JP2013011462A - Led寿命予測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 LEDの輝度を高度の悪環境下で逐次計測してLEDの寿命をアレニウス則に従って、短期間で予測すること。
【解決手段】被試験LED700をHAST装置500内に配置し、このHAST装置500がその試験条件に到達した後、被試験LED700に外部から定電流を供給し,このLEDの光量を光電素子910で受光し、その電流をHAST装置の外部に引き出して被試験LED700の輝度を目標値(パーセント値)まで計測し、それを複数の高温湿度で試験し、その値をアレニウス則に従って、LEDの寿命を予測する。
【選択図】図1
【解決手段】被試験LED700をHAST装置500内に配置し、このHAST装置500がその試験条件に到達した後、被試験LED700に外部から定電流を供給し,このLEDの光量を光電素子910で受光し、その電流をHAST装置の外部に引き出して被試験LED700の輝度を目標値(パーセント値)まで計測し、それを複数の高温湿度で試験し、その値をアレニウス則に従って、LEDの寿命を予測する。
【選択図】図1
Description
本発明は、LED寿命予測方法に関し、更に詳細に述べると、高温、高湿度環境下でLEDの輝度劣化を逐次計測してLEDの低温領域での寿命を予測することができるLED寿命予測方法に関するものである。
半導体デバイスの劣化は、アレニウスの反応速度論モデルで説明することができ、これは、温度ストレスによる半導体デバイスの加速寿命試験に用いられている(非特許文献1参照)。アレニウスの式は、反応速度をKとすると、次の式1で表わされる。
定数Bと活性化エネルギーEaは物理固有の定数であるが、これが解ると、式2から寿命を予測することができる。一般的には、これらの定数が解らないため、通常では実験によりこれらの定数を求める。
式3は、y=lnL、a=Ea/(k・T)、b=lnBとすると、対数グラフ上においてy=ax+bの直線式で表され、1nLと1/Tを変換する直線となる。この直線の傾きから活性化エネルギーEaを算出することができ、また、切片から定数Bを求めることができるため、これらの定数が解らない場合でも半導体デバイスの寿命を予測することができる。このようにアレニウスの式より求められる図をアレニウスプロットと呼ぶ。実際のLEDの寿命は、このアレニウスプロットによって予測することができる。
一般に、LEDの寿命は,初期値に対する光度の低下の割合(%)を決め、恒温槽内にてLEDを点灯させ、光度劣化するまでの時間から測定される。これは、恒温槽の設定温度を変え測定を繰り返し行う。
一方、LEDの寿命の評価方法は、2002年に設立されたASSIST(THE ALLIANCE FOR SOLID−STATE ILLUMINATION SYSTEMS AND TECHNOLOGIES)とIES(ILLUMINATING ENGINEERING SOCIETY:アメリカ照明学会)のLM−80−08で定義されている。
従来技術では、LEDは、上記の規格に合った恒温槽内に配置し、この恒温槽内のLEDを発光させてLEDの劣化試験や輝度試験を行っていた。この試験の一例を掲げると、前記のASSISTでは、最初に定格電流、定格電圧でLEDの初期エージングを1000時間行い、その後恒温槽内の3つの異なった温度環境の下で、定格電流を流して5000時間以上の動作試験を行っている。
この動作試験中にLEDからの光のスペクトル分布が変わらない前提で、フォトダイオードの如き光電素子によってLEDの光出力を測定している。このため、LEDの寿命を確認するために、6000時間(約250日)という長時間の連続試験時間が必要であった。
しかしながら、LM−80−08で定義されている方式では、6000時間経過後でも 91.8%(住宅用)又は94.1%(屋外及び非住宅用)のルーメンの維持が要求されている。また、近年の技術開発により LEDの寿命が更に改善されており、ルーメンを維持することが容易になりつつある。
このため、従来技術では、光束が70%に達するルーメン維持時間は、初期値(100%)から現状の劣化値まで数値計算により予測しければならない。計算式は、LEDが光出力Pの時間変化を表す近似式として動作時間に対し指数関数的に減少する例があり次の式4で表される(非特許文献1参照)。
式5から、光出力の変化(光束維持率)の対数を縦軸に、動作時間を横軸にとってグラフを描くと、直線の関係となり、図7に示すように、数千時間までの実測データから延長してルーメン維持の寿命τ(光束維持時間70%の時間)を外挿法により推定することができる。
本発明者は、先に、被試験LEDを高加速寿命試験装置の容器内に配置し、この被試験LEDに一定時間単位毎に異なる定電流を供給して被試験LEDを発光し、被試験LEDを流れるLED電流とLED電圧とを検出して測定し、LED電流とLED電圧との測定値から得られる時系列的な電流電圧特性に基づく被試験LEDの劣化と、被試験LEDからの光を受光する光電素子からの受光電流を検出して得られる被試験LEDの輝度低下とから被試験LEDの寿命を確認するLED寿命試験方法を提案している(特許文献1参照)。
