ランプとＬＥＤの長所を併せ持つ新しい産業用光源
2020-01-22 産業技術総合研究所
ポイント
- 明るく（200 mW以上）安定で（1000時間以上）超広帯域の（350-1200 nm）小型発光素子を実現
- 蛍光体を保持するバインダー材料や蛍光体層の改良により特性を向上
- 食品品質評価のためのポータブル分析機器の開発や小型光センサーの実現などを期待
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）センシングシステム研究センター【研究センター長 鎌田 俊英】バイオ物質センシング研究チーム 藤巻 真 研究チーム長、福田 隆史 主任研究員は、小型ハロゲンランプ（5 Wランプの発光強度は100 mW程度）をしのぐ明るさ（200 mW以上）と、1000時間以上の長寿命性を併せ持つ超広帯域発光素子を開発した。この素子の発光波長域は、近紫外（350 nm）から近赤外（1200 nm）までである。
さまざまな方式による広帯域発光素子の開発は世界的にも活性化の兆しを見せている。そのような中、今回開発した素子は、紫外LEDと、そのLEDの光で励起され、さまざまな波長の光を発する複数の蛍光体とを組み合わせて超広帯域の発光を得る方式の発光デバイス（『LED型の小型超広帯域発光素子』、より詳しくは、『紫外LED励起型超広帯域発光素子』と呼んでいるもの）である。蛍光体を取り巻くバインダー材料や蛍光体層の物理的構造を改良することによって、実用製品に適用できる明るさ（発光強度）と安定性（寿命）を実現した。その結果、小型のハロゲンランプを光源とする超小型計測器や分析機器（例えば、鮮魚や精肉の脂ノリを分析するポータブル分析機器や果実の糖度を非破壊で計測する機器など）の上位互換の代替光源として使用できるようになった。この新たな光源素子の登場が引き金となり、従来の光源では実現できなかった小型光センサー（例えば、パーソナルヘルスケア）など、新しい製品群の創出が期待される。
なお、この技術の詳細は、2020年1月29～31日に東京ビッグサイト（東京都江東区）で開催される展示会InterOpto 2020で発表される。
棒状に成形された蛍光体の写真（左）、今回開発した超広帯域発光素子の構造の概略図（中央）、開発した素子と5 Wハロゲンランプ の発光している様子の比較（右）
開発の社会的背景
白色LED素子は省エネ・長寿命などの特長を持つ光源としてよく知られており、一般照明用途では既に社会に浸透している。白色LED素子の普及には、2009年閣議決定された 『新成長戦略（基本方針）』 により、2020年までに次世代照明（LED、有機ELなど）化100 %の達成がうたわれたことや、欧州特定有害物質使用規制（RoHS指令）や水俣条約などへの対応が必要といった社会的背景も一因となっている。このような光源革新の流れは産業用光源素子へと必然的に波及してゆくと考えられるが、白色LED素子は“人間の眼”に適合させてあるため、光センサーの受光素子やカメラの撮像素子などの、いわば“機械の眼”として普及しているシリコンフォトダイオードにとっては、発光波長の範囲が狭く、不十分であった。
研究の経緯
産総研は、近紫外から近赤外の波長にわたる超広帯域の光を発光できる『紫外LED励起型超広帯域発光素子』の開発を主導し、2019年までに、世界で初めて、近紫外（350 nm）から近赤外（1200 nm）までの発光波長域を持つ素子を開発した。この素子は省電力性・パルス点灯可能・小型・堅牢・長寿命・低発熱性などの特長があるが、一方で、ハロゲンランプを代替するには、明るさ（発光強度）が十分ではなかったため、製品化は難しかった。そこで今回、紫外LED励起型超広帯域発光素子の明るさの向上に取り組んだ。
なお、本研究開発は、TIA連携プログラム探索推進事業『かけはし』（2019年度）による支援を受け、国立研究開発法人 物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点 光機能分野サイアロングループと連携して行った。
研究の内容
