JP2022089777A

JP2022089777A - 発光装置の再生方法および再生発光装置の製造方法

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Publication number: JP2022089777A
Application number: JP2021193882A
Authority: JP
Inventors: 輔岡元; Tasuku Okamoto; 研二木屋; Kenji Kiya
Original assignee: NISHI NIPPON EXPRESSWAY ENGINEERING KYUSHU CO
Current assignee: NISHI NIPPON EXPRESSWAY ENGINEERING KYUSHU CO
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-06-16
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: JP7221368B2

Abstract

【課題】表面の樹脂が劣化し輝度が低下したＬＥＤ等の発光装置を容易に輝度回復させ、かつ長時間の耐久性を得ることが可能な発光装置の再生方法および再生発光装置の製造方法の提供。【解決手段】表面３の樹脂２の劣化により樹脂２の表面３に凹凸４が形成されたＬＥＤ１の再生方法であり、樹脂２の表面３に透明な樹脂塗料５を塗布して樹脂２の表面３の凹凸４を埋めることにより、ＬＥＤ１の樹脂２の表面３に形成された凹凸４が透明な樹脂塗料５により埋められて、樹脂２の表面３が滑らかな状態に再生され、くすみが改善し、凹凸による光の乱反射が軽減されて、輝度が回復し、かつ樹脂の長時間の耐久性も得られ、持続可能な社会へ大きく寄与できる。【選択図】図１

Description

本発明は、表面の樹脂が劣化したＬＥＤ等の発光装置の再生方法および再生発光装置の製造方法に関する。

近年、道路や建物外壁などの屋外においても、電光表示板、カラーディスプレイ（看板）や交通信号灯など（以下、「電光表示板等」と称す。）に発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が利用されている（例えば、特許文献１，２参照。）。ＬＥＤは信頼性が高く、長寿命であるため、交換周期も大幅に減少できるが、屋外環境では紫外線に曝されることにより、ＬＥＤチップを封止している表面の樹脂が劣化し、樹脂の表面に鱗状の凹凸が形成され、樹脂の表面がくすむ。この形成された凹凸により光が乱反射してしまうため、徐々に輝度が低下し、電光表示板等の視認性が悪化していく。

特開２０１０－２６８６３号公報登録実用新案第３１１９９２２号公報

従来、くすみ対策としては、新品のＬＥＤに交換するか、表面の樹脂を研磨して鱗状の凹凸を均すことが実施されている。しかしながら、電光表示板等には多数のＬＥＤが配置されているため、全てのＬＥＤを交換もしくは研磨する作業は大変である。また、各ＬＥＤの樹脂の表面はドーム状の曲面となっているため、樹脂の表面を研磨するにしてもドーム状の曲面に沿って研磨する作業は大変労力がかかるものとなっている。

そこで、本発明においては、表面の樹脂が劣化もしくは外部からの傷により表面に凹凸が形成されたＬＥＤ等の発光装置を容易に再生することが可能な発光装置の再生方法および再生発光装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の発光装置の再生方法は、表面の樹脂の劣化もしくは外部からの傷により樹脂の表面に凹凸が形成された発光装置の再生方法であって、樹脂の表面に透明な樹脂塗料を塗布して樹脂の表面の凹凸を埋めることを特徴とする。これにより、発光装置の樹脂の表面に形成された凹凸が透明な樹脂塗料により埋められて、樹脂の表面が滑らかな状態に再生された発光装置が得られる。

本発明の再生方法は、樹脂の表面を一切研磨することなく、樹脂塗料を塗布することが望ましい。樹脂塗料の塗布の前準備として樹脂の表面の凹凸を多少研磨することも可能であるが、樹脂の表面を一切研磨することなく樹脂塗料を塗布することにより、再生工程を簡略化することが可能となる。

樹脂塗料は、シリコン系塗料であることが望ましい。シリコン系塗料は、Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ－の分子構造を有し、強い結合エネルギーを示すため、紫外線や熱に強い。

