LED照明

context: LED照明(エルイーディーしょうめい、英:LEDlamp,LEDlightbulb)は、発光ダイオード(LED)を使用した照明器具のことである。2017年現在、照明器具の主力光源となっている。LEDを使用しているため、低消費電力で長寿命といった特徴を持つ。定格範囲内で使用する限り発光素子自身は比較的長寿命であり、熱による劣化が寿命の決定要因となる。LED照明に求められる白色の発色には青色の光源が必要なため、1990年代に青色LEDが発明されるまでは可視光LEDを使ったLED照明を作ることは現実的ではなかった。ブルーライトを伴った高輝度のLED照明が普及し環境や健康に有害であるため、2016年にはアメリカ医師会が、運転や睡眠、生態系に与える影響を低減するためのガイダンスを作成している。
qas: question: 2017年現在、照明器具の主力光源となっているのは、何ですか?
answers: text: LED照明

question: LED照明から見たLEDの特徴には、低消費電力のほかに、何があるの?
answers: text: 長寿命

context: LED照明は、蛍光灯や白熱電球といった従来型の照明器具と比較すると長寿命・高信頼性と低消費電力・低発熱性、高価格、RoHSに対する高い順応性、耐衝撃性、小型・点光源、高速応答性、直流低電圧駆動などの特徴を備える。他の特徴として、内蔵した各色LEDの発光を切り替えることで、発光色を容易に変えられる。そのほか、赤外線を出さないため、放射熱も出さない。また、紫外線を出さないことで紫外線を好む虫類がほとんど寄ってこないなどの利点がある。
qas: question: LED照明と従来型の照明器具のうち、より低価格で提供されるのは、何か?
answers: text: 照明器具

context: LED素子の帯域はレーザーのような線スペクトルほどではないが、既存の光源に比べるとずっと狭く、単一のLEDで白色光を出すことはできない。ただし、蛍光体により短波長の光を長波長の光に変換することができるので、LED自体は青色のみにして他の色は蛍光によって出すこともできる。いずれも青色LEDが必須であり、青色LEDの発明によって初めてLED照明は現実的となった。青色LEDと黄色発光体を使ったものが最も普及している。青色LEDと赤色・緑色発光体を使ったものもあり、演色性には優れるが、高価でエネルギー効率に劣る。蛍光の帯域は広く、帯域が広いほうが演色性に優れた良質な照明なので、照明には主に蛍光体が使われる。
qas: question: LED自体は青色のみにしても、何があれば他の色が出せますか?
answers: text: 蛍光

question: 最も普及している照明は、何と黄色発光体を使ったものなの?
answers: text: 青色LED

context: エネルギー効率が良いため、様々な場面で従来の照明から、高輝度のLED照明に置き換えられているが、その明るさや、白色光に見られるブルーライトは環境や健康に有害であるため、2016年にはアメリカ医師会がガイダンスを作成している。青色が豊富な強烈な光は、運転手の視力に影響を与え、安全性を低下させる。夜間に(睡眠を司るホルモン)メラトニンの分泌を抑制し、大規模調査は、住居における夜間の明るい照明は、睡眠時間の減少、睡眠の質の低下、眠気、昼間の機能の低下、また肥満に関連することが判明している。過剰な照明は闇を必要とする鳥、昆虫、亀、魚など他の生物の生態にも影響する。このため、まぶしさの低減とブルーライトの制御が必要である。蛍光灯やLED照明には近視の進行を防ぐバイオレット光が含まれないため、蛍光灯やLED照明を使用すると生活環境からバイオレット光が欠如してしまう。蛍光灯やLED照明の使用と近視の世界的な増加に関係がある可能性が慶応大学医学部により指摘されている。
qas: question: 蛍光灯やLED照明の使用が近視の世界的な増加に繋がる可能性があるとの指摘があったのは、蛍光灯やLED照明には何が含まれていないからか?
answers: text: バイオレット光

