LED ランプの寿命に影響を与える要因は何ですか?

LEDチップの品質 LEDチップはLED光源の中核部品であり、その寿命はLEDランプの寿命を大きく左右します。LEDチップの寿命に影響を与える要因は、チップの格子欠陥、パッケージングプロセス、そして蛍光体の品質の3つです。まず、LEDチップを構成する材料は結晶です。

図3は理想的な結晶構造を示しています。図4に示すように、格子配列が不良で、一部に列が欠けている場合、この欠陥はLEDチップの寿命に影響を与えます。さらに、LEDチップにドープされた不純物が適切でない場合も、LED光源の寿命に影響を与えます。

第二に、LEDのパッケージングが適切かどうかも、チップの寿命に影響を与える重要な要素です。現在、Cree、Lumilends、日本の日亜化学工業など、世界的に有名な企業は、比較的高いレベルのパッケージング技術を有しています。LEDのパッケージング技術も特許で保護されており、LEDの寿命は保証されています。しかし、他社の多くは、製品プロセスパッケージにおいて模倣品を多く使用しています。これらの製品は外観は良好ですが、プロセス構造とプロセス品質が劣悪であり、LEDの寿命に深刻な影響を与えています。

さらに、LEDチップの性能にはある程度のばらつきがあるため、パッケージング前にLEDチップの面積、光効率など、様々な指標に基づいて分類・分類する必要があります。パッケージング前にチップをビニングしないと、パッケージング後の完成品の光出力率は必然的に不均一になります。つまり、LEDのパッケージングとパッケージング前のビニングは、LEDの寿命に影響を与える重要な要素でもあるのです。

最後に、蛍光体の品質もLEDチップの寿命に影響を与えます。現在、LEDチップが白色光を生成する方法は数多くありますが、そのうち2つは蛍光体粉末を用いる方法です。1つは、YAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体をLED青色光チップに塗布する方法です。

前述のように、短波長の光子は長波長の光子よりもエネルギーが強いため、チップから放出される青色光（短波長）が蛍光体を励起して500nm〜560nm（青色光より波長が長い）の黄緑色光、青色光と黄緑色の光合成によって白色光を生成します。この方法で白色光を得るためのコストは比較的低いですが、蛍光体の均一性を制御することが難しく、チップを一定期間使用すると、光の効果と色温度がそれに応じて変化します。別の方法は、LEDチップから紫外線を放出させ、RGB（赤、緑、青の原色）蛍光体を励起して赤、緑、青の原色光を生成し、3原色光を混合して白色光にする方法です。

紫外線の光子エネルギーは比較的大きいため、包装材のエポキシ樹脂は劣化しやすく、LEDチップの寿命にも影響します。LEDチップがLEDランプの寿命の「ショートボード」になると、上記の3つの要因のどれに問題があるのでしょうか？どれがLEDチップとランプの寿命に影響を与える「ショートボード」なのでしょうか？ 2 LED放熱システム LEDランプについて言えば、赤外線の有無や発熱量についても様々な説があります。実際、白色光を発するLED光源の光束の理論値は300 lm/W以上である必要があります。

現在、高出力LED光源の輝度は80 lm/W～100 lm/Wに過ぎません。つまり、電気エネルギーの約1/3が可視光となり、その大部分は熱エネルギーとなります。この熱エネルギーは熱伝導と熱放射の形で放散される必要があるため、高出力LEDランプの放熱システムは非常に重要です。

LED光源のPN接合は温度に非常に敏感です。高温はLEDチップの寿命を大幅に短縮します。図6に示すように、これはCree社が示す高出力白色LEDの光減衰率です。国際基準（元の光源仕様にも規定されています）によると、光源の有効寿命は、光束が初期値の70%に減衰した時点と定義されています。これは、光源の寿命が尽きたことを意味します。

