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白色ＬＥＤ用の青色蛍光体の開発に成功
－太陽光に近い自然な照明が実現－
平成１８年 ３月１６日 独立行政法人物質・材料研究機構 概要 １．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸 輝雄）物質研究所（所長：室町 英治） 非酸化物焼結体グループの広崎 尚登主席研究員は、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）１）向け の新たな青色蛍光体の合成に成功した。すでに開発した赤色、黄色、緑色の蛍光体と合わせ て、光の三原色である赤、緑、青と発色調整に有用な黄色がそろったことにより様々な発色 のＬＥＤを提供することが可能となった。４０５ｎｍの光を放つ紫ＬＥＤと、これら４色の 蛍光体を組み合わせることにより以前発表済み（平成１７年３月２３日）のものよりさらに 自然な発色（演色性）２）の白色ＬＥＤの試作に成功した。 ２．現在の照明は蛍光灯が主流であるが、蛍光灯に比べてＬＥＤは「消費電力３割減」「水銀 を使用しない」といった環境面からも、将来は全てＬＥＤに置き換わると予想される。しか し、現行のＬＥＤは青色と黄色の光を混ぜて発光していたため、緑色と赤色の成分が欠如し た不自然な光になっていた。そのため、自然な発色が求められる商店の商品照明や食卓など の屋内照明には不適当であり、自然な光を放つ照明用ＬＥＤが必要とされていた。白色ＬＥ Ｄの演色性を改善する手法として、４０５ｎｍの紫ＬＥＤと赤、緑、青の３種類の蛍光体を 組み合わせる方法が提案されているが、既存の蛍光体は紫光をあてても発光効率が悪いとい う問題があり、発光強度の高い蛍光体の実現が待ち望まれていた。 ３．開発した青色蛍光体は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ランタン、酸化セリウム粉 末を混合させ、その後窒化ホウ素製のるつぼに入れて窒素中 10 気圧、1900℃で反応させて 作製した紫ＬＥＤとの組み合わせに適したものである。合成した粉末はＣｅを含む酸窒化物 結晶であり、化学的安定性や耐久性に優れている。 ４．シャープ（株）の協力の下、機構が既に開発した赤色、黄色、緑色蛍光体に加えて、本青 色蛍光体を使用したところ、青、緑、黄、赤の４色をバランス良く含む太陽光に近い自然な 白色の光を放つ事が可能になり、色再現性の指標である演色性Ｒａ値３）が９６を越える自然 な照明装置を試作することに成功した。 ５．この成果は３月２２日から東京都の武蔵工業大学で開催される第５３回応用物理学関係連 合講演会で発表の予定である。研究の背景 青色LEDチップ（化合物半導体４））と黄色蛍光体（イットリウム・アルミニウム・ガーネ ット（YAG）５））を組み合わせた白色LED（発光ダイオード）の実用化が始まっている。白 色LEDの明るさは、すでに電球を越えた水準に達しており、メインテナンスフリーの光源と して携帯電話バックライト等への需要が伸びている。また、水銀を含まないため蛍光灯に 替わる照明として期待されている。しかしながら、現行品は４６０ｎｍの波長の青色ＬＥ Ｄと黄色の光を混ぜて白色を合成しているため、緑色や赤色の成分が乏しく青白い不自然 な光しか発する事が出来ず、鮮やかな発色が求められるスーパーや商店の商品照明や食卓 などの屋内照明には不適当であった。 演色性に優れるLED照明として、405nmの波長を持つ紫LEDを光源として用い、赤、緑、青 の光の３原色を発する蛍光体と組み合わせる方式が提案されている（経産省「２１世紀の あかりプロジェクト」）。この方式は、有効な光の成分を全て蛍光体からの光で賄うため、 蛍光体の組み合わせにより自由な照明光を設計することができる。例えば、赤色成分を多 く含めば電球の光を、青や緑色成分を多く含めば昼間の太陽光を再現できる。しかも、405nm の発光素子はブルーレイ用途として開発が盛んであり、理論的に高効率の発光素子が得ら れる。このように、家庭用照明として利点が多いにも係わらず、この方式に合った紫色で 良く光る蛍光体がなかったために、十分な性能が引き出されていなかった。 