Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

第7回窒化物半導体応用研究会2010 CIRAC 特別セミナー

LED開発の現状とその可能性

日 時： 2010年 3月11日（木）10:00～18:30

場 所： 名城大学 共通講義棟 N301

名古屋市天白区塩釜口 1-501

Tel.: 052--00

主 催： (財)科学技術交流財団(財)中部産業・地域活性化センター

共 催： 大学法人 名城大学

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第7回 窒化物半導体応用研究会／2010 CIRAC 特別セミナー

LED 開発の現状とその可能性

白色 LED の計測技術

時 間： 14:30～14:50

河本 康太郎

(株) テクノローグ

講演の 項目

1. Introduction

2. LED 光源の発達－ 真空システムから固体素子へ

3. 白色 LED を計測する項目

4. LED 光源の光特性を評価する光の量と質

5. 光源の光特性の計測と CIE の活動

6. 白色 LED の光特性の計測とその問題点

7. まとめ

講演の 項目

1. Introduction

2. LED 光源の発達－ 真空システムから固体素子へ

3. 白色 LED を計測する項目

4. LED 光源の光特性を評価する光の量と質

5. 光源の光特性の計測と CIE の活動

6. 白色 LED の光特性の計測とその問題点

7. まとめ

Introduction

会 社 紹 介

High quality and highly reliable test system

㈱ テクノローグ

会 社 概 況

創 立 : 1970 年 所在地

川崎市麻生区栗木 2-8-18

創業者 :

小方 冲 代表者

社 長 : 星野 房雄 年間売上高 : ¥1,000,000,000

従業員数 : 40 人 ご納入先 : 日本，韓国，中国

主 要 製 品

LED 試験機

LED テスター

半導体試験機

■ Photo Diode 試験機

■ Probe Card テスター

■ Transistor & FET

テスター

Introduction

講演者（河本 康太郎） 自己紹介 ［光の計測関係］

１．CIE Division 6 [Photobiology & photochemistry] –

Associate Director ［副部会長］ 兼 Division

Member ［日本委員］

２．CIE Division 2 [Physical measurement of light &

radiation] Division Member

３．CIE TC2-58 委員長 ［LEDの輝度測定法］

４．CIE TC2-50 委員［LED アレイの光特性測定］

５． CIE TC6-57 委員長 ［有害性の作用スペクトル］

６． CIE TC6-55 委員 ［LEDの生体安全性］

７．IEC TC76 [光放射の安全性とレーザー機器] -

WG 9 [インコヒーレント光源] 日本委員

講演の 項目

1. Introduction

2. LED 光源の発達－ 真空システムから固体発光へ

3. 白色 LED を計測する項目

4. LED 光源の光特性を評価する光の量と質

5. 光源の光特性の計測と CIE の活動

6. 白色 LED の光特性の計測とその問題点

7. まとめ

LED, 有機 EL－ 21世紀の光源

LED,有機 ELは，電子・ホールの再結合ルミネセンスによるエネルギー変換を利用した，固体発光素子による新しい発光原理の光源であり，従来の真空システム光源である，白熱電球，蛍光ランプ，HIDランプやブラウン管に替わる，21世紀の，光源として，広く展開が期待されている。

LED 素子の基本構造

固体素子光源の特長

真空システム光源と固体素子光源との比較

真空システムから固体素子へ

電子部品 ： 真空管 → IC

表示端末 ： ブラウン管 → 有機 EL

白熱電球

光 源 ： 蛍光ランプ → LED

HID ランプ

真空システムから固体素子へ

真空システム光源

照明産業

固体素子光源

半導体産業

人工光源の変遷

人工光源開発の歴史

1879 白熱電球の実用化

(by Thomas A. Edison)

1930 高圧水銀ランプの実用化

(by General Electric Co.)

1938 蛍光ランプの実用化

(by General Electric Co.)

