JP2015503672A - シリコーングラフト化コア−シェル粒子並びにこれを含有するポリマーマトリックス及びled - Google Patents

シリコーングラフト化コア−シェル粒子並びにこれを含有するポリマーマトリックス及びled Download PDF

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Abstract

無機粒子のコアと、各末端に反応性基を有する双末端化ポリ(ジメチルシロキサン)から形成されたグラフト化ポリ(ジメチルシロキサン)ポリマーのシェルとを含む、シリコーングラフト化コア−シェル粒子が記載される。このシリコーングラフト化コア−シェル粒子は、ポリシロキサンポリマーマトリックス中に分散させて、LED封入材として用いることができる。

Description

関連出願の相互参照
本願は、「SILICONE-GRAFTED CORE-SHELL PARTICLES, POLYMER MATRIX, AND LED CONTAINING SAME」という発明の名称の2012年1月16日付け米国仮出願第61/586968号の優先権を主張するものであり、そのすべての内容を参照用に取り入れる。
本発明は、シリコーンポリマーに関するものであり、より詳細には発光ダイオード(LED)用に用いられるシリコーンポリマーに関するものである。
発光ダイオードの標準的な設計の1つは、青色発光素子上に成形された蛍光体(fluorescent phosphor)が充填されたポリマー材料を利用する(いわゆる蛍光体変換LED又はpc−LED)。このような設計は、発光の変動が少ないLEDの効率的な大量生産を可能にする。この設計については、必要な光スペクトルを達成するために、蛍光体粉体の混合物が用いられる。ポリマーマトリックスについては、光学的透明性、熱安定性及び加工容易性が高いという理由で、シリコーンが真っ先に選択される材料である。蛍光体充填ポリマー設計の有意の欠点は、発光粒子から外部環境への非効率的な熱移動である。短波長の青色光がもっと長波長の光、例えば黄色光に変換される結果として発生する熱は、効率的に取り除かれなければならない。さもなければ、LEDの上昇した作動温度が光効率の低下や発光材料の早期の分解をもたらすであろう。
蛍光体粒子からの熱移動は、その周りのポリマーマトリックス(これは一般的に劣った熱移動特性を有する)の層を通して起こる。シリコーンの熱伝導率は、0.12〜0.20W/mK(ワット/メートル・ケルビン)の範囲であり、ポリマーについての全体範囲は約0.1〜0.5W/mKである。最も熱伝導性が高いポリマー材料は半結晶質ポリマーであるが、これはクリスタライトからの高度な光散乱のせいでLED封入に適さない。金属又はセラミック粉体を加えることによってポリマーの熱伝導率を高めるために、多くの解決策が開発されてきた。しかしながら、従来のブレンド中のフィラー粒子はサイズが大きかったため、かかる複合体は光学的に透明ではなかった。
さらに、熱伝導率に加えて、一般照明分野中への発光ダイオードの急速な拡がりと共に、難燃性光学グレードポリマーに対する要望が増してきている。LED照明製品についてのANSI/UL 8750規格によれば、取付け具(fixture)の囲い(外側部品)は、取付け具内部の発火の結果として生じ得る火炎から付近の建造物が保護されるのを保証するように、設計されていなければならない。囲い用にポリマーを用いる場合、LEDレンズについてはV−1、その他のすべての部品については5−VAの可燃性評点が求められる(ANSI/UL 94)。市場に出回っている光学グレードのプラスチックの中では、特別な難燃性ポリカーボネートだけがこれらの基準に適合する。シリコーンは蛍光体との配合及び成分の二次加工に関して、ポリカーボネートと比較して数多くの利点を提供する。従って、LEDモジュールの周りに追加の保護用の囲いを構築しなくても、封入材としてシリコーンを用いることによって、他の特性のセットに難燃性を追加することができる。
典型的には、シリコーンの難燃性は、マイカ、二酸化チタン、カーボンブラック、炭酸カルシウム又はケイ藻土のような様々な無機フィラーを加えることによって、改善することができる。これらのフィラーは、発火までの時間を減らし、燃焼区域を材料の近隣区域から隔離するための炭源としての働きをする。無機フィラーの有意の欠点は、それらを加えることの結果として透明性が失われることである。従って、それらは透明性が重要ではない製品中に用いることができるだけである。別の可能性は、白金及びロジウムの塩並びに希土類金属の酸化物を使用することを包含する。これらの添加剤は、透明性を損なうことなく難燃性をある程度改善することができる。しかしながら、それらの高いコストはそれらを多量に使用することを思いとどまらせる。
