単一面光源と新しい放熱システムで省エネ・高輝度・大光量のLED照明を実現

無機塗料を、ナノ粒子化でFGHPに接着させる

COBと放熱システムの方向性が明確になってきた頃に、NEDOプロジェクトに申請することが決まりました。そして2012年度のNEDOの「戦略的省エネルギー技術革新プログラム」に「超高輝度・大光量LED照明の開発」が採択され、COB製造のための各装置（写真5、写真7）の導入が実現したことにより、製品完成に向けた工程が動き出しました。

実際にモノを作り始めると、解決すべき技術的課題が浮き彫りになっていきました。

COBについてはまず、銅製のFGHPに白い塗料を塗る上で難しさに直面しました。今回用いるのは無機塗料です。無機塗料は、ただ粉を押し固めたような状態のため、銅の表面にくっ付けてもすぐに剥がれ落ちてしまいます。それでも一般の塗料に比べて光による劣化や変色が起きにくく、経年によっても表面の反射率が落ちません。そのため、長寿命を実現するには無機塗料を使うことが不可欠であり、それをどうやって塗ればよいかを考えなければなりませんでした。

「塗料をナノ粒子にして試してみることになりました。粒を細かくすれば表面に付きやすくなると考えたためです。ただし、単純に粒子を小さくすればよいわけではありません。細かさを何段階かに分けて配合するとより付きやすくなるので、その最適な配合比を見つけるべく試行錯誤を繰り返しました。そうしてようやく要求を満たす塗料ができました」（村上さん）

写真5　FGHP（手前左の円盤状の物）に無機塗料を塗布する様子。左写真の状態から白い塗料が塗られ、右写真の状態へ

塗料にナノ粒子を使う理由はもう一つあります。低い温度で塗料を焼結させるためです。白インクとして一般に使われるセラミックインクは700～800℃で焼結しますが、FGHPはその高温には耐えられません。そのため、塗料が200℃程度で焼結するよう、粒子をナノレベルのサイズにすることが必要なのです。また、塗布する塗料の厚さも精密に設計しました。放熱をよくするためには薄い方が好ましいものの、薄すぎると光が透過して反射しません。また電気的には絶縁膜としての役割を考えれば、ある程度の厚さが必要です。

それらの条件を全て満たすように、無機塗料そのものとその塗り方が決められました。

金属配線と特許の問題を乗り越えて、COBが完成へ

こうして銅製のFGHP上に白い塗料が塗られて「無機白色絶縁層」が形成されます。その上の70mm四方の領域に、2,000個以上のLEDチップが実装されます（出力600WのCOBの場合）。

LEDチップが実装された後、必要な金属配線をその周囲に設置します（写真6）が、ここでも新たな課題が発生しました。金属配線を「銀ペースト」を使って作ろうとしましたが、それが容易ではなかったのです。

「塗料を200℃程度で焼結させるためには、銀ペーストもナノ粒子でなければならないのは分かっていたので、まずは市販の銀ナノ粒子のペーストを試しましたが、うまくいきませんでした。一般にナノ粒子のペーストには、粒子を均一に分散させるための分散剤が入っているのですが、この分散剤が白い塗料の上にシミを作ることが分かり、市販品は使えませんでした。そこで、同じ四国にある材料メーカーに相談したところ、まさに私たちが必要としていた銀ナノ粒子のペーストを共同で開発してくれることになり、解決の糸口がつかめました」（村上さん）

試行錯誤を一年近く重ねた結果、ようやく求める銀ペーストが完成しました。
金属配線もできたことで、技術的な課題はこれでほぼ解決。あとは図１のように、チップ全体に蛍光体を混ぜた封止樹脂をかぶせればCOBは完成です。

写真6　COB基板上に設置されたLEDチップ。70mm四方に2,000個以上が並び、その一つひとつが金属配線でつながれる

ところが、技術的な課題ではない別の問題が残っていました。蛍光体に関わる特許の問題です。

白い光は、青いLEDを黄色い蛍光体に透過させることで作れるのですが、その方法が他社に特許を取られていて使えないことが分かったのです。しかし村上さんらは特許についても丹念に勉強し、解決策を見つけ出します。

「ある化学メーカーが、緑と赤を混ぜた蛍光体に青色のLEDを当てることで白色を作るという技術を持っていました。これならば使ってよいと言われました。多少コストは高くなるのですが、演色性Raが80（Ra100は、自然光が当たったときと同様の色を再現していることを意味する）と高く仕上げられることも分かり、この技術を使用できたことで、特許の問題も無事にクリアすることができました」（村上さん）