この方法によると、高温、高湿の悪環境下でLEDの輝度劣化試験を行うことができるので、極めて短期間でLEDの寿命試験を実現することができ、またこの試験中に一定時間単位毎に、被試験LEDに異なる定電流を供給することによって、LEDの電流電圧特性の変遷情報を得ることができ、これによって、LED自体がどのような劣化傾向現象を示すのか詳細に知ることができる。
しかし、このような方法で測定された測定データに基づいてルーメン維持時間を計算により予測して寿命を推定すると、ルーメン維持時間と常温での寿命との両方を計算で求めるので、LEDの寿命の推定の精度が極めて低い欠点がある。
LED照明信頼性ハンドブック 編者 LED照明推進協議会発行 日刊工業新聞社
本発明が解決しようとする課題は、高加速寿命試験装置(HAST装置)内において、ルーメン維持時間を実際に測定して、その実測値(実時間)からアレニウスの反応速度論モデルを用いて低温領域での寿命計算を行うことにより高精度な寿命を短時間で精度よく予測することができるLED寿命予測方法を提供することにある。
本発明の課題解を解決するための手段は、被試験LEDを高度加速寿命試験装置の容器内に配置し、前記被試験LEDに定電流を供給して発光し、前記被試験LEDからの光を受光する光電素子からの受光電流を複数の温度で一定時間単位毎に検出し測定して受光電流の計測値を求め、この計測値が目標値(ルーメン維持値)以下に達するまで測定を継続して、LEDによる光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値(時間)を求め、この実測値からアレニウスの反応速度論モデルを用いて低温領域での寿命を計算して被試験LEDの寿命を予測することを特徴とするLED寿命予測方法を提供することにある。
本発明によれば、高温、高湿度の悪環境下での寿命試験でLEDの光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値を短時間で計測することができるので、この実測値からアレニウスの反応速度論モデルによって常温の如き低温領域での寿命を計算して被試験LEDの寿命を予測することができるが、ルーメン維持時間の値は、計算ではなく、寿命試験中の実測で求められるので、LEDの低温領域での寿命を短時間で精度よく求めることができる。
本発明のLED寿命予測方法に関し図面を参照して詳細に述べると、本発明の方法は、基本的には、図1に示すように、被試験LED700をHAST装置500内に配置し、この被試験LED700に定電流を供給して発光し、この被試験LED700からの光を受光する光電素子910からの受光電流を複数の温度で一定時間単位毎に測定して受光電流の計測値を求め、この計測値が目標値(ルーメン維持値)以下に達するまで測定を継続して、被試験LED700による光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値(時間)を求め、この実測値からアレニウスの反応速度論モデルを用いて常温の如き低温領域での寿命を計算して被試験LEDの寿命を予測することにある。
本発明に用いられるLED寿命試験装置の1つの実施の形態を詳細に述べると、図1に示すように、このLED寿命試験装置は、被試験LED700が配置されるHAST装置500を含み、このHAST装置500の容器内には、被試験LED700の光を受光して電気信号に変換する受光器600が配置されている。HAST装置500の容器内は、試験時には、高い試験温度と高い湿度とを有するまで高悪環境となるように設定される。後に詳細に述べるように、高い温度は、複数の異なる温度、例えば、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃の5つの異なる温度に設定され、また高い湿度は、それぞれの温度に共通して相対湿度85%に設定される。
受光器600は、被試験LED700からの光を導通する導光デバイス900とこの導光デバイス900を通過する光を受光するフォトダイオードの如き光電素子(受光素子)910とを含み、導光デバイス900は、HAST装置500内の環境から絶縁されている密閉容器610の開口を閉じるように配置され、光電素子910は、この密閉容器610内に配置されている。
本発明に用いられるLED寿命試験装置は、LED定電流装置100と、LED電圧/電流測定器200と、受光電流測定器300と、制御装置400とを更に備えている。
HAST装置500の容器の装置口800は、LED定電流器100の出力側の導線12と被試験LED700の入力側の導線13、LED電圧/電流測定器200の入力側導線15と被試験LEDの出力側導線14、受光電流測定器300の入力側導線18と受光器600の出力側導線17とをそれぞれ接続する接続部を構成している。
