ナノテク情報

デバイス・応用

次世代の指向性白色光源の開発に成功 ~ナノアンテナで明日を照らす~

 京都大学は2018年12月6日,同大学院工学研究科とスタンレー電気株式会社の研究者から成る研究グループが,次世代型の指向性白色光源の開発に成功したと発表した.本研究の一部は,国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業さきがけ,旭硝子財団,ナノテク CUPAL(Nanotech Career-up Alliance)の支援を受けて行われ,成果は米国科学誌Journal of Applied Physicsのオンライン版に京都大学 田中 勝久教授を統括著者として掲載された(注).

 白色LEDは,青色LEDと青色を吸収して黄色に光る蛍光体の組み合わせからなり,青色と黄色の混色により白色を得ている.現在,より高輝度の照明応用に向け青色レーザーを使った白色光源の開発が進み,一部実用化されている.しかし,青色レーザーが指向性をもって直進するのに対し,黄色蛍光は全方向に放たれるので,角度によって青色と黄色の割合が変わり,均一な白色が得られない.また,ハイパワーの青色レーザーが入射すると,黄色蛍光体が加熱される.従来の白色LEDでは,黄色蛍光体は粉末をプラスチックのバインダーで固めたものを使用しているため,加熱によりバインダーが劣化してしまう.さらには,高温になると蛍光の発光が弱くなる,温度消光と呼ばれる問題があった.

 これに対し本研究グループは,金属ナノシリンダーの周期アレイ構造を蛍光体基板上に作製することで,この問題を解決した.金属ナノシリンダーを光の波長スケールの周期数100nmで並べたアレイ構造は,局所表面プラズモン共鳴効果により光をアレイ面内に閉込めたり,特定の方向に放出する作用がある.京都大学の研究グループは以前,アルミニウム(Al)のナノアンテナにより,アレイ上に塗布した蛍光体薄膜からの発光を大幅に強めることに成功していた.今回はその技術を応用し,厚さ200μmのYAG:Ce黄色蛍光体基板の上にAlナノアンテナ(直径150~240nm,高さ150nm,周期400nm)をナノインプリント技術と反応性イオンエッチングによって作製し,青色レーザーと組み合わせて,指向性白色光源を設計・試作した.

 本試作光源では,基板からの黄色蛍光がアレイを通過する際にアンテナ作用を受け,基板垂直方向に放出される.そのため吸収されずに透過する青色レーザーと進行方向が揃い,角度依存の少ない均一な混色が実現し,色温度4900Kの白色光が得られた.また,垂直方向に光が集まるので,垂直方向ではナノアンテナが無い場合に比べ7倍の発光増強が実現し,発光効率は90lm/Wに達した.また,プラスチックのバインダーが無い蛍光体基板を使ったので,バインダーの劣化を考える必要が無くなった.蛍光基板は蛍光体粉末をバインダーで固めた蛍光体層よりも熱伝導度が高いため,温度が上がりにくく,温度消光の問題も解消した.

 蛍光基板内で発生した蛍光をすべて前方に放つことができれば,理論的にはさらに蛍光強度を高められる.今後は強度を理論予測に近づけるために,シリンダーの材質や形状を含むアレイの最適な構造を追求する.並行して,この技術を核にしてレンズ,反射板など最適なパッケージング設計を行い,実際の照明に組込む実用化に向けた研究に取組む,としている.

(注)Ryosuke Kamakura, Shunsuke Murai, Yusuke Yokobayashi, Keijiro Takashima, Masaru Kuramoto, Koji Fujita, and Katsuhisa Tanaka, "Enhanced photoluminescence and directional white-light generation by plasmonic array", Journal of Applied Physics, Vol. 124, No. 21, p. 213105; doi: 10.1063/1.5050993; Published Online: 05 December 2018