写真7　白い塗料が塗られたCOB基板上にLEDチップを一つひとつ高速で設置する装置。その際、厚みをできるだけ薄くして熱抵抗を下げるために、チップは基板に押し込まれる

そうしてついに、COBにかかわる全ての問題が解決され、かつてない大きさと能力を持ったLEDの光源が完成しました。

写真8　完成したCOB

ダイカスト、そしてコストダウンを実現しての製品化

一方、ヒートシンクは、鹿児島大学の水田さんのシミュレーションによって理想的な形状が探られながら、設計が進められていきました。ただ、成形上の制約のため、設計を現実の形にすることが容易ではありませんでした。

「シミュレーションの結果から理想とされた形状は、張り出しが大きく、ダイカストの金型から取り出せないだろうと言われました。そこで試作段階では、砂などで型を作り、毎回、型を崩して取り出していましたが、量産のためには金型で製作する必要がありました。また、材料として熱伝導の良い特殊なアルミを使いたかったこともあり、国内外のダイカスト会社に数多くあたって、苦労の末ようやく製作してくれるところを見つけることができました」（福田さん）

ヒートシンクは、細いフィンを多く持っているほど放熱効率は上がるものの、金型から抜く工程を考えると、あまり細くすることもできません。抜く際に必要な厚さと放熱効率の両方を考慮してシミュレーションを重ねていきます。そうして徐々に、最適な設計へと近づいていきました（図3）。

図3　ヒートシンクの熱解析シミュレーション（資料提供：四国計測工業）

COBと放熱システム。その両者によって製品の姿が出来上がっていきますが、完成のためには電源などの周辺部分も詰めていかなければなりません。その部分を決め、コストも含めた製品として仕上げを考えていくのが、四国計測工業産業システム部次長の矢島裕史さんの役割でした。

「最初に形ができたころは、原価が目標販売価格の倍ぐらいになっていました。それをなんとか目標に近づけるために、変更を積み重ねていきました。結局、光源とヒートシンク以外はほとんど全て、初期の設計からは変更しています。例えばリフレクター（反射板）は当初、内側はアルミの真空蒸着、外側にカバーをという二重構造で高価な物でしたが、機能をできるだけ落とさずに工夫を重ね、結局当初の3分の1程度にまでコストを落としました。そのような積み重ねによって、目標とする価格に近づけることができました」（矢島さん）

写真9　高効率ヒートシンクの外観　（写真提供：四国計測工業）

かつてない物の開発を目指す上でNEDOの採択が自信に

2014年、NEDOプロジェクト終了後、高輝度・大光量のLED照明は「MIRACH-LED®（ミラクル）」シリーズとして発売されました。これまでになかった大出力のLED照明をわずか2年ほどの開発期間で完成させたことは、業界内でも驚きをもって迎えられました。

「東京で行われた展示会で初めてお披露目した際には、LED関連業者がたくさん視察に訪れました。COBが通常よりも大幅に大きく、単一光源で構成されて形状も違ったために、皆とても驚かれていたのが印象的でした。会場の高い天井に各社が上向きに照明をつけていたのですが、弊社のブースの真上だけが非常に明るくて目立っていました。やった！と思いましたね」（村上さん）

リリース後、最初にまとまって出荷されたのは大規模ダム工事の現場でした。夜間でも工事を続けなればならない５、6か所ほどの現場に100灯ずつ設置され、昼間のような明るさを提供しています。そのダムの周辺には、天然記念物であるクマタカが生息していましたが、LED光は直進性が高いため、生態系を壊すことが無いということも導入を後押ししたようです。

他にも、ゴルフ練習場では、夜間でも300ヤード先の球の行方が確認できることが強みとなって導入され、また、四国計測工業の地元である香川県・丸亀城のライトアップにも使用されています。

写真10　八ッ場ダム工事現場での利用（写真提供：四国計測工業）

写真11　丸亀城のライトアップ（写真提供：四国計測工業）

「開発を始める前は不安もありました。しかしNEDOプロジェクトとして審査を受けた上で採択してもらえたことが大きな自信になりました。開発のための装置をそろえられたことがもちろん大きかったのですが、当時では考えられないような高い目標を掲げて、これまでにない物を作ろうとしている中、この方向でいいんだ、よしやろう、と思えるモチベーションをもらえたことも、NEDOプロジェクトとして事業を進められたことの大きな意味だと感じています」（矢島さん）