本発明の再生発光装置の製造方法は、表面の樹脂の劣化もしくは外部からの傷により樹脂の表面に凹凸が形成された発光装置に対し、樹脂の表面に透明な樹脂塗料を塗布して樹脂の表面の凹凸を埋めることを特徴とする。これにより、劣化した発光装置の樹脂の表面に形成された凹凸が透明な樹脂塗料により埋められて、樹脂の表面が滑らかな状態に再生された再生発光装置が得られる。

（１）本発明によれば、表面の樹脂の劣化もしくは外部からの傷により樹脂の表面に凹凸が形成された発光装置の樹脂の表面に形成された凹凸が透明な樹脂塗料により埋められて、樹脂の表面が滑らかな状態となり、くすみが改善され、凹凸による乱反射が軽減されることで輝度が回復した発光装置が得られる。

（２）樹脂塗料としてシリコン系塗料を使用することにより、さらに耐久性が向上した発光装置が得られる。

本発明の実施の形態における発光装置の再生方法を示す説明図であって、（Ａ）は劣化したＬＥＤの表面の拡大断面図、（Ｂ）は樹脂塗料塗布後の状態を示す拡大断面図である。顕微ＦＴ－ＩＲ表面反射法によるレンズの赤外吸収スペクトルの例を示す図である。レンズに用いられているビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の分子構造式を示す図である。レンズ先端部分のＳＥＭ写真を示す図である。劣化したＬＥＤをデジタルカメラとマイクロスコープで撮影した画像を示す図であって、（Ａ）はＬＥＤ全体の画像を示す図、（Ｂ）は観察箇所１の画像を示す図、（Ｃ）は観察箇所２の画像を示す図、（Ｄ）は観察箇所３の画像を示す図である。新品のＬＥＤをデジタルカメラとマイクロスコープで撮影した画像を示す図であって、（Ａ）はＬＥＤ全体の画像を示す図、（Ｂ）は観察箇所１の画像を示す図、（Ｃ）は観察箇所２の画像を示す図、（Ｄ）は観察箇所３の画像を示す図である。照度測定試験装置の概要図である。実施例１～５および比較例１，２の概要と試験結果を示す図である。新品と１０年使用したＬＥＤユニットの照度を比較した図である。新品と一番効果のあった実施例５の塗料の塗布前後の照度を比較した図である。照度測定方法を示す説明図である。シリコン系塗料の塗布前後のレンズ表面外観写真を示す図である。耐久性評価試験に用いた促進耐候性試験機の光波長分布を示す図である。促進劣化処理時間に対する再生ＬＥＤの照度変化率を示す図である。アルコキシリル基結合アクリル樹脂の架橋反応図である。

図１は本発明の実施の形態における発光装置の再生方法を示す説明図であって、（Ａ）は劣化したＬＥＤの表面の拡大断面図、（Ｂ）は樹脂塗料塗布後の状態を示す拡大断面図である。

図１（Ａ）に示す発光装置としてのＬＥＤ１は、ＬＥＤ素子（図示せず。）を樹脂２により封止したものである。ＬＥＤ素子を封止する樹脂２としては、一般的にエポキシ樹脂が使用される。樹脂２は、砲弾型（ドーム状）に成型されており、レンズとして作用する。電光掲示板等に使用されるＬＥＤ１は、屋外環境では紫外線に曝されることにより、樹脂２の表面３が劣化し、細かなひび割れが発生して凹凸４が形成された状態となっている。また、凹凸４は外部からの傷による場合もある。

エポキシ樹脂は硬化剤の種類によって数十種類のものが市販されており、その光学的特性はそれぞれ異なっている。図２は劣化したレンズの先端部と側面部について、顕微ＦＴ－ＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）表面反射法により得られた赤外吸収スペクトルの例を示している。同図に示されるように、当該レンズは波長８３０ｃｍ^-1と１５１０ｃｍ^-1付近（同図中○印波長）にエポキシ樹脂の特徴である特性吸収帯が現れており、ビスフェノールＡとエピクロロヒドリンの縮合物、通称ビスフェノールＡ型と呼ばれるものと考えられる。

ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は、図３に示す分子構造式の通りベンゼン環を有し、ベンゼン環を有する高分子材料は比較的光劣化に弱い傾向があると言われている。レンズの先端部と側面部とを比較したとき、図２（Ａ）に示されるように先端部は、波長３４００ｃｍ^-1付近（図２↓印波長）のＯＨ基が極めて大きいこと、エポキシ樹脂を構成する波長８３０ｃｍ^-1、１５１０ｃｍ^-1付近が側面部（同図（Ｂ）参照。）よりも減少していることから、くすみ現象の激しい先端部では劣化がより進行していると言える。

プラスチック等の高分子材料の成形体は、特に平面形状ではない球体形状の場合、成形時に残留ひずみが大なり小なり発生し、成形体に内在することになる。この残留ひずみは、長期にわたる劣化ダメージにより、成形体全体を低分子化し脆弱化させ、表面にクラックへ至る前の細かなひび割れ（クレイズ）を発生させる。その後、劣化がより進行することでクレイズはクラックへ成長するものと考えられる。

そこで、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて、くすみの大きいレンズとくすみの小さいレンズのそれぞれのレンズ先端部を中心に、詳細な表面形態観察を実施した。図４はＳＥＭによるレンズ先端部分の表面形態観察結果を示している。図４（Ａ）に示すように、くすみの大きいレンズには無数の激しいクレイズの存在が認められる。一方、同じ先端部であってもくすみの小さいレンズは、図４（Ｂ）に示すようにクレイズは限りなく少ない。

図５は劣化したＬＥＤをＩＰＡ（イソプロピルアルコール）により拭き取り後、デジタルカメラとマイクロスコープで撮影した画像を示す図であって、（Ａ）はＬＥＤ全体の画像を示す図、（Ｂ）は観察箇所１の画像を示す図、（Ｃ）は観察箇所２の画像を示す図、（Ｄ）は観察箇所３の画像を示す図である。同図（Ｃ）に示すように、樹脂の表面は劣化し、２０μｍ～１００μｍ間隔で細かなひび割れ（クレイズ）が発生して凹凸が形成された状態となっている。

図６は新品のＬＥＤをＩＰＡにより拭き取り後、デジタルカメラとマイクロスコープで撮影した画像を示す図であって、（Ａ）はＬＥＤ全体の画像を示す図、（Ｂ）は観察箇所１の画像を示す図、（Ｃ）は観察箇所２の画像を示す図、（Ｄ）は観察箇所３の画像を示す図である。図５の劣化したＬＥＤと比較して図６の新品のＬＥＤの樹脂の表面は滑らかであり、劣化したＬＥＤのような２０μｍ～１００μｍ間隔の細かなひび割れは無い。

図４（Ａ）のＳＥＭ写真より、レンズ先端部でのクレイズ幅は１～２μｍ、クレイズ数はそれぞれのクレイズが連続しているため無数に発生している。これらのクレイズ溝（凹凸４）を樹脂塗料５により埋めることで、光の乱反射は収まり、光はレンズを直線的に投下し、くすみは回復する。そこで、本実施形態における発光装置の再生方法では、図１（Ｂ）に示すように、劣化したＬＥＤ１の樹脂２の表面３に対し、透明な樹脂塗料５をスプレーまたは刷毛塗りにより塗布する。このとき、ＬＥＤ１の表面３の凹凸４に樹脂塗料５が浸入して、凹凸４が埋まるようにする。その後、樹脂塗料５を乾燥させると、樹脂２の表面３が滑らかな状態に再生される。

樹脂塗料としては、フッ素系塗料、ウレタン系塗料やシリコン系塗料等を使用することができる。フッ素系塗料は、炭素とフッ素によるＣ－Ｆ結合の分子構造を有し、結合エネルギーが抜群に強いため、屋外曝露時に受ける紫外線熱からのダメージに強く、ウレタン系塗料の倍以上の耐久性がある。ウレタン系塗料では、分子構造中のウレタン結合が極性基を有するため、基材（エポキシ）に対し、強固な密着性を示す。シリコン系塗料は、Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ－の分子構造を有し、フッ素系塗料と同様の強い結合エネルギーを示し、紫外線や熱に強いという特徴がある。