制御装置400は、LED定電流装置100に定電流を供給するのを指示する定電流供給指令信号11をLED定電流装置100に供給し、また、LED電圧/電流測定器200から供給されるLED電圧電流測定データ16と受光電流測定器300から供給される受光電流(光電素子電流)測定データ19とを受けてこれらの測定データを表示及び/又は記録する。
LED定電流器100は、制御装置400からの定電流供給指令信号11を受けてこの定電流供給指令信号11に相応する定電流を被試験LED700に供給してこの被試験LED700を発光させる。
LED電圧/電流測定器200は、被試験LED700が駆動されてこの被試験LED700に流れる電流とその両端電圧とのデータを受けてこれらの電流/電圧データを測定する。
また、受光電流測定器300は、受光器600からの受光量に相応する光電素子910の電流(受光電流)を受けてこの電流を測定する。
制御装置400が受領する測定データ、即ち、LED電圧/電流測定器200の測定データ16と受光電流測定器300の測定データ19のうち、LEDの電圧電流測定データ16は、それに基づく時系列的な電圧電流特性からLEDの劣化状態を求めることができ、また受光電流測定データ19は、LEDの光束(輝度)低下を指示し、後に述べるように、ルーメン維持時間の測定に用いられる。
本発明の方法は、測定データ19の受光電流の計測値が試験温度毎に目標値(ルーメン維持値)以下に達するまで測定を継続して、LEDによる光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値(時間)を求め、この実測値からアレニウスの反応速度論モデルに基づいてLEDの低温領域(例えば、常温)での寿命を計算する。この実測値(時間)の測定とアレニウス反応速度論モデルによる寿命の計算とは、制御装置400内に格納したマイクロコンピュータで行ってもよいし、制御装置400から実測値を出力して外部コンピュータで寿命の計算を行ってもよい。
次に、上記のLED寿命試験装置を用いて本発明の方法を説明するが、本発明の方法と対比するために、既に述べたように、図1の装置から受光電流に相応する相対輝度(光束)の計測値を求め、これに基づいてルーメン維持時間を計算により求める方法(計算予測方法)と対比しながら説明する。
まず、図1の試験装置の動作を述べると、HAST装置500内の環境が所定の試験条件に到達した後に、制御装置400が定電流供給指令信号11をLED定電流器100に供給し、LED定電流器100は、導線12、13を介してHAST装置500内にある被試験LED700に定電流を供給する。HAST装置500内の試験条件は、幾つかの異なる値に設定されるが、本発明の1つの形態では、110℃〜130℃の温度範囲で5℃毎に異ならせた5つの温度条件のいずれかに設定し、いずれの温度条件でも湿度85%の同じ湿度条件に設定する。
定電流が供給された被試験LED700は、この定電流によって発光し、またその電流及び電圧は、導線14、15を介してLED電圧/電流測定器200に伝送される。LED電圧/電流測定器200は、LED電圧/電流測定データ16を制御装置400に送る。それと同時に、被試験LED700からの光は、導光デバイス900を通して光電素子910で受光され、この受光電流は、導線17、18を介して受光電流測定器300に供給される。受光電流測定器300は、受光電流測定データ19を逐次制御装置400に送る(図2のステップ1、2参照)。
制御装置400は、5つの異なる試験条件毎に、電圧/電流測定データ16と受光電流測定データ19を表示及び/又は記録する。受光電流測定データ19は、光束(輝度値)に相応するので、異なる試験条件毎に、一定時間単位(例えば、10時間毎)で、輝度の測定値がルーメン維持の目標値P/Po(光束が初期値の70%)以下に達するまで繰り返し行われる(図2のステップ3、4参照)。
このようにして、被試験LED700からの光束(受光電流測定データ19)が70%であるルーメン維持値以下に達するまでの時間を測定し、LEDの寿命τは、この動作時間からアレニウスプロットを用いて予測する(図6参照)。
本発明の方法と対比するために、図1の装置で輝度値を計測し、この輝度値からルーメン維持値以下に達するまでの時間を計算する計算予測方法を述べると、上記の5つの異なる試験条件で、試験開始時(経過時間0時間)の相対輝度値(Normalized Light Output)を1.0にして、10時間経過毎に各温度における相対輝度値を計測したところ、図3(A)の表に示す通りであった。なお、この10時間毎の6回の試験時間60時間は、単に、ルーメン維持時間を計算するための基礎となる時間である。
計算予測方法で寿命を推定方する場合、被試験LEDの寿命は、次のようにして求められる。即ち、まず、図3(A)の表の相対輝度値を式5に従って自然対数化に変換すると、図3(B)の表に示す通りとなる。
5つの異なる試験条件における図3(B)の自然対数から、試験条件毎に、回帰直線の傾き、切片、相関係数を計算し、式5に基づいて光束が70%に達するルーメン維持時間を求めると、それは、ln(P/P0)=ln(0.7)=−0.35667の値になった時間であり、これは、図3(C)に示す通りとなる。このルーメン維持時間から各温度での自然対数の式3のlnL =ln(寿命時間)を求めることができる。