LED光源のPN接合部の異なる温度における有効寿命は、図中の緑色の水平線と各曲線の交点で示されています。図6から、PN接合部の温度が75℃の場合、寿命は51,000時間（緑色の曲線）、温度が85℃の場合、寿命は22,000時間（黄色の曲線）、温度が95℃の場合、寿命は18,000時間（ピンク色の曲線）、温度が105℃の場合、寿命は12,000時間（赤色の曲線）であることがわかります。実際、高出力LEDランプのPN接合部温度は現在約105℃であり、つまりLEDチップの寿命は10,000時間強しかありません。

ランプの放熱状態が悪いと、LEDチップのPN接合部の温度が上昇しすぎて、LEDチップが急速に損傷します。このとき、放熱システムはLEDランプの寿命の「ショートボード」となります。放熱システムはLEDチップの寿命に大きな影響を与えます。同じ品質のチップを異なるランプに配置すると、寿命は数倍、あるいは数十倍も異なります。ランプの設計が成功するかどうかは、光学系に加えて、放熱システムが決定的な役割を果たします。

3. 駆動電力 駆動電力はLEDランプの寿命において重要な役割を果たします。これは見落とされがちな問題であり、現在の高出力LEDランプの普及におけるボトルネックとなっている可能性があります。ランプを点検すると、LEDチップは損傷していないものの、駆動電源に不具合があることがよくあります。一般的に、LEDチップの寿命は駆動電源の寿命よりもはるかに長くなります。

例えば、Cree社のXLampシリーズ製品7090XR-Eは白色LEDチップで、標準的な動作パラメータは3.5V、700mA（2.45W）、PN接合温度は80℃（この温度は優れた放熱システムによってのみ達成可能）です。光束が初期値の70%に低下した場合、チップ寿命は50,000時間です。現在、駆動力が最も高いチップの寿命は30,000時間を超えていますが、駆動力が低いチップの寿命はわずか数千時間です。

LEDランプは高品質のチップを使用し、放熱システムも十分に整備されている場合、駆動電源の寿命が弱点となる可能性があります。有効寿命と光減衰の指標にはそれぞれ異なる基準が用いられており、LED光源に関する知識は乏しい場合が多く、誤解を招くことがあります。周知のとおり、従来の光源の寿命には2つの種類があり、1つは「全寿命」、もう1つは「有効寿命」と呼ばれます。全寿命とは、光源の点灯から寿命終了（無点灯）までの累積点灯時間の総和と定義されます。

有効寿命とは、光源を点灯させた後、その光束が初期値の70%まで減衰するまでの累積点灯時間を指します。光源の光束は初期値の70%から寿命末期（明るくなくなる）まで長期間持続するため、ほとんどの光源の有効寿命は全寿命よりもはるかに短くなります。LED光源は新しい光源であり、その有効寿命は議論の余地がありません。

現在、LED光源の寿命評価基準として、世界ではL70が一般的に挙げられています。L70とは、LED光源の初期光束を1.0（つまり100%）とした場合、光束が初期値の70%に減衰した時の光源の有効寿命を指します。国内のLED業界では、一部のメーカーは、光束が初期値の50%に減衰する（一般的に半減期と呼ばれる）ことをLED照明の寿命基準としています。

図6から、LEDのPN接合部の動作温度が105℃のとき、光が初期値の70％に減衰したときの寿命は12,000時間であり、光が初期値の50％に減衰したときの寿命は21,000時間であることがわかります。 2つの値は全く異なります。照明アプリケーションに従事する技術者は、2つの基準の違いを知らないと誤った判断を下す可能性があります。 5 演色評価数と色温度について 映画やテレビの舞台で使用されるLEDランプの場合、光束が初期値の70％に減衰していなくても、演色評価数Raが低下しすぎたり、光源の色温度が変化しすぎたりする場合は、寿命と見なす必要があります。

演色評価数や色温度の変化が大きすぎたり、ランプごとに色温度が異なっていたりすると、ランプの使用価値が失われます。