1968 LED の開発 （赤色）

1997 LED の開発 （ ）白色

エジソンと白熱電球の実用化(1879年10月21日)

Thomas Alva Edison

(1847-1931)

光源 の分光分布 ハロゲン電球 (500W)o

光源の分光分布 コンパクト形蛍光ランプ(36W)

（三波長形蛍光ランプ）o

人工光源 の分光分布高圧ナトリウムランプ(400W)o

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

400 500 600 700

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人工光源 の分光分布LED (W, B, BG, G, Y, R)

講演の 項目

1. Introduction

2. LED 光源の発達－ 真空システムから固体素子へ

3. 白色 LED を計測する項目

4. LED 光源の光特性を評価する光の量と質

5. 光源の光特性の計測と CIE の活動

6. 白色 LED の光特性の計測とその問題点

7. まとめ

白色 LED 光源の計測項目

・ 構造・外形・寸法

・ 電気特性

順電圧,

・ 光特性

全光束, 光度, 輝度, 色度, 分光分布,

（光特性の）空間分布, 時間分布 など

・ 熱特性

熱抵抗, ジャンクション温度,

（熱特性の）時間分布 など

講演の 項目

1. Introduction

2. LED 光源の発達－ 真空システムから固体素子へ

3. 白色 LED を計測する項目

4. LED 光源の光特性を評価する光の量と質

5. 光源の光特性の計測と CIE の活動

6. 白色 LED の光特性の計測とその問題点

7. まとめ

光（light），光放射（optical radiation），光環境（lighted environment）

“光”

“始めに光ありき。” （旧約聖書）

太陽の“光”

“光放射”＝ 紫外放射＋可視放射＋赤外放射

“光環境”＝ 構成要素として光がある環境

光の本質と機能・役割

光の本質

エネルギーの移動の様態

電磁波

素粒子・・・

電磁波の波長

光子（フォトン）と光子のエネルギー

太陽の光とプリズム分光 (1)

太陽の光とプリズム分光 (2)

太陽の分光分布

光の機能・役割

① （人間の）視覚支援の媒体

－－ 照明， あかり

② エネルギーの一様態

－－ 太陽→地球へのエネルギー移動

③ 情報処理のメディア

－－ 光ディスク， ＣＤ， 光通信

④ 光アート

－－ ホログラフィー， レーザー

錐体と杆体の分光応答度

人間の視器官の分光応答度(CIE Satndard Photometric Observer)

(CIE : Commission Internationale de L’Eclairage)

放射束 [W] と 光束 [lm]

radiant flux

spectral

responsivity

lumonous flux

放射束 [W] から光束 [Lumen] への換算

at 555 [nm]

1 [W] = 683 [lm]

光の定義と人間の視覚

光の定義

[JIS Z 8113 : 照明用語－(一部編集)]

1. 視覚系に生じる明るさ及び色の知覚・感覚

2. 可視放射

3. 紫外放射，可視放射，赤外放射の総称

4. 可視放射を含む複合放射

[注] 可視放射の定義

人の目に入って，直接に，視感覚を起こすことができる放射

講演の 項目

1. Introduction

2. LED 光源の発達－ 真空システムから固体素子へ

3. 白色 LED を計測する項目

4. LED 光源の光特性を評価する光の量と質

5. 光源の光特性の計測と CIE の活動

6. 白色 LED の光特性の計測とその問題点

7. まとめ

CIE とその活動

CIE (Commission Internationale

de L’Eclairage) ［国際照明委員会］

創 立： 1913年（国際測光委員会 CIP）

本 部： ウイーン，オーストリア

加盟国： ３０カ国

活動の目的： 照明分野における

(1) 国際標準化

(2) 光測定の標準

(3) 国際技術勧告

CIE の活動目的

No. 目 的 の 内 容１．光と照明分野における科学，技術，工芸に関するあらゆる問題に

ついて討論することや，この分野における国家間の関連情報を交換するために，国際的な公開の学術集会を開催すること。

２．光と照明分野において，基本となる標準や測定法を制定したり，開発すること。

３．光と照明分野における国際規格や国家規格を作成するための適用原則や作成の手続きについての指針を与えること。

４．光と照明分野における科学，技術，工芸に関するあらゆる問題についての標準，技術報告，他の出版物を作成・出版すること。

５．光と照明分野における科学，技術，工芸に関する，他の国際組織との連絡，技術的協同作業を継続的に推進すること。

光の測定に関 CIE 規格 (1)