question: バイオレット光は、何の進行を防ぐ機能があるものか?
answers: text: 近視

question: 住居における夜間の明るい照明は、主に何について悪影響を与えると言っているの?
answers: text: 睡眠

question: この文書では、LED照明が生態や人体においてどうだと言っていますか?
answers: text: 有害

context: 表面実装型は多様な形状が存在する。2009年現在登場している「パワーLED」と呼ばれる新たな照明用LEDのパッケージは、放熱性や発光特性に考慮して各社で異なるため、それらの形状はまちまちである。パッケージの背面に放熱板(ヒートシンク)が密着して取り付けられるので、放熱には有利となる。基本的に表面実装型では、配線が描かれた小型基板の上にリフレクタが取り付けられ、その中央に素子が置かれてダイ・ボンディングされ、素子と基板の間がワイヤ・ボンディングで接続される。蛍光体と樹脂がリフレクタで囲まれた上に注がれ素子を覆っている。小型基板は樹脂、金属、セラミックが使用される。表面実装型(SMD型)は、一般にフェース・アップ実装とフリップチップ実装のものがある。これらの他に、チップの新たな構造として、張り合わせタイプがある。
qas: question: 「パワーLED」が登場したのは、何年ですか?
answers: text: 2009年

question: フェース・アップ実装とフリップチップ実装のもののほかに、表面実装型に含まれるものとして書かれているのは、何?
answers: text: 張り合わせタイプ

question: 表面実装型で、上にリフレクタが取り付けられるところには、樹脂、金属のほかに、何が使用されるか?
answers: text: セラミック

context: フェース・アップ実装では、素直に素子上面を外面に向けてパッケージのリードやサブストレートに実装し、ワイヤ・ボンディングするものである。樹脂の熱歪でワイヤが断線する危険がある。ワイヤが邪魔で発光効率を下げる。発光素子のサファイヤ基板は熱伝導率が低いため放熱はボンディングされたワイヤにも頼るが、それでも熱を外に逃がし難い。フリップチップ実装では、発光素子をサブマウント上にフリップチップ実装した後、サブマウントをパッケージのリードやサブストレートに実装する。ワイヤ・ボンティングはサブマウントに対して行う。発光素子は上下が逆になるため、光はサファイヤ基板を透過して外面に向かう。発光によって熱が生じる活性層はサブマウント近くになるため、バンプを通じての放熱が行いやすい。ただし発光素子をバンプでサブマウントに付ける時に、熱と超音波振動が加えられるために素子や周辺に負担がかかる。
qas: question: フェース・アップ実装では、何が邪魔になり発光効率を下げますか?
answers: text: ワイヤ

question: 発光素子をサブマウント上にフリップチップ実装した後、サブマウントをパッケージのリードやサブストレートに実装するのは、フェース・アップ実装とフリップチップ実装のうち、どれか?
answers: text: フリップチップ実装

question: フェース・アップ実装とフリップチップ実装のうち、放熱の面でより優れているのは、どちらか?
answers: text: フリップチップ実装

context: バンプは金線を使用したワイヤ・ボンディングを利用して作る。トーチで金線の先端を加熱しボールを作る。ボールをキャピラリで発光素子の配線パッド上に押し付け、荷重と超音波、加熱により配線パッドと金線を合金化するとともにバンプを形成する。キャピラリを配線パッドから離し、バンプだけを残す。加熱はバンプ形成では約230°Cである。張り合わせタイプではフリップチップの素子に似ているが形状が少し異なり、フリップした時に外部を向くサファイヤ層は除かれて反対に基部になる層として導電性基板が貼り付けられる。
qas: question: バンプは、何を利用して作るの?
answers: text: 金線を使用したワイヤ・ボンディング

question: バンプが形成される過程では、約何°Cほどの加熱が必要ですか?
answers: text: 約230°C

context: フリップチップ実装によってセラミック製のパッケージに直接実装する方法も採られている。セラミック製のパッケージに直接実装すれば、サブマウントを省くことで工程の簡略化や信頼性の向上になる。このようなものはCOB(Chiponboard)と呼ばれ、複数の素子を1つの大きなパッケージに直接実装したモジュールとすることで放熱性が高められる。
qas: question: セラミック製のパッケージに直接実装することにより得られる利点は、工程の簡略化と何か?
answers: text: 信頼性の向上