今回、「紫外LED励起型超広帯域発光素子」の発光強度増強と、長寿命化を達成するために、蛍光体を取り巻くバインダーの材料や蛍光体層の改良に着目した（図1）。今回開発した発光素子では、蛍光体の励起に用いる紫外LEDの発光強度を増大させることが素子全体の発光強度増大の最も単純で直接な方法となる（図1（左））。しかし、紫外LEDの発光強度が増大すると、それに伴って、バインダー材料や蛍光体自体が熱反応や、光反応によって変性（劣化）してしまうため、強い発光と長期間の安定性を両立させにくいという問題があった。一般に普及している白色LEDで広く用いられているバインダー材料は、シリコーン樹脂かエポキシ樹脂である。これらは、白色LEDの励起光源の波長（450 nm前後の青色）に対する安定性は十分であるが、極めて強い紫外線を照射すると、樹脂を構成する分子が変性し、成形物がヒビ割れたり褐色に変色したりする（図1（右））。このような変化は素子の発光強度増大や長寿命化にとって大きな障害であった。
今回、その問題を解消するため、バインダーの材料や構造の改変を行った。バインダーについては、空気中の水分や酸素の侵入を防ぐこと（ガスバリアー性）、強い紫外線照射よるバインダー自身の熱・光変性が少ないこと（熱／紫外線耐性）、また、強い紫外線で励起された蛍光体が発生する熱の放散を効果的に行うこと（熱伝導性）などの点を考慮した。その結果、極めて強い紫外線照射によって発生する、バインダーと蛍光体の化学的・物理的変化を抑制でき、小型ハロゲンランプをしのぐ明るさ（200 mW以上）注１と1000時間以上の長寿命注2を併せ持つ素子を開発できた（図2）。これによって初めて製品に搭載できるようになり、実用化への道が開けたと言える。
この超広帯域発光素子はハロゲンランプに比較すると、省電力であり、熱線（中/遠赤外線）の発生もなく、小型で、耐衝撃性も高く、また、パルス点灯ができるなど、さまざまな優れた特性があるため、超小型計測器や分析機器用途のための新しい次世代メンテナンスフリー光源としての活用が広く期待される。
図1 今回開発した超広帯域発光素子の主要部分の模式図（左）と劣化したバインダー・蛍光体の一例（右）
図2 開発した超広帯域発光素子の発光強度（左）と規格化発光強度（初期強度を100 %とした相対値）の経時変化の例（右）
注１： 例えば、定格5 Wのハロゲンランプの明るさ（発光強度）を、波長650 nmの校正値を基準として、光源から3 mmの距離に置かれたサーマルセンサー（受光部サイズ：直径10 mm）により測定すると、およそ100 mWであった。（この測定値は発光帯域全体の感度補正を行って校正された厳密な数値ではなく、簡便な参考値であることに注意が必要である。ただし、利用可能な発光量を素子間で比較する目的には有効である。）
注2： ハロゲンランプの一般的な寿命は1000時間程度（推奨交換寿命：500〜700時間）と言われているが、今回開発した素子では点灯時間が1000時間の時点でも点灯開始時の約80 %の発光を維持しており、1000時間を十分に超える寿命が確認できた。（グラフの外挿による推定値としては10000時間以上が期待できる。）
今後の予定
今後、さらなる発光強度向上や安定性の向上にかかる基礎研究を加速させるとともに、実用に向けたプロセス技術の開発を推し進め、より多くの目的に応える素子の開発やカスタマイズを進める。また、連携パートナーを募り、量産技術の開発や適用製品開発についても推進する。
用語の説明
- ◆長寿命性
- 一般に普及している白色LEDの寿命は、“点灯初期の明るさの70 %に至るまでの総点灯時間“という定義にしたがって表記されることが多い。今回の開発品は一般的な白色LEDとは材料や素子構造の点で相違点も多いが、寿命の推定値算出にあたっては、前述の定義を準用し、連続点灯条件における1000時間の実測定データを外挿することによって算出した。
- ◆超広帯域発光素子
- 人間が感じる（見る）ことができる光の範囲は 380〜780 nmとされているが、これよりも大幅に広い範囲の光を発光することができる発光素子のこと。今回開発した発光素子は350 nmの紫外線から1200 nmの近赤外線までの波長範囲の光を発光できる。この発光波長範囲は、広く利用されている光センサーや撮像素子（CCDなど）が感じることができる範囲（感光域）とよく一致しており、それら“機械の眼”にふさわしい効率の良い光源と言える。
- ◆蛍光体
- 光・放射線・電子・応力など外部から与えられるエネルギーを光として発する物質のこと。ここでは、中心波長365 nmの紫外LEDの光を各種蛍光体に照射して、近紫外から近赤外にわたる光を得て、それらが混合されることで超広帯域発光を実現している。
- ◆バインダー材料
- 用いている蛍光体は粉末状であるため、ひとかたまりの形状に成形して利用するために、いわゆるツナギが必要になる。これをバインダー材料と呼んでいる。