ヒュームドシリカもシリコーン用のフィラーとして、主に粘度及び引張強さを高めるため並びにコスト低減のためのものとして、知られている。シリカ粒子の表面は、典型的には、シリコーンとの適合性を改善するために、ヘキサメチルジシラザンによって疎水性にされる。しかしながら、このアプローチは、大きい凝集粒子からの散乱のせいで透過光が多少失われる可能性があるので、充分な適合性を提供しない。
文献には、モノグリシジルエーテルを末端とするポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS−G)をグラフトさせたシリカナノ粒子から成る星形ポリマーが高められた熱安定性を示したと報告されている。Liu et al., Poly(dimethylsiloxane) Star Polymers Having Nanosized Silica Cores, Macromol. Rapid Commun., 25 (2004) 1392-1395。しかし、立体障害がシリカ表面と反応することができるPDMS−Gの量を抑制することがわかった。さらに、PDMS−Gは非反応性のn−ブチル基を末端とし、これは架橋及びポリマージェルの稠密化を抑制するという欠点を有してしまう。
従って、LEDと共に用いるための高められた熱伝導率又は難燃性を有する光透過性シリコーン材料を提供するのが有利となるであろう。
Liu et al., Poly(dimethylsiloxane) Star Polymers Having Nanosized Silica Cores, Macromol. Rapid Commun., 25 (2004) 1392-1395
本発明の目的は、先行技術の欠点を取り除くことにある。
本発明の別の目的は、高められた熱伝導率又は難燃性を有するシリコーンポリマーを提供することにある。
本発明のさらなる目的は、発光ダイオード(LED)と共に用いるのに充分な光学特性を有するシリコーンポリマーを提供することにある。
本発明の1つの局面においては、無機粒子から成るコアとグラフト化ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)から成るシェルとを有するシリコーングラフト化コア−シェル粒子が提供される。好ましくは、前記シェルは、各末端に反応性官能基、例えば−H又は−OHを有する双末端化(bi-terminated)PDMSから形成される。前記無機コア粒子は、好ましくは少なくとも1W/mKの熱伝導率を有し、好ましくは10〜200nmの好ましい粒子サイズを有するシリカ(SiO2)ナノ粒子である。末端官能化PDMSポリマーは、好ましくは1000〜50000g/モルの分子量を有する。
本発明の別の局面において、前記シリコーングラフト化コア−シェル粒子は、ポリシロキサンポリマーマトリックス中に分散され、LED用封入材として適用される。好ましくは、LEDが発する光の一部を異なる波長を有する光に変換するために、蛍光体又は量子ドット材料等の発光体もまたポリマーマトリックス中に分散される。このシリカ−シリコーン混成粒子の稠密ポリマーシェルはまた、非常に高い含有率においてさえ、凝集を最小限に抑えてポリマーマトリックス中の粒子サイズを小さく保つこともできる。また、粒子サイズが小さければ、光散乱をさらに減らすこともできる。
図1は、シリコーングラフト化コア−シェル粒子の調製のための合成手順を図示する。 図2は、3つの異なるフィラーを有する複合材料の計算した熱伝導率のグラフである。 図3は、純粋なシリコーン並びにSiO250重量%及びSiO262重量%のシリカ−シリコーン混成粒子の両方についての実験熱伝導率のグラフである。 図4は、SiO2−PMDS混成物(破線)の空気中での熱重量分析を、純粋PDMS(実線)及びPDMS+50%SiO2(点線)と共に、示す。 図5は、SiO2−PDMS混成物及びPDMS+50%SiO2の1mmキャストフィルムを通した光の透過を比較するグラフである。 図6は、SiO2−PMDS混成物(破線)の空気中での熱重量分析を、純粋PDMS(実線)及びPDMS+50%SiO2(点線)と共に、示す。 図7は、SiO2−PDMS混成物及びPDMS+50%SiO2の1mmキャストフィルムを通した光の透過を比較するグラフである。 図8は、PDMS単独と比較したSiO2−PDMS混成物についての、燃焼マイクロ熱量測定によって測定した熱放出割合を示す。 図9は、SiO2−PDMSの透過電子顕微鏡写真である。 図10は、本発明に従うシリカ含有ポリマー封入材を有するLEDの概略図である。