CIE 13.3 : Method of measuring and

specifying color rendering

properties of light sources, 1995

CIE 15.2 : Colorimetry, 2nd

edi.,1986

CIE 18.2 : The basic of physical

photometry, 2nd

edi., 1983

CIE 70 : The measurement of

absolute luminous intensity

distribution, 1989

光の測定に関 CIE 規格 (2)

CIE 84 : Measurement of luminous

flux, 1989

CIE 86 : Colorimetry of self-

luminous displays – bibliography,

1990

CIE 121 : The photometry and

goniophotometry of luminaires,

1996

光の測定に関 CIE 規格(3) LED 関係

CIE 127 : Measurement of LEDs, 1997

(averaged LED intensity)

CIE S 009/E : Photobiological safety of

lamps and lamp systems, 2002

(photobiological safety)

CIE 127-2 : Measurement of LEDs (2),

2007

(intensity & luminous flux of LEDs)

光の測定関連 CIE 技術委員会

TC No. Terms Name of TC Chairman

TC2-34 ’94 –’97 LED measurements Katherin Muray

TC2-45 ’98 - Measurements of LEDs Katherin Muray

TC2-46 ’98 - CIE/ISO std’s on LED John Scarangello

intensity measurements

TC2-50 ’00 - Measurements of the Richard Distl

optical properties of LED

clusters and arrays

TC2-58 ’03 - Measurement of LED Kohtaro Kohmoto

Radiance & Luminance

TC2-63 ’09 - Optical measurements Juqin Zong

of High-Power LEDs

TC2-64 ’09 - High speed testing Guenther Heidel

methods of LEDs

光源の光特性を評価するための光の量と質 (1)

光源の光特性を評価するための光の量と質 (2)

光の特性の評価項目 (1)

o 放射束 (radiant flux)

電磁波の様態で伝播するエネルギーの時間密度（単位時間当たりのエネルギー量。）

[単位： J・s-1 = W]

o 光 束 (luminous flux)

放射束を，(CIE)標準分光視感効率と最大視感効果度に基づいて評価した量。

[単位： lm]

o 光子束 (photon flux)

放出されるか，通過するか，又は受け取られる光子の数の時間密度（単位時間当たりの光子数。）

[単位： (pcs)・s-1 ]

固体素子光源光特性測定上の諸問題（真空システム光源と比較して）

1. 発光部の形状（面積）が小さい。2. 光の空間分布が急峻－砲弾形3. 非発光部分の割合が大きい。

－ 照明器具の測定4. 製造工程上の状況により，最終製品の形状・寸法にバラツキが大きい。

全 光 束

全光束（total luminous flux）

光源が全ての方向（立体角：４π [sr]）に放出する光束。

部分光束（partial luminous flux）

光源が特定の限定された立体角の方向に放出する光束。

［備 考］

上半球光束，下半球光束，ビーム光束などがある。

LED 全光束測定の球形光束計位置(1)

LED 全光束測定の球形光束計位置(2)

LED 部分光束測定法の一例

光の特性の評価項目 (2)

o照 度 (illuminance)

（照らされている面の）光束の面密度

[単位： lm・m-2= lx]

o 光 度 (luminous intensity)

光源からの光束の立体角密度

[単位： lm・sr-1

= cd]

o 輝 度 (luminance)

光源からの光度の面密度

[単位： cd・m-2]

光の特性の評価項目 (3)

o放射照度 (irradiance)

（照らされている面の）放射束の面密度

[単位： W・m-2]

o 放射強度 (radiant intensity)

光（放射）源からの放射束の立体角密度

[単位： W・sr-1]

o 放射輝度 (radiance)

光（放射）源からの放射強度の面密度

[単位： W・sr-1・m-2]

光の特性の評価項目 (4)

o光子照度 (photon irradiance)

光子をうける面の入射する光子の面密度

[単位： (pcs) ・s-1・m-2]

o 光子強度 (photon intensity)

光（放射）源からの光子束の立体角密度

[単位： (pcs) ・s-1・sr-1]

o 光子輝度 (photon radiance)

光（放射）源からの光子強度の面密度

[単位： (pcs) ・s-1・m-2・sr-1]