context: マルチチップLEDは1つのパッケージ内に複数個のLED発光素子を搭載した複合構造のLEDである。マルチチップの実装では、表面実装型とそのほかの多様な形態のパッケージがある。シングルチップでは素子(チップ)は高光出力で大きさも1mm角以上と大きめのラージサイズチップが使用されることが多いが、マルチチップでは0.6mm角程度のミドルサイズチップや0.35mm角程度のノーマルサイズチップが使用されることが多い。マルチチップでは素子自身の発光色の組み合わせによって2通りの構成がある。その一つが「すべて青色発光を行い、黄色系と赤色系の蛍光体からの色も含めた混色で白色を得る」もので、残りの一つが「複数の発光素子を利用してRGB各色の発光を行い、それらの混色で白色を得る」ものである。前者は演色性に問題が少なく、一般照明用途に向く。後者は各色のスペクトルが狭く演色性に問題がある。一般照明用途に向かないがカラー液晶用のバックライトには適している。マルチチップでは発熱源が分散できるが発熱が増えるのでシングルチップ以上に放熱が求められる。また、発熱部分が集中して温度が部分的に上昇し過ぎないように留意する必要がある。蛍光体を使用する白色LEDでは、蛍光体はリフレクタによる作られるくぼみなどに充填される。沈降などで発光素子の近くにだけ蛍光体の分子が濃密に分布しないよう均質に分散している必要があり、充填量もどの製品でも等しく正確な量でなければならない。これらが守られないと、製品は色ムラによる不良となる。
qas: question: サイズが0.35mm角程度のチップは、ノーマルサイズチップとミドルサイズチップのうち、どちらに該当するの?
answers: text: ノーマルサイズチップ

question: 複数の発光素子を利用してRGB各色の発光を行い、それらの混色で白色を得るものは、演色性に問題があるか、ないか?
answers: text: ある

question: 複数の発光素子を利用してRGB各色の発光を行い、それらの混色で白色を得るものは、一般照明用途に向く、向かないか?
answers: text: 向かない

context: シングルチップとマルチチップでは形態だけでなく特性や用途も異なってくる。シングルチップのラージサイズチップでは比較的高出力が得られるが、発光効率は低くなる。反対にマルチチップのノーマルサイズチップは1つずつは高出力は得られないが、発光効率は高くなる。マルチチップでは放熱設計が楽になる傾向がある。シングルチップは光源が1つであるため光学設計が単純でありレンズや反射鏡を使用する照明に向いている。マルチチップは光源が複数になるので集光する用途などには向かないが、面を照らす照明や人の目に触れる照明には点光源ごとの輝度が低いので向いている。強い光を放つ点光源では影が強く出て、用途によっては嫌遠され、導光板や拡散板を使って面光源とすることもある。半導体素子は同じプロセスを経ているものでもバッチごとに微妙に特性が変化する。シングルチップを照明用途で並べる場合を考えれば発光色の波長や光強度にバラツキがあると使用に差し支えるため、製造工程でチップの発光特性を均一に保つようにしなければならない。チップをパッケージに実装する前に電流を流して光を分析して分別を行い、それぞれの特性を調整する蛍光体を加える必要がある。マルチチップでの1つのパッケージ内のチップ同士でも同様の問題があるが、特性の異なる複数のチップを組み合わせることで解決でき、手間のかかる蛍光体による調整は必要ない。
qas: question: シングルチップのラージサイズチップとマルチチップのノーマルサイズチップのうち、より高い出力を得られるのは、どちらなの?
answers: text: シングルチップのラージサイズチップ

question: シングルチップのラージサイズチップとマルチチップのノーマルサイズチップのうち、発光効率がより低いのは、どちらですか?
answers: text: シングルチップのラージサイズチップ