本発明を、その他の及びさらなる目的、利点及び能力をより一層よく理解するためには、以下の開示及び添付した特許請求の範囲が、上記図面と組み合わせて、参照される。
図1は、シリコーングラフト化コア−シェル粒子、特にポリ(ジメチルシロキサン)グラフト化コア−シェル粒子の調製のための合成手順を示したものである。環は無機粒子を表し;Rは粒子の表面に対して反応性がある官能性末端基を表し(表1を見よ);R1は前記官能基Rと前記粒子の表面部分との反応生成物を表し;nはポリマーの重合度であり;そしてxは粒子当たりのグラフト化鎖の数である。コア−シェル粒子用の好ましい材料には、二酸化ケイ素(シリカ)、二酸化チタン(チタニア)、酸化アルミニウム(アルミナ)、炭酸カルシウム、窒化アルミニウム、並びに1W/mK以上の熱伝導率を有するその他の材料が包含される。可能な反応性末端官能化基を、表1に示す。これらの基は、粒子の表面と反応して、共有結合又は非共有結合をもたらす。リガンドに応じて、プロセスは触媒を必要とすることがある。合成は、溶媒を用いても用いなくてもよい。
Figure 2015503672
ポリマーマトリックス中の粒子の混合物の熱伝導率は、有効中間近似値(effective medium approximation)に従う。Bruggemanモデルによれば、複合材料の有効熱伝導率は、次の式1から導かれる。ここで、Xfはフィラーの体積分率であり、kf、km、kcはそれぞれフィラー、マトリックス及び複合材料の熱伝導率値である。
Figure 2015503672
図2は、熱伝導率0.15W/mKを有するシリコーンマトリックス中に分散させた、3つの異なるフィラー(シリカ(SiO2)、チタニア(TiO2)及びアルミナ(Al23))を有する複合材料の計算熱伝導率のグラフである。該熱伝導率値は、300°Kの温度において与えられる。
コア−シェル粒子(混成粒子とも称される)は、コア材料の屈折率とシェル材料の屈折率との組合せである「有効屈折率」を有する粒子として、光と相互作用する(式2)。
Figure 2015503672
ここで、nc-s、nc及びnsはそれぞれコア−シェル粒子、コアの材料及びシェルの材料の屈折率であり、rはコアの半径であり、hはシェルの厚さである。全体の粒子サイズが光の波長よりはるかに小さく且つnc-sがポリマーマトリックスの屈折率に等しい場合には、このような粒子をマトリックス中に組み込むことによって、非散乱性の透明材料が得られるであろう。
表2は、1.395の屈折率及び5nmの厚さを有するポリ(ジメチルシロキサン)から成るシェルと1.460又は1.537の屈折率を有するポリ(ジフェニルシロキサン)−コ−(ジメチルシロキサン)コポリマーから成るマトリックスとでコーティングされた4つの異なる材料についての、計算必要コアサイズを示す。計算は、式(1)及び(2)に基づく。コア粒子のサイズとは、マトリックスのものに等しいコア−シェル粒子の有効屈折率を有するために必要な粒子直径を指す。フィラーの最高体積分率とは、マトリックスポリマーを何ら加えていない体積分率を指す。
Figure 2015503672
好ましい実施形態において、ポリシロキサン表面変性剤は、次式を有する:
Figure 2015503672
ここで、A、R及びBは次の官能基を表す:
A:−OH、−H
B:−OH、−H、−CH=CH2
R:−CH3、−C25、−C65、−CH2CH2CF3
指数nはポリマーの重合度であり、xは粒子当たりのグラフト化鎖の数である。A及びBはシロキサンポリマー鎖の末端における反応性末端基を表す。グラフト化は、粒子の表面ヒドロキシル基とポリマー鎖の反応性末端基、例えばヒドリド又はシラノール基との反応によって起こる。この反応は、スズの塩によって触媒することができ、溶媒はポリシロキサン用の任意の良溶媒、例えばトルエン、キシレン、エチルベンゼン、メチルイソブチルケトン(MIBK)、テトラヒドロフラン(THF)、クロロホルム又はメチルエチルケトンであることができる。両末端に反応性基を有する双末端化ポリ(ジメチルシロキサン)は、グラフト化粒子を形成させて、このグラフト化粒子がエラストマー網状構造中に架橋する能力を持つようにするために、用いることができる。