なお、樹脂塗料５の塗布の前準備として樹脂２の表面３の凹凸４を多少研磨することも可能であるが、本実施形態における発光装置の再生方法では研磨は不要であり、樹脂２の表面３を一切研磨することなく樹脂塗料５を塗布しても、樹脂２の表面３は滑らかな状態に再生される。

本発明の再生方法により市販の透明な樹脂塗料（実施例１～５）を用いて劣化したＬＥＤの再生を行い、再生後のＬＥＤ（以下、「再生ＬＥＤ」と称することもある。）について照度計（コニカミノルタ：Ｔ－１０ＭＡ）により照度を測定した。図７は照度測定試験装置の概要図である。また、比較例１として新品のＬＥＤの照度を測定した。さらに、比較例２として、市販の研磨材を用いて劣化したＬＥＤの表面を研磨後、照度を測定した。

照度の測定方法は以下の通りである。
（１）安定化電源をＡＣ１００Ｖコンセントへ接続。
（２）ＬＥＤをＬＥＤ固定台に置き、固定。
（３）端子からＬＥＤへ２Ｖ給電し、ＬＥＤを点灯。
（４）遮光用ＢＯＸの上面の測定用穴に照度計の測定部分をはめ込み、テープ等で固定。
（５）照度計の測定値を記録。

図８は実施例１～５および比較例１，２の概要と試験結果を示している。実施例１～５の再生ＬＥＤでは、比較例１の新品ＬＥＤには及ばないものの、塗布前後のＬＥＤの写真から透明な樹脂塗料の塗布により樹脂の表面のくすみが改善されていることが分かる。また、照度再生率についても、比較例２の研磨による方法以上の効果が確認できた。

図９は新品と１０年使用したＬＥＤユニットの照度を比較した図である。図９から分かるように１０年使用したことにより照度は平均で２９．９％減少していた。

図１０は新品と一番効果のあった実施例５の塗料（ケイムラウレタン）の塗布前後の照度を比較した図である。図１０から分かるように実施例５では塗布前は新品から照度が３３．３％減少していたが、塗布により新品に対して１４．２％減少まで改善された。

本実施例においては、レンズの輝度回復に有効と考えられる主成分を有する３種類の透明な樹脂塗料を選定して輝度回復試験を行った。また、輝度回復したレンズの機能がどれほど持続するのかを把握するため、促進耐候試験による耐久性能を確認した。さらに、促進耐候試験で機能が再度低下したレンズに２度目の塗布を行い、再々生の効果についても検証した。

＜１＞レンズの再生
レンズ再生検証のための輝度回復試験にあたっては、本来ならば輝度を計測すべきであるが、計測が容易である照度計測に置き換えた。照度計測は、図１１に示すように遮光ボックス内で固定したＬＥＤをＤＣ－２Ｖの印加により発光させ、コニカミノルタ製照度計Ｔ－１０をＬＥＤに１５ｍｍまで近接させてＬＥＤ先端方向の直射照度を計測した。測定にあたっては、塗料塗布前（再生前）と塗布後２４時間の室温養生（再生後）した照度を塗料ごとに３検体測定し、それぞれの平均値を表１に示した。

表１に示されるように、再生前の照度は２７０～３１０ｌｘであったものが、再生後には３６０～４３８ｌｘへと回復効果が認められた。再生前後の照度比である照度回復率は１３３～１４１％と、ウレタン系塗料とシリコン系塗料がやや高いものの、各塗料による回復に顕著な差異は認められなかった。

図１２は３種の塗料の中で最も大きな照度回復率を示したシリコン系塗料の塗布前後のレンズ表面外観写真である。外観目視観察を行ったところ、くすみがなくなり十分に透明性が回復し、光沢も増している（図１２上参照。）。さらに、実体顕微鏡によって拡大観察すると、図１２下に示されるように、塗布前はレンズ表面に無数のクレイズが見られていたが、塗布後にはクレイズが消失していた。