フォトンのエネルギーと光：1 J のフォトンの数

光子（フォトン）のエネルギーの大きさは波長によって異なり，波長に逆比例する。

［例えば，波長 500 nm に対応するフォトンのエネルギー］

ε = h・ c／λ = (6.626×10-34×2.9979×108) ／500×10-9

= 3.9728×10-19 [J] = 2.48 [eV]

［この光 1 J （ = 1 W・s-1 ）のフォトンの数］

n = 1／ε = 1／3.9728×10-19 = 2.5171×1018 [pcs]

= 2.5171×1018 ／6.022169×1023 = 4.17972×10-6 [mol]

[アヴォガドロ数= N = 6.022169×1023 [pcs・mol-1]]

光の量の定量評価 [単位]

光 ： エネルギー [J]

電磁波 ： 仕事率 [J・s-1] = [W]

粒 子 ： 光子（エネルギーの素量）の数 [pcs]

人間の目を考慮した光の定量評価

人間の目の感度を考慮した仕事率 ： [lm]

（ルーメン）

光源の分光光合成有効光子束密度分布

光源の効率

１．視感効率 (luminous efficacy of radiation)

光束（視感度（Vλ）で重み付けられた放射束）に対する，

対応する放射束の比。 ［単位： lm・W-1］

２．ランプの効率 (luminous efficacy of a lamp)

ランプの全光束を，そのランプの消費電力で除した値。

［単位： lm・W-1］

３．総合効率 (LE of a lamp and auxiliary equipment)

ランプの全光束を，そのランプおよび点灯回路での消費電力で除した値。 ［単位： lm・W-1］

量子効 率

外部量子効率と内部量子効率

＊外部量子効率

＝内部量子効率×外部へ取出しの効率

＊内部量子効率

＝放出されたフォトン数／注入されたキャリア数

（注）

実際に測定できるのは外部へ取り出されたフォトン数

LED 光源に関連する効率

LEDの発光効率 視感効率 (lm／W, luminous efficacy)

変換効率 (%, output power／input power)

量子効率 (%, photons／electron-hole pair)

外部量子効率 ＝ 内部量子効率 × 取り出し効率 内部量子効率: 活性層の組成とエネルギーバンド構造、結晶品質の改善によって向上

取り出し効率: エピタキシャル成長層構造・チップ構造・実装方法の改善によって向上

lm・W-1の定義

1. （放射の）視感効率 (lm・W-1--(1))

光 束

(対応する) 放射束

2. ランプの効率 (lm・W-1--(2))

ランプの全光束

ランプへの入力電力

3. 総 合 効 率 (lm・W-1--(3))

ランプの全光束

（ランプ ＋ 点灯回路）への入力電力

各種光源の lm・W-1の比較

lm・W-1IL (60 W)

FL (40W)

(Tri-band)

HP LED

(white)

-- 1 15.6 410 328

-- 2 14.2 100 80

-- 3 14.2 92 59

各種光源の光特性比較

固体素子光源(LED)の特長

1. Subdivided

2. Digital

3. Integrated

4. Bit 数が多い。

5. 発光部の形状が小さい。

6. 機械的強度が大きい。(落としても割れない。)

7. (透光性の)真空容器を必要としない。

8. 壊れたり, 切れたりしない。

従来の光源と LED 光源の比較

各種光源のエネルギー変換率

(入力エネルギーを 100 %とする。)

固体光源光特性の評価項目 (2)

ｏ 色 度 (chromaticity)

心理物理量を表わす三次元の要素から光の強弱に関する次元を除いた，色の二次元的性質。二次元の座標で表示する。[単位：(x,y)]

ｏ 演色評価数 (color rendering index)

CIE により規定された演色性を表わすための指数。規定の試験色について，試料光源で照明した時の色度座標の，基準の光で照明した時の色度座標の変化量から計算して求める。[単位：Ra]

ｏ ドミナント波長 (dominant wavelength)

特定の無彩色刺激に適当な割合で加法混色することによって，試料色刺激に等色するような単色色刺激の波長。

[単位：nm]

色認識用の３種類の錐体の分光応答度

等色関数(1931 CIE color matching function)