ポリ(ジメチルシロキサン)グラフト化シリカ粒子
例1
シリカナノ粒子(MIBK−ST、メチルイソブチルケトン中の30重量%分散体、平均サイズ20nm、日産化学から入手)(分散体6ミリリットル(SiO22g)の量)を、メチルイソブチルケトン(MIBK)14ミリリットルで希釈し、この混合物中にSnCl2・2H2O30mgを溶解させた。この混合物を窒素充填フラスコ中に移し、次式:
Figure 2015503672
を有するヒドリドを末端とするポリ(ジメチルシロキサン)(DMS-H21、6000g/モル、Gelest, Inc.社から入手)の0.5g/ミリリットルMIBK溶液0.4ミリリットルを滴下した。このフラスコに窒素ガスラインを連結し、100℃の油浴中に浸漬し、窒素保護下で内容物を2時間撹拌し、次いで、最終生成物中のシリカの割合を所望の値にするために、ヒドリドを末端とするポリ(ジメチルシロキサン)の0.5g/ミリリットルMIBK溶液のさらなる量を、ゆっくり添加した。シリカの割合が低い生成物を得るためには、PDMS溶液を3.6ミリリットル用い、フラスコに加えたポリマーの合計量を2gにした。シリカの割合がもっと高い生成物を得るためには、PDMS溶液1.6ミリリットルを用い、加えたポリマーの合計量を1gにした。
内容物を40時間撹拌した後に、フラスコを室温まで冷まし、内容物をメタノール70ミリリットル中に注いだ。生成した白色沈殿を5000gにおいて40分間の遠心分離によって分離し、次いでトルエン30ミリリットル中に再溶解させた。この溶液を浴中で5分間超音波処理し、0.45umポリプロピレンシリンジフィルターを通して濾過し、回転式蒸発器を用いて濃縮して5ミリリットルにした。得られた溶液に、架橋剤(1,3,5,7−テトラビニル−1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン)70mg及び白金触媒(白金カルボニルシクロビニルメチルシロキサン錯体)の1g/リットルTHF溶液40マイクロリットルを加えた。残留溶媒を室温において真空中で蒸発させ、固体を24時間放置して硬化させて、透明エラストマーを得た。
ポリ(ジメチルシロキサン)が炭素を32.4重量%含有することを考慮に入れて、材料中の炭素の量を分析することによって、サンプルの組成を測定した。低シリカ含有量のサンプルはSiO250重量%及びPDMSポリマー50重量%を含有していたのに対して、高シリカ含有量のサンプルはSiO262重量%及びPDMSポリマー38重量%を含有していた。
図3は、純粋なシリコーン並びにSiO250重量%及びSiO262重量%のシリカ−シリコーン混成粒子の両方についての実験熱伝導率値を表す。実線は、Bruggeman有効中間値モデルに基づく計算値を表す。個別のコロイド状シリカナノ粒子の熱伝導率が1.2W/mKであることを考慮に入れて、実験データへの最良の適合が可能にされた。体積分率の代わりに質量分率を用いた。
例2
シリカナノ粒子(MIBK-ST、メチルイソブチルケトン中の30重量%分散体、平均サイズ20nm、日産化学から入手)(分散体6ミリリットル(SiO22g)の量)を、メチルイソブチルケトン(MIBK)14ミリリットルで希釈し、この混合物中にSnCl2・2H2O30mgを溶解させた。この混合物を窒素充填フラスコ中に移し、次式:
Figure 2015503672
を有するシラノールを末端とするポリ(ジメチルシロキサン)(DMS-S31、26000g/モル、Gelest社から入手)の0.5g/ミリリットルMIBK溶液0.4ミリリットルを滴下した。このフラスコに窒素ガスラインを連結し、100℃の油浴中に浸漬し、窒素保護下で内容物を2時間撹拌し、次いで、シラノールを末端とするポリ(ジメチルシロキサン)の0.5g/ミリリットルMIBK溶液3.6ミリリットルをゆっくり添加し、フラスコに加えたポリマーの合計量を2gにした。内容物を40時間撹拌した後に、フラスコを室温まで冷まし、内容物をメタノール70ミリリットル中に注いだ。白色沈殿を5000gにおいて40分間の遠心分離によって分離し、トルエン30ミリリットル中に再溶解させた。この溶液を浴中で5分間超音波処理し、0.45umポリプロピレンシリンジフィルターを通して濾過し、回転式蒸発器を用いて濃縮して5ミリリットルにした。残留溶媒を室温において真空中で蒸発させ、固体を24時間放置して硬化させて、透明エラストマーを得た。