5つの温度条件毎に、上記の計算予測方法による推定寿命τとその値の自然対数のlnL値と本発明の方法によるP/Po以下に達するまでの時間の実測値の値とその自然対数の値のlnL値とが図4(A)の表に示されている。
式3を用いて、計算予測方法と本発明の実測予測方法とのアレニウスプロットの回帰直線の傾き、切片、相関係数求めると、図4(B)の表に示す通りとなる。
また、図4(B)の表から求めた各温度での計算予測方法と本発明の実測予測方法との寿命予測を計算すると、図4(C)の表に示す通りとなる。この図4(C)から解るように、50℃のように低い温度の環境では、本発明による光束(輝度値)が目標値以下に達するまでの実測定時間からの寿命予測時間は、計算予測方式による計算値からの寿命予測時間と比較すると、約1/30倍と極めて短く、本発明の予測方法が実際の寿命に一層近く精度がよい予測をすることができることが解る。ルーメン維持時間を実測する本発明の方法に比べて、計算予測方法による寿命予測の精度が低下するのは、ルーメン維持時間と寿命との両方を計算で求めているからである。
図5は、本発明の実測予測方法によって温度110℃、湿度85%環境下での試験結果を示すグラフである。このグラフにおいて、実輝度劣化の波形は,複数個のLEDを発光して求められた輝度の平均値を示し、このグラフにおいて、縦軸は、ln(P/P0)であり、横軸は、経過時間(単位は分)である。このグラフから解るように、計算予測方法による式5の近似式では近似が難しく、予側の精度が低くなる。
図6は、本発明の方法によるアレニウスプロットを示し、110℃〜130℃の5つの温度の範囲内のプロットは、実測値である。式3に準じて、各温度におけるLnLとLnBの値をプロットすると、アレニウスプロットができるので、このプロット図から、110℃より低い温度でのlnLを予測することができ、即ち、100℃から50℃までの常温に近い予測寿命が解る。
上記のように、本発明は、高温、高湿度の悪環境下での寿命試験でLEDの光束が目標値に達するルーメン維持時間を計算ではなく、実測で求めてこの実測値からアレニウスの反応速度論モデルによってLEDの低温領域での寿命を計算して被試験LEDの寿命を短時間で精度よく予測することができる。
本発明は、LED寿命試験における試験時間を短縮することができる上に、ルーメン維持時間の実測値に基づいてアレニウス法則によりLEDの低温領域での寿命を計算予測方法よりも高い精度で短時間に予測をすることができ、LED寿命試験に産業上有利に利用することができる。
11 定電流供給指令信号
12、13、14、15、17,18 導線
16、19 測定データ
100 LED定電流発生器
200 LED電圧/電流測定器
300 受光電流測定器
400 制御装置
500 HAST装置
600 LED受光器
610 密閉容器
700 被試験LED
900 導光デバイス
910 フォトダイオードの如き光電素子
12、13、14、15、17,18 導線
16、19 測定データ
100 LED定電流発生器
200 LED電圧/電流測定器
300 受光電流測定器
400 制御装置
500 HAST装置
600 LED受光器
610 密閉容器
700 被試験LED
900 導光デバイス
910 フォトダイオードの如き光電素子
Claims (2)
- 被試験LEDを高度加速寿命試験装置の容器内に配置し、前記被試験LEDに定電流を供給して発光し、前記被試験LEDからの光を受光する光電素子からの受光電流を複数の温度で一定時間単位毎に検出して受光電流の検出値を求め、前記受光電流の検出値が目標値(ルーメン維持値)以下に達するまで測定を継続して、LEDによる光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値(時間)を求め、前記実測値からアレニウスの反応速度論モデルを用いて低温領域での寿命を計算して被試験LEDの寿命を予測することを特徴とするLED寿命予測方法。
- 請求項1に記載のLED寿命予測方法であって、前記被試験LEDの発光時のLED電圧とLED電流とを更に検出し、前記被試験LEDの電圧電流特性から前記被試験LEDの劣化を検出することを特徴とするLED寿命予測方法。
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JP2011143124A JP2013011462A (ja) | 2011-06-28 | 2011-06-28 | Led寿命予測方法 |
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- 2011-06-28 JP JP2011143124A patent/JP2013011462A/ja active Pending
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