このように、劣化したレンズに樹脂塗料を塗布することで、ＬＥＤは外観という定性的にも、照度という定量的にも回復することを立証できた。

＜２＞レンズの耐久性評価
＜２－１＞促進耐候試験
図１３は耐久性評価に用いた促進耐候性試験機アイスーパーＵＶテスターＳＵＶ－Ｗ１６１－Ｔ０５（岩崎電気製）の光波長分布を示している。図中には、比較のために、太陽光と、ＩＳＯにて規格化されているキセノンランプと、ＪＩＳで規格化されている紫外線カーボンアークとについても併記した。同図に示されるように、本評価に用いた促進耐候性試験機の照射波長は、太陽光、キセノンランプおよびカーボンアークの全ての波長を含んだ波長分布を示し、照射対象試料に対し、強い劣化ダメージを与える。なおかつ、照射時の比エネルギー値は、太陽光３００～４００ｎｍの年間放射露光量３０６ＭＪ／ｍ²で、太陽光、キセノンランプおよびカーボンアークと比較して高い照射エネルギーを有している。

この促進耐候性試験機では３００～４００ｎｍの放射照度１５０±８ｍＷ／ｃｍ²から計算すると、１年相当分は５７時間になる。促進耐候試験の時間は、電光表示板の更新時期を設置後３０年とした場合、２０年経過時点でレンズの再生を行い、残り１０年間の中間において再々生を行うことを想定し、５年相当分となる２８５時間の照射を行った。

＜２－２＞促進耐候試験結果
促進耐候試験時間に対する再生ＬＥＤの照度変化率を図１４に示した。照度変化率とは、再生化直後の照度を１００％としたときの経時による照度が低下する変化率を表している。この結果から、シリコン系塗料では、照射２２８時間（約４年相当分）まで全く低下せず、２８５時間（約５年相当分）で僅か２％の低下に留まった。続いてフッ素系塗料が７％、ウレタン系塗料が２０％と、シリコン系塗料が最も照度低下の少ないことが確認できた。以上の結果より、３種の塗料の中でシリコン系塗料が抜群の耐久性を有することが立証できた。

また、一般に、光の透過の妨げの度合いを見る間接的測定手段として曇り度（日本工業規格、プラスチック－透明材料のヘーズの求め方、ＪＩＳＫ７１３６：２０００）、光沢度（日本工業規格、塗料一般試験方法－第４部：塗膜の視覚特性－第７節：鏡面光沢度、ＪＩＳＫ５６００－４－７：１９９９）が存在する。これらの測定手法に基づき、それぞれ３種の塗料に測定を実施したものの、いずれも照度と同様の低下挙動を示し、結果としてシリコン系塗料の耐久性に対する抵抗の高さが際立った。

＜２－３＞レンズの再々生
上述のようにレンズに３種の塗料を塗布し、５年相当分の促進耐候試験後、照度の低下が一番少ないシリコン系材料で２％低下、最も低下が大きいウレタン系塗料で２０％低下という結果を得た。すなわち、シリコン系塗料の塗布によるレンズ再生で５年の耐久性が確保できることが分かった。そこで、５年経過後、さらに電光表示板の寿命延長を試みるとどうなるかを推測するため、劣化処理後に同一塗料を再度塗布した場合、照度が再生するのかを検証した。その結果を表２に示した。

表２において、回復照度は再生時と再々生時の照度差を、照度回復率は再生時に対する再々生時の照度の比率を表している。３種の塗料とも照度は回復するものの、回復の程度は塗料によって大きく異なった。フッ素系塗料とシリコン系塗料では、一度目の再生と二度目の再生（再々生）の比率である照度回復率は９９％であった。すなわち、一度目の再生も二度目の再生もほぼ同じ照度へ回復することが明らかになった。なお、ウレタン系塗料は、分子構造中にＮＨ等の助色団を含むことから黄変化が生じるため、照度回復率は低下するものと考えられる。

以上の結果から本再々生手法を用いることで、レンズに対しては半永久的に使用可能であるということが言える。

＜２－４＞塗料の剥離試験
レンズを構成するエポキシの分子構造式は図３に示すとおり無極性ポリマーではない。しかし、シリコン系塗料は一般に基材に対し、密着性に劣る。シリコン系接着剤（ＲＴＶ（室温硬化））はエポキシ系接着剤の１／４の接着力である。そこで、促進耐候試験後のレンズからの剥離試験を市販のセロハンテープ、ガムテープを用いて実施した。