合成された材料(「SiO2−PDMS混成」)を、純粋なポリ(ジメチルシロキサン)(「pure PDMS」)及び重量比1:1で非晶質シリカとブレンドしたポリ(ジメチルシロキサン)(「PDMS+50%SiO2」)と比較した。図4は、SiO2−PMDS混成物(破線)の空気中での熱重量分析を、純粋PDMS(実線)及びPDMS+50%SiO2(点線)と共に、示す。図5は、SiO2−PDMS混成物及びPDMS+50%SiO2の1mmキャストフィルムを通した光の透過を比較する。粒子表面の化学的変性によってもたらされるSiO2−PDMS中の二酸化ケイ素粒子の最小限に抑えられた凝集のせいで、SiO2−PDMS混成物の透過度は、機械的ブレンドによって調製したPDMS+50%SiO2と比較して有意に高いものとなっている。
例3
シリカナノ粒子(MIBK−ST、メチルイソブチルケトン中の30重量%分散体、平均サイズ20nm、日産化学から入手)(分散体6ミリリットル(SiO22g)の量)を、メチルイソブチルケトン(MIBK)14ミリリットルで希釈し、この混合物中にSnCl2・2H2O30mgを溶解させた。この混合物を窒素充填フラスコ中に移し、ヒドリドを末端とするポリ(ジメチルシロキサン)(DMS-H21、6000g/モル、Gelest社から入手)の0.5g/ミリリットルMIBK溶液0.4ミリリットルを滴下した。このフラスコに窒素ガスラインを連結し、100℃の油浴中に浸漬し、窒素保護下で内容物を2時間撹拌し、次いで、ヒドリドを末端とするポリ(ジメチルシロキサン)の0.5g/ミリリットルMIBK溶液3.6ミリリットルをゆっくり添加し、フラスコに加えたポリマーの合計量を2gにした。内容物を40時間撹拌した後に、フラスコを室温まで冷まし、内容物をメタノール70ミリリットル中に注いだ。 白色沈殿を5000gにおいて40分間の遠心分離によって分離し、トルエン30ミリリットル中に再溶解させた。この溶液を浴中で5分間超音波処理し、0.45umポリプロピレンシリンジフィルターを通して濾過し、回転式蒸発器を用いて濃縮して5ミリリットルにした。得られた溶液に、架橋剤(1,3,5,7−テトラビニル−1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン)70mg及び白金触媒(白金カルボニルシクロビニルメチルシロキサン錯体)の1g/リットルTHF溶液40マイクロリットルを加えた。残留溶媒を室温において真空中で蒸発させ、固体を24時間放置して硬化させて、透明エラストマーを得た。
図6は、得られたSiO2−PMDS混成物(破線)の空気中での熱重量分析を、純粋PDMS(実線)及びPDMS+50%SiO2(点線)と共に、示す。図7は、SiO2−PDMS混成物及びPDMS+50%SiO2の1mmキャストフィルムを通した光の透過を示す。機械的ブレンドを上回る混成材料の光学透過度における有意の改善を観察することができる。これは粒子の凝集が最小限に抑えられていることによるものである。
図8は、PDMSのサンプル(シリカなし)と比較した例2及び3で調製したSiO2−PDMS混成物についての、燃焼マイクロ熱量測定によって測定した熱放出割合を示す。各サンプルを1℃/秒の速度で75℃から750℃まで空気中で加熱した。プロット上のピークは燃焼プロセスを示す。フィラーなしのPDMSと比較したSiO2−PDMS混成材料の発火及び燃焼の有意の遅延は、SiO2−PDMS混成材料の方が難燃性が高いことを示す。さらに、はるかに低い熱放出割合は、SiO2−PDMS混成材料の方が可燃性が低いことを示している。図9は、例3のSiO2−PDMS混成材料の透過電子顕微鏡写真である。
図10は、反射面18を有するキャリヤー14にLEDダイ20を取り付けたLEDパッケージ10の図である。LEDダイ20は、シリコーングラフト化コア−シェル粒子の分散体を含有させたポリマーマトリックス12中に封入される。マトリックス12はさらに、発光体(例えば蛍光体又は量子ドット材料)の粒子16を含有する。
現時点で本発明の好ましい実施形態と考えられるものを示して説明してきたが、添付した特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく、ここで様々な変更及び改良を為すことができることは、当業者には明らかであろう。

