ＮＥＤＯ 省エネルギー技術フォーラム 2016 戦略的省エネルギー技術革新プログラム フェーズ名：実用化開発 ＜高効率LED照明のヒートシンク用 高熱伝導樹脂の開発＞ 事業実施法人名：デュポン(株) 研究開発期間：平成２６年１２月～平成２８年６月 １－１．研究開発の背景 2 テーマの位置付け ZEB/ZHBを指向したLED照明の市場導入を促進する材料技術の確立 → 効果目標：高熱伝導製樹脂筐体によるLED照明部材の軽量化とコスト低減化 テーマの必要性、重要性、妥当性 政府方針 ・2030年までに国内全ての照明のLED等省エネ型への置き換え ・住宅、オフィス等のゼロエミッション化推進 → LED照明の熱対策課題を解決し、高効率LED照明普及の加速が必要 研究開発目的の妥当性 熱伝導率二桁の樹脂＋金属の一体型ヒートシンク → 金属単体の冷却性能に匹敵 （弊社シミュレーション） 設定した当初の目的の妥当性 定型金属ヒートシンク LED照明 放熱性、コストで従来 の熱伝導樹脂より優る 絶縁熱伝導（30W/mK)樹 脂ヒートシンクLED照明 樹脂化による軽量化かつ設計自由度向上 → 40%軽量化、40%材料コスト削減可能 国内外の市場動向 低熱伝導樹脂製ヒートシンク採用事例はあるが普及率は低い 国内外の競合技術動向 高熱伝導樹脂開発例はあるが、コスト・加工性の問題で普及率は極めて低い １－２．研究開発の目的、目標 3 従来の課題 LED照明への置き換えが来たい通りには進んでいない ・LED照明の国内普及率： 2012年まで約20%だが、以降伸び悩み ・LED照明市場の中心： 白熱電球と蛍光灯の置き換えのみ 高い初期導入費 ・初期費用の回収に長期間（5年程度）かかる 放熱問題 ・高効率化・大光束化 → 放熱不足によるLED寿命の著しい減少 ・ヒートシンクの巨大化 → 材料コスト高、重要度大、設置コスト高 目的、目標 LED照明ヒートシンク 樹脂材として絶縁性 を有した熱伝導率 30W/mKの達成 従来のアルミ代キャ ストヒートシンク材と 比較し、40%の軽量 化、そして40%の材 料コストを削減 LED照明の小 型化、設置など を含むトータル コスト削減 ZEB/ZEHの実現 に不可欠である 高効率LED照明 の普及の加速 １－２．研究開発の目的、目標 4 省エネルギー効果算出の際の提案技術達成目標： 現行のアルダイキャストヒートシンクと同等の放熱特性を有しながら、40%の軽量化と40% の低コストヒートシンクを実現するための高熱伝導樹脂技術を提案すること 金属/樹脂ヒートシンク 金属 樹脂 アルミプレート LED ｺﾝﾄﾛｰﾙ基盤 熱伝導樹脂製筐体 アルミ 樹脂製絶縁リング 口金 放熱経路 ｱﾙﾐ/樹脂比 100/0 90/10 50/50 10/90 相対重量* 100 96 80 63 相対コスト 1** 100 69 63 56 相対コスト 2** 100 71 73 75 放熱性 - ◎ ○ ○ *比重：アルミ2.7, 熱伝導樹脂1.6をベースに計算 **相対コスト1：樹脂販売単価550円にて計算し、アルミ筐体を 100%とした場合の相対値 相対コスト2: 樹脂販売単価850円にて仮定 ２－１．研究開発体制 5 主任研究員 研究開発責任者 研究員、プロセス技術者 デュポン株式会社 マーケティング、営業 経理責任者 該当なし 委託先 又は共同実施先 顧客 綿密なニーズ調 査と各顧客に合 わせた適切な技 術開発と提案 ２－２．研究開発内容 6 技術開発項目①： 技術開発項目②： 低融点材料を被覆させた 熱伝導フィラー技術の開発 熱伝導パス形成技術 の開発 技術開発項目③： 熱伝導樹脂とアルミの 接合界面の最適化 ３－１．成果 7 技術開発項目①使用樹脂 絶縁系 樹脂/アルミ一体化部品においてアルミヒートシンクとほぼ同等の放熱 特性を達成した。 ３－１．