その結果、いずれの塗料もレンズ表面からの剥離現象は照射処理後でも全く示すことなく、劣化後もレンズに対する十分な密着性を保持していることが確認された。シリコン系塗料では部分的な剥離すら認められなかった。この要因として、シリコン系塗料では、官能基の極性効果以外にクレイズの発生が著しいため、アンカー効果による機械的、物理的な接着効果も十分生じていると考えられる。

＜２－５＞アクリルシリコン系塗料の照度回復性・耐久性効果
シリコン系塗料として特にアクリルシリコン系塗料を用いた場合、アクリルシリコン系塗料はアルコキシリル基がアクリル樹脂に加水分解、脱水縮合により架橋反応を生じさせ、硬化させているものと推察される。アクリルシリコン系塗料の場合、塗布後、約２４時間の養生が必要であり、この養生時間が架橋反応終了時間と考えられる。

すなわち、図１５のアルコキシリル基結合アクリル樹脂の架橋反応図に示すとおり、シロキサン結合（－Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ－）は結合エネルギーが他の結合と比べると遙かに大きいため、劣化に強く、耐光性、耐水性および耐熱性の全ての点において優れている。さらに、架橋も施されているため、耐溶剤性も優れている。このため、長期間の屋外曝露に十分耐えられるものと考えられる。

以上のように、本実施形態における発光装置の再生方法によれば、樹脂２の表面３に透明な樹脂塗料５を塗布して樹脂２の表面３の凹凸４を埋めるだけで、簡単に樹脂２の表面３が滑らかな状態に再生され、凹凸による光の乱反射が軽減されて、くすみが改善され、輝度が回復したＬＥＤ１が得られる。したがって、この再生方法によれば、電光表示板等が設置される現場において透明な樹脂塗料の塗布により容易にＬＥＤを再生させ、視認性を回復させることが可能であり、また、劣化したＬＥＤを再生した再生発光装置を製造することも可能である。

なお、上記においては、ＬＥＤ素子を封止する樹脂２としてエポキシ樹脂が使用されたＬＥＤ１の再生について説明したが、エポキシ樹脂以外の樹脂が使用されたものであっても、その表面に細かなひび割れが発生したものに対して、凹凸４を樹脂塗料５により埋めることで、光の乱反射は収まり、光はレンズを直線的に投下し、くすみは回復する。また、発光装置としてＬＥＤを例に説明したが、発光部が樹脂により覆われた発光装置にも適用可能である。

本発明は、表面の樹脂が劣化もしくは外部からの傷により表面に凹凸が形成され、輝度が低下したＬＥＤ等の発光装置の輝度回復と長時間の耐久性を得ることが可能であり、持続可能な社会へ大きく寄与できる発光装置の再生方法および劣化した発光装置から再生発光装置を製造する方法として有用である。

１ＬＥＤ
２樹脂
３表面
４凹凸
５樹脂塗料

Claims

表面の樹脂の劣化もしくは外部からの傷により前記樹脂の表面に凹凸が形成された発光装置の再生方法であって、
前記樹脂の表面に透明な樹脂塗料を塗布して前記樹脂の表面の凹凸を埋めることを特徴とする発光装置の再生方法。
前記樹脂の表面を一切研磨することなく、前記樹脂塗料を塗布することを特徴とする請求項１記載の発光装置の再生方法。
前記樹脂塗料の塗布は、スプレーまたは刷毛塗りによる請求項１または２に記載の発光装置の再生方法。
前記樹脂塗料は、シリコン系塗料である請求項１から３のいずれかに記載の発光装置の再生方法。
表面の樹脂の劣化もしくは外部からの傷により前記樹脂の表面に凹凸が形成された発光装置に対し、前記樹脂の表面に透明な樹脂塗料を塗布して前記樹脂の表面の凹凸を埋めることを特徴とする再生発光装置の製造方法。