Claims (19)

  1. 無機粒子のコアと、各末端に反応性基を有する双末端化ポリ(ジメチルシロキサン)から形成されたグラフト化ポリ(ジメチルシロキサン)ポリマーのシェルとを含む、シリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  2. 前記反応性基が以下のもの:
    Figure 2015503672
    (ここで、R及びR'はメチル及びエチルより成る群から選択され、
    aは1〜3であり、
    bは3−aであり、
    nは1〜10である)
    から選択される、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  3. 前記無機粒子が二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム又は窒化アルミニウムから成る、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  4. 前記無機粒子が酸化アルミニウムから成る、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  5. 前記無機粒子が二酸化チタンから成る、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  6. 前記無機粒子が窒化アルミニウムから成る、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  7. 前記反応性基の1つが−CH=CH2である、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  8. 前記反応性基の1つが
    Figure 2015503672
    であり且つnが1〜10である、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  9. 前記反応性基の1つが(RO)aR'bC(CH2)n−であり、R及びR'がメチル及びエチルより成る群から選択され、aが1〜3であり、bが3−aであり、且つnが1〜10である、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  10. 前記反応性基の1つが
    Figure 2015503672
    から選択され且つRがメチル及びエチルより成る群から選択され且つnが1〜10である、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  11. 前記反応性基の1つがHOOC−(CH2)n−であり且つnが1〜10である、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  12. 前記反応性基の1つがHS−である、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  13. 前記反応性基の1つが
    Figure 2015503672
    であり且つnが1〜10である、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  14. 前記無機粒子が二酸化ケイ素から成り且つ各末端の反応性基が−Hである、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  15. 前記無機粒子が酸化アルミニウムから成り、前記反応性基の1つがHOOC−(CH2)n−であり且つnが1〜10である、請求項1に記載のシリコーングラフト化コア−シェル粒子。
  16. ポリシロキサンポリマー中に分散した複数のシリコーングラフト化コア−シェル粒子を含むポリマーマトリックス。
  17. 発光体をさらに含む、請求項16に記載のポリマーマトリックス。
  18. ポリシロキサンポリマー中に分散した複数のシリコーングラフト化コア−シェル粒子を含むポリマーマトリックス中に封入されたLEDダイを含むLED。
  19. 前記ポリマーマトリックスが発光体をさらに含む、請求項18に記載のLED。
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