成果 8 全体計画 最終目標（値） 開発当時の技術レベル 到達レベル 高効率LED照明 のヒートシンク用 高熱伝導樹脂の 開発 30W/mKの高熱伝導性 樹脂の開発、及びLED 用ヒートシンクとしてア ルミダイキャストに対し 40%の軽量化とコストダ ウン アルミヒートシンクを代 替できる熱伝導樹脂材 料はなかった 絶縁かつ30W/mKの目標は未 達だが、射出成形可能な絶縁か つ15W/mKの樹脂材により、金 属接合組合せができ、40%軽量 化とアルミダイキャストとほぼ同 等の放熱特性を達成した。 個別研究項目 最終目標（値） 開発当時の技術レベル 到達レベル ① 低融点材料を 被覆させた熱伝 導フィラー技術の 開発 低融点材料でコーティン 低融点材料をコーティン グされた熱伝導フィラー グされたフィラーは前例 の圧粉体の体積抵抗値 がない が1010Ω・cm以上 低融点ガラスと無機フィラーの 組合せで1010Ω・cmの体積抵抗 を達成した。 ② 熱伝導パス形 成技術の開発 フィラー高充填化による 熱伝導率30W/mK 熱伝導樹脂で、導電系 で10W/mK、絶縁系で 5W/mKの熱伝導率に 止まった 導電系では30W/mKを達成した が、電気絶縁かつ30W/mKは未 達となった。電気絶縁かつ 15W/mKは達成した。 ③ 熱伝導樹脂と アルミの接合界 面の最適化 樹脂・アルミ一体型ヒー トシンクの放熱特性が 現行のアルミダイキャス トと同等 樹脂とアルミが強固に 接合できず、一体型 ヒートシンクの提案がで きなかった 樹脂と金属の接合技術を確立し た。熱伝導性樹脂・アルミの接 合筐体が射出成形でき、アルミ ダイキャストとほぼ同等の放熱 特性を達成した。 ３－２．今後の展望 9 到達技術の適用範囲 LED照明W数と適用可能な熱伝導樹脂ヒートシンク材料 30W/mK熱伝導樹脂 ＋アルミ（接合技術） 50W 30W/mK熱伝導 樹脂のみ 10W 5W 1W LED照明W数 100W 15W/mK熱伝導性樹脂 ＋アルミ （接合技術） 15W/mK熱伝導 樹脂のみ 円サイズ=市場サイズ ３－２．今後の展望 10 熱源パワーによる適用放熱法の違い（概要） 適用可能な放熱法 1000W 金属(and/or) ﾋｰﾄﾊﾟｲﾌﾟ CPU High Power IGBT 100W 10W 熱源パワー (W) 熱伝導性樹脂の適用範囲 (and/or) ファン(and/or) 熱伝導性樹脂 熱伝導性樹脂 ＋ 金属 AL 熱伝導性樹脂 1W TC resin (~数W/mk) AL AL 熱伝導性樹脂 熱伝導性樹脂のみ 10 11 ３－３．省エネルギー効果 省エネ効果算定式 指標A ： ＬＥＤ照明(電球)1台あたりの省エネルギー効果量 ０．０４４ ｋＬ 指標Ｂ： 市場規模（弊社製品導入量） ２０２０年： ６６０万台（国内６２万台＋国外５９８万台） ２０３０年： ２,０４６万台（国内１３５万台＋国外１９１１万台） 2020年 省エネ効果量 ： A X B ＝ ２９万ｋL/年 (国内2.7万kL+26.3万kL) 2030年 省エネ効果量 ： A X B ＝ ９０万ｋL/年 (国内5.9万kL+84.1万kL) (原油換算） 12 ３－３．省エネルギー効果 2020年時点： 29万kL/年(累計： 46万kL ) 国内2.7万kL/年 (累計：5.2万kL）、国外26.3万kL/年(累計：40.8万kL） 2030年時点： 90万kL/年(累計：716万kL ) 国内5.9万kL/年 (累計：47.4万kL）、国外84.1万kL/年(累計：671.9万kL） 1000000 原油削減量(kL/年) 900000 800000 700000 600000 国内＋国外 500000 国内 400000 国外 300000 200000 100000 0 2015 2020 2025 年 2030
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