question: シングルチップとマルチチップのうち、光源がより多いのは、どちらか?
answers: text: マルチチップ

question: この文書では、シングルチップとマルチチップを、用途と工程での差のほかに、何において比較しているか?
answers: text: 特性

context: LEDは、極性のある直流によって発光し、適正電圧と耐圧がともに低いため、使用には専用の電源が必要となる。LEDはダイオードであるため、順方向電流と順電圧には相関があり、数ボルト程度の低い耐圧に応じた順電圧が少し上昇するだけで過大な順方向電流が流れて容易に損傷を受ける。これを回避するために、電流制限抵抗や定電流素子(定電流ダイオードや定電流ICなど)をLEDに直列に挿入して、電圧変動による影響を少なくする必要がある。一般にLED照明では複数のLED素子を使用するため、それらの接続方式には直列方式と並列方式、直並列方式の3種類がある。
qas: question: LEDを使用するのに専用の電源が必要であるのは、適正電圧と何がともに低いためなの?
answers: text: 耐圧

question: 複数のLED素子を接続する3種の方式のうち、直列の接続方式を全く使わないのは、どれですか?
answers: text: 並列方式

context: 直列方式とは複数のLEDを直列に接続する方式のことを言う。電流制限抵抗はただ1つを直列に挿入する。この直列接続方式では個別の電源回路や配線を設けずに済むが、1つがショートモードで故障すると順電圧の総和が下がって順電流が増加し、1つがオープンモードで故障するとその回路全体が消灯してしまう。ショート時の順電流増加を防ぐため、電流制限抵抗よりも定電流素子のほうが良い。並列方式とは複数のLEDを並列に接続する方式のことを言う。電流制限抵抗は各LED素子ごとに1つずつ挿入する。一つの素子が故障しても、他の回路への影響が少ない。直並列方式とは、直列方式と並列方式の両方式を取り入れ、いくつかの並列接続した群を直列に接続することで回路がハシゴ状になる方式のことを言う。LED素子の1つがショートモードで故障しても他の並列群が発光を続け、1つがオープンモードで故障しても故障した以外のLED素子が発光を維持できることが期待できる。上記のLED素子の単体の故障時に、たとえ発光が維持できても、規定した電流・電圧からは外れるため、照度や寿命を考慮すれば、故障したLED素子を交換する方が良い。また、LEDの順電圧の総和が、電源電圧に近くなる数だけ直列接続すれば、電源回路を省いて100Vの交流商用電源に、そのまま接続することは可能であるが、素子数の制約だけでなく、LED素子は極めて耐圧が低いため、ちょっとしたサージで簡単に損傷する可能性があり、商用電源周波数の影響をまともに受け、人によってはチカチカと点滅を繰り返した照明となるため、商品としての設計には向いていない。
qas: question: 直列に接続する方式を全然使わないのは、直列方式と並列方式、直並列方式のうち、どれなの?
answers: text: 並列方式

question: ただ1つの電流制限抵抗を直列に挿入する方式は、何か?
answers: text: 直列方式

question: 一つの素子の故障が他の回路に及ばす影響がより少ないのは、直列方式と並列方式のうち、どちらですか?
answers: text: 並列方式

question: この文書では、何を接続する3種の方式について説明しているかを答えなさい。
answers: text: 複数のLED

context: LEDの駆動には電圧変動を少なくするために、定電圧回路による駆動が考慮される。また、順電圧には負の温度特性があり、温度が上がると順電圧が下がるので、温度特性による光量変化が避けたい場合には定電流回路で駆動することも考えられる。他の照明器具では考慮する必要がないが、LEDは微弱な電流でもそれに相当する弱い光を放つため、消灯時には電源回路からの漏れ電流がLEDに加わらないようにする必要がある。数μA程の微弱な電流でも暗闇では点灯が判別できるので、電源回路の設計には注意が求められる。それ自身が発熱する電源回路は、熱に弱いLED素子の放熱を阻害しないように離して設置する必要があるが、供給電圧が低い場合にあまり両者を離すと、給電用電線の抵抗で電圧降下を起こしエネルギー損失と共に予定した光度が得られない可能性があるので、注意が求められる。
qas: question: LEDの駆動には、何が高いために定電圧回路を利用することが考慮されるのか?
answers: text: 電圧変動

