）。黒体か射率は吸収率と等しくなるので，黒体からの放射率はら放射されるエネルギーはプランクの法則として知ら100％となる。しかし，黒体でない物質では吸収以外7）れるように波長と物体の温度の関数となる 。図１にに反射と透過が生じ，吸収率＋反射率＋透過率＝１の示すように，温度が高くなるに従い黒体の放射発散輝関係が成り立つ。ここで，図２の放射率測定結果をみ−41−

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ると，金属材料は表面光沢があり反射率が大きいことから吸収率が小さく，つまり放射率が小さいことが理解される。樹脂は遠赤外領域で幅広く吸収帯を持つことから，80％程度の一定の放射率を示したと考えられる。図３から分光放射輝度のスペクトルは５〜12μ mの波長範囲で大きくなっているが，この範囲で放射が大きいアルミナセラミックは，放射放熱の効果が大きいことが期待される。

図２

図３

図４

アルミナセラミックの200℃での分光放射率スペクトル図５ジルコニアセラミックの200℃での分光放射率スペクトル

アルミナセラミック，純銅，純アルミ，樹脂（PTFE）の200℃での分光放射率スペクトル

アルミナセラミック，純銅，純アルミ，樹脂（PTFE）の200℃での分光放射輝度

各種セラミックスの放射率測定結果を図４〜７に示す。セラミック材料であっても成分が異なるものは放射率スペクトルの形状が異なることが分かる。100℃
及び200℃の分光放射輝度の結果を図８及び図９に示す。100℃において，黒体放射が最も高い５−10μⅿ
図６ AlN セラミックの200℃での分光放射率スペクトル付近の波長範囲では，Al2O3のスペクトルが最も強い放射を示した。12μⅿ以上では Si3N4が強い放射を示した。一方，200℃では，黒体放射スペクトルのピークが低波長側にシフトし，同時に各種セラミックのピークもシフトした。

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表１に100 ℃及び200 ℃における積分放射率の算出結果をまとめた。セラミック材料は0.71〜0.86，金属は0.1未満，樹脂（PTFE）は約0.85であった。この結果から，金属材料はそのままでは放射による放熱は望めないことが明らかである。一方，樹脂について，積分放射率は大きいものの熱伝導率がセラミックの1/100以下と著しく小さく，断熱材として働くため，放熱材料としては有効でないと考えられる。セラミックを比較した場合，200 ℃の積分放射率は0.74〜0.82と10 ％程度の差と見積もられる。この差が放熱性に
図７

どれだけ影響するか，定量的な評価が今後の課題とな

Si3N4セラミックの200℃での分光放射率スペクトルる。また，分光放射輝度の100 ℃と200 ℃を比較すると，スペクトルがシフトしており，放射による放熱特性も温度により変化することが推察される。放射放熱材料としてセラミックを用いる場合，どのような温度域で効果を発揮するのか，機械的特性や電気的特性と併せて，詳細な検討が必要と考えられる。
表１

各種材料の積分放射率

材質

図８ 各種セラミック（アルミナ，ジルコニア，AlN，Si3N4）の100℃での分光放射輝度

アルミナ
純銅純アルミ樹脂（PTFE）
ジルコニア
窒化アルミ
窒化珪素
黒体

積分放射率

100℃
0.71
0.090.06
0.840.74
0.710.79
1.00

200℃
0.740.070.080.860.75
0.75
0.82
1.00

３.２ 表面状態の影響
研削・研磨加工試料の放射率測定結果を図10に示す。未加工面を基準にすると，10−15μⅿの波長範囲で研磨面の放射率は低下し，砥石研削面は増大した。
それ以外の波長範囲では大きな違いは観測されなかった。表面積の増加に伴い放射率は増大し，表面積の減少に伴い放射率も減少することが示された。また，切削による溝加工試料の放射率測定結果を図11に示す。
図９

各種セラミック（アルミナ，ジルコニア，AlN，Si3N4）の200℃での分光放射輝度

未加工面に比べ，いずれの試料も放射率は増大し，溝数の多い方が若干高くなった。本システムでは垂直方向の放射成分のみを検出しており，角度依存性については考慮されていないが，今回の測定結果は表面積の増大が放射放熱に効果的であることを示唆するものといえる。

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総合的に考える必要がある。
引用文献
１）伝熱工学

一般社団法人

日本機械学会，2005（丸善出版株式会社）
２）特開2012-180275
３）特開2017-45979
４）遠赤外線セラミックス産業対策調査研究（平成３年度

無機新素材産業対策調査委託調査結果報告書），平成４年，遠赤外線産業協会
５）非加熱部会測定分会活動報告書，平成５年，社団

図10 研削・研磨加工試料の200℃での分光放射率スペク
トル

法人遠赤外線協会
６）日本工業規格 JIS Z 8117（2002）
７）光放射の基礎

社団法人

シオ電機株式会社）

図11 切削による溝加工試料の200℃での分光放射率スペクトル

４．ま と めセラミック製放射放熱部材・ヒートシンクの開発により，高密度化，ハイパワー化するＬＥＤ照明や電子デバイスの課題である熱を解決することを目的として基礎的検討を行った。セラミック，金属，樹脂の各材料の分光放射率測定を行い，物質による赤外放射特性の違いを評価した。また，アルミナセラミック試料を作製・加工して，物体の表面状態が放射率に及ぼす影響について評価を行った。セラミックスによる放射放熱の有効性を示唆する結果が得られた。
セラミックの放射放熱特性の向上のためには，その組成や微構造，表面状態等が分光放射率に及ぼす影響をより詳細に検討することが重要であり，今後の課題といえる。また，ヒートシンク等の放熱材料の開発の観点から，放射による放熱特性の定量的評価や，熱伝導及び対流による熱移動と組み合わせた冷却効果を，−44−

照明学会，2005年（ウ