色度座標の計算

CIE 1931 色度図

講演の 項目

1. Introduction

2. LED 光源の発達－ 真空システムから固体素子へ

3. 白色 LED を計測する項目

4. LED 光源の光特性を評価する光の量と質

5. 光源の光特性の計測と CIE の活動

6. 白色 LED の光特性の計測とその問題点

7. まとめ

固体光源光特性測定上の問題点

１．従来の一般照明用光源と比較して，配光に方向性が強すぎる。

２． 固体光源は，従来の一般照明用光源と比較して，非発光部分の割合が大きい。

３． 固体光源は，従来の一般照明用光源と比較して，出来上がった製品の寸法的バラツキが大きい。

固体光源適用上の要検討点

o 全光束

* 球形光束計：

* 標準ランプ： 標準 LED

* 受光器の分光応答度

o 輝 度

* 直接測定法

* 光度法

（CIE 平均化 LED 光度との関連）

固体光源の光特性の測定に関する将来の問題点

LED チップ単体の測定ではなく，LED チップの集合体や有機 EL の測定

CIE 技術委員会（新設）

CIE TC2-50 : LED クラスターおよび

アレイの光特性の測定

委員長： Richard Dlisle (IS)

ただし，議論は未だ進んでいない。

照明用固体光源の製品仕様

o 標準化の必要項目

・ 適用範囲

・ 目的

・ 構造

・ 外形・寸法

・ 電気特性

・ 光特性

・ 評価方法

・ その他

光源の特性評価基準の例: 寿 命

[CIE および JIS による光源の寿命の定義]

o 寿命 ［光源の］ (life [of a lamp])

光源が不点状態になる ［絶対寿命(absolute life)］か，規定した基準を満足しなくなる［有効寿命 (effective life)］までの点灯時間。

［規定した条件の例］

o 光束維持率 (lumen maintenance)

光源を所定の時間点灯した後の全光束の初特性値（通常は 100 時間値）に対する比。

光源の特性評価基準の例: 寿 命 (2)

[JIS による光源の寿命の定義]

o 平均寿命 (average life)

（ある光源の集団における）個々の光源の寿命の平均値。

o 定格寿命 (rated life)

製造業者または販売業者が（自己の責任において）公表した光源の寿命。

固体光源の寿命

絶対寿命 ： 100,000 時間以上

（一説には，無限大（切れない）。）

有効寿命： 光度維持率：50 %

（半減期）

［光環境照明用としては： 70 % が必要］

固体発光光源の寿命の要因

絶対寿命 ： ?

有効寿命 ：

o 使用材料の劣化（透過率低下）

製品仕様の標準化上の問題点

For Standardizing of Product

specification of LEDs,

[De facto Standard]

is indispensable.

De Facto Standard of SSL

’Edison’ in SSL !

講演の 項目

1. Introduction

2. LED 光源の発達－ 真空システムから固体素子へ

3. 白色 LED を計測する項目

4. LED 光源の光特性を評価する光の量と質

5. 光源の光特性の計測と CIE の活動

6. 白色 LED の光特性の計測とその問題点

7. まとめ

ま と め (1)

(1) 白色 LED や有機 EL がに普及していく上で，関連の光特性測定・評価が必要。

(2) 特に重要項目として，光束（全光束，部分光束），と輝度の測定・評価が優先度が高い。（部分光束については，部分を限定する具体的背景が必要。）

(3) 従来の照明用光源について確立されている測定方法に LED, 有機 EL 特有の問題を加え，標準用光源の確立や受光器の特性補正方法を含め，測定方法の（国際的）標準化を推進する必要がある。

ま と め (2)

(4) 一般照明用に使用する白色 LED 光源システムの最終製品（de facto Standard）形態の煮詰め，標準化も重要である。

(5) 光特性の測定・標準化に関連して，電気特

性・温度特性の標準化や測定法の確立も重要である。したがって，CIE のような国際組織の活動の重要性は高い。

Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

第7回 窒化物半導体応用研究会／2010 CIRAC 特別セミナー

LED 開発の現状とその可能性

白色 LED の計測技術

ご清聴ありがとうございました。

河本 康太郎㈱テクノローグ