question: LEDでは、消灯時に何がLEDに加わらないようにする必要があるの?
answers: text: 電源回路からの漏れ電流

question: それ自身が発熱する電源回路は、何との距離が近くても遠くても問題が生じうるため、設置場所の選定に注意が求められますか?
answers: text: LED素子

context: LED照明の使用中、電源回路からは電源コイルが発する磁力の影響により、ノイズが発生することが多い(回路によっては定電流ダイオード(CRD)を使用し、ノイズが発生しない構成を取るものもある)。そのため電源回路にはノイズが漏洩しないよう、フィルタ回路で適切な電磁両立性(EMC)対策を施すことが求められる。2012年7月より、日本国内においてはLED関連器具(LEDランプおよびLED電灯器具)が、電気用品安全法(PSE)の規制対象となり、製品安全試験に加え不要輻射(EMI測定)が必須要求となった。規制前は、主に格安製品を中心に、適切なEMC対策が施されていない物も少なくなかった。このような製品は、LED照明が点灯している間は常にノイズが発生するため、中にはテレビ・ラジオなど無線通信の受信に悪影響が出る場合もあり、街路灯の光源を全てLED電球に交換したところ、テレビへの混信が発生したため、不要輻射対策品への再交換を行った事例もある。
qas: question: 電源回路においてフィルタ回路で適切な電磁両立性対策を施すことが求められるのは、何の影響により発生するノイズが漏洩しないようにするためですか?
answers: text: 電源コイルが発する磁力

question: 2012年7月から日本国内では何の法でLED関連器具を規制しているの?
answers: text: 電気用品安全法

question: LED関連器具が日本国内において法により規制され始めたのは、いつからか?
answers: text: 2012年7月

context: 定格範囲内で使用する限り発光素子自身は比較的長寿命である。ただし、発光素子を取り囲む樹脂材料は強い光や発熱で劣化するため発光素子が正常でも比較的早期に透明度が失われて実用には適さなくなる。また発光部(LED)以外、例えば電源回路の受動部品(コンデンサ等)や電源供給用半導体、基板・配線等も主に温度・湿度の変化を受けて照明器具の寿命を決める要素となる。照明器具全体での温度や湿度に対する耐久性が求められるが、その全体の寿命は発光部や電源回路だけでなく、スイッチや電線なども経年変化を受けるため、他の電気機器と同様に10年程度を目処に交換することが推奨される。白色LEDが登場した初期には、従来の赤色LEDと同様にエポキシ樹脂が用いられていたが、定格動作しただけで蛍光灯と同等かそれよりも早く劣化が進み、白色LEDの出力向上では一層それは顕著となった。いまではシリコーン樹脂を封止材料に選ぶことでかなりの改善が見られるが、依然として熱による劣化と透明度の低下がLED素子の寿命を決定している。従来のLEDが状態表示等に使われている限りは明るさの低下はその装置全体の性能の決定的な要素ではなかったが、照明器具としての白色LEDでは明るさの低下は使用者の利便を損なうだけでなくエネルギーの無駄となるため、明るさ低下の許容範囲は自ずと限られる。従来のLEDは電子部品の寿命として「輝度が初期の50%となるまで」と定義されているが、照明用途ではとても許容できない。例えば一般の蛍光灯では光束が初期の70%になるまでと定義されており、おそらく同様の規定になると考えられる。
qas: question: 定格範囲内で使用した時のLED素子自身の寿命は?
answers: text: 比較的長寿命

question: 比較的長いLED素子の寿命に影響を及ばしさらに短くするのは、何の劣化とそれによるLED素子の透明度の低下であるか?
answers: text: 樹脂材料

question: 現在、白色LEDにおいて早く劣化が進むことを改善するために、封止材料に採用されているのは、何ですか?
answers: text: シリコーン樹脂

question: 従来のLEDと一般の蛍光灯のうち、寿命に対しより緩やに規制されていたのは、何か?
answers: text: 従来のLED

context: 1990年代に青色発光ダイオードが開発されて以降は、LEDによる白色光照明の実用可能性が高まり、局所照明を中心に徐々に市販製品が登場している。野村総合研究所の予測では白色LED照明は世界全体で2012年には2009年の3倍近くの約4782億円相当になるとされる。富士経済では日本国内のLED照明市場は、2008年の全照明市場4494億円の内の約3%分133億円程度から、2012年には全照明市場4880億円の内の約12%分578億円程度になると予測している。白熱電球は世界的にも環境対策や省エネルギー政策の観点から使用中止が求められる傾向があり、日本国内では環境省と経済産業省が2012年までに白熱電球の販売自粛を要請しており、大手メーカーも積極的な販売を控えているため、代替が出来ない製品を除いて、生産を縮小した。大韓民国では「15/30プロジェクト」という2015年までに全照明の30%をLED照明に切り替える計画を進めている。中華人民共和国では「10都市街灯普及プロジェクト」によって国内21都市でLED街灯を試験的に設置する。中華民国政府は、2008年間からの4年間で総額20億台湾元をLED関連の研究開発支援に投資する。
qas: question: 野村総合研究所と富士経済によるLED照明市場の成長に対する予測は、同じく何年までの予測であるの?
answers: text: 2012年

question: 大韓民国では、何年までにLED照明の占める割合が全照明の30%になるようにするとの計画が出されたの?
answers: text: 2015年

question: 世界的に環境対策や省エネルギー政策の観点から使用中止が求められた照明器具は、何か?
answers: text: 白熱電球

question: 政府が2008年間からの4年間で総額20億台湾元をLED関連の研究開発支援に投資すると発表したのは、どの国か?
answers: text: 中華民国

context: 中華民国と同様に、中国、米国もLED照明の開発に政府が多額の資金援助を行っている。日本でも、国内立地の推進事業等を通して、LED(他にはリチウムイオン電池・太陽光発電等)の事業・工場の立地が進んだ。照明器具産業は、製品技術や市場変化の点で長い間大きな変化がなく、白熱電球や蛍光灯管という光源を作る幾つかのメーカーとそれを取り付ける器具メーカーがあり、両方行う総合照明メーカーも含めて棲み分けを行い成熟した市場で安定的な関係を構築してきた。特に光源メーカーとして新規参入する機会は乏しかったが、LED照明の登場で産業構造に変化の兆しがある。半導体を使用したLEDの光源は、半導体産業からの光源メーカーの参入機会を作りだす。新規参入と古参のいずれのメーカーでも、小型で調光が比較的容易なLED照明ならではの製品を市場に提案しており、電球の置き換え市場だけを狙っている訳ではない。また、今後は白熱電球だけでなく直管型蛍光灯の置き換えも視野に入っている。新規参入企業の多くが白熱電球型ではなく直管型蛍光灯の代替用途での製品開発と販売を進めている。直管型LED照明は器具の全てがLED照明専用であるものから、既設の直管型蛍光灯器具から安定器やインバータ部を取り外して配線をつなぐもの、既設の直管型蛍光灯器具から安定器やインバータ部を取り外さずにそのまま取り付けるもの、の3通りがある。ただし、既設器具から安定器等を撤去する行為は器具メーカーの保証を受けられなくなるほか、再度蛍光管に切り替える際に安定器を再設置する必要があるなどリスクが大きい。また、安定器を残置できるタイプのものは直管型LED照明に搭載する部品が増えるため、後述の問題を増大させる。
qas: question: 照明器具産業において、光源を作る作業を行わないのは、器具メーカーと総合照明メーカーのうち、どちらか?
answers: text: 器具メーカー

question: 照明器具産業において、作られた光源を取り付ける作業を行わないのは、光源メーカーと、器具メーカー、総合照明メーカーのうち、どちらですか?
answers: text: 光源メーカー

question: 今後、LED照明により置き換えられるとの計画が立たれているのは、白熱電球と何に対して?
answers: text: 直管型蛍光灯

question: 白熱電球と直管型蛍光灯のうち、新規参入企業では主にどちらの代替用途でのLED照明の製造開発と販売を進めているか?
answers: text: 直管型蛍光灯