物質・材料研究機構では、耐熱材料として実績のある窒化ケイ素関連物質をホスト結晶６） とした蛍光体の研究を進めており、青色 LED との組み合わせに適した蛍光体については、 既に開発に成功している。2002 年には、YAG 蛍光体よりも発光特性に優れるアルファサイ アロン（α-sialon:Eu）７）黄色蛍光体を開発した。この蛍光体は、青色光を吸収して黄色 光を発光する蛍光体であり、発光効率が高くしかも安定性に優れた特徴を有するため、YAG に替わる白色 LED 用の黄色蛍光体として注目されている。2004 年 8 月には、純窒化物であ るカズン（CaAlSiN3:Eu）８）赤色蛍光体を開発した。2005 年３月には、ベータサイアロン（β -sialon:Eu）９）緑色蛍光体を開発した。図１に物質・材料研究機構で開発し、既に発表し た蛍光体（サイアロン黄色蛍光体、カズン赤色蛍光体、サイアロン緑色蛍光体）を示す。 これらの蛍光体は、青色 LED との組み合わせを狙って開発したが、紫 LED（405nm）や紫外 LED（360～380nm）でも効率よく光る。しかし、紫 LED 用途には、青色蛍光体が存在しない ため、その開発が待ち望まれていた。 成果の内容 今回発表する蛍光体は、紫 LED との組み合わせに適した青色蛍光体である。 合成方法としては窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ランタン、酸化セリウム粉末を 混合したものを窒化ホウ素製のるつぼに入れて、10 気圧の窒素中，1900℃で反応させるこ とにより、セリウムが固溶した酸窒化ケイ素粉末を合成して作製した。 図２にこの新規蛍光体の発光の様子を、図３に発光特性を示す。得られた粉末は波長が
350nm から 430nm の光を吸収して 450～520nm の青～青緑色を発光する蛍光体である。LED を光源として利用する場合は、400nm 以下の紫外 LED、405nm の紫 LED の光を利用すること ができる。特に、紫色 LED との組み合わせでは青～青緑色をカバーできるため、既に開発 済みの緑、黄色、赤色蛍光体と組み合わせると、室内照明に適した色の再現性が良い照明 器具を作ることができる。 従来から知られている、プラズマディスプレイパネル等に使われているバリウム・アル ミニウム酸化物（BAM）を母体とする青色蛍光体は、電子線や紫外線ではよく光るが、紫か ら青色の光をあてても効率よく光らない。また、BAM の発光は 450nm の青色であり 500nm 近辺の光の成分が乏しい問題もある。 【ＬＥＤの試作】 今回の蛍光体の開発により、すでに発表した赤色、黄色、緑色の蛍光体（図１）と合わ せて、紫 LED 用途に必要な基本色の蛍光体（赤、黄、緑、青）がそろったため、様々な発 色のＬＥＤを提供することが可能となった。これらの蛍光体を用いて、シャープ株式会社 の協力を得て、色再現性に優れた白色ＬＥＤの試作に成功した（図４：LED の写真）。光学 特性は、色温度２８００～４４００Ｋ１０）の電球色から白色において図５のようななめらか なスペクトルを持つ。色再現性を示す値（演色性指数 Ra）は９５～９６と高い。特にこれ まで不可能と考えられていた温白色や電球色でも高い色再現性と発光効率を両立すること ができた。これにより、家庭用などの一般照明として最も需要の大きい温かみのある LED 照明が一気に実用化へと近づいた。 また、本方式は、赤、黄、緑、青の光の成分の比を自由に変えられることから、白色以 外の中間色の発色が可能となるため、今まで電球と色フィルターで実現していた中間色照 明への適用も期待される。 波及効果と今後の展開 今回開発した青色蛍光体を既に開発した赤、緑および黄色蛍光体と組み合わせることに より、太陽光に近い演色性を有する白色 LED 照明器具を作ることができる。現在使われて いる蛍光灯などの照明器具は、エネルギー消費効率とライフサイクルの環境面から、将来 は全て白色 LED に置き換わると予想され、３割以上の消費電力削減や CO2削減にも貢献でき る。また、蛍光灯と違い水銀を一切使用しないため、環境保護の点でも貢献が期待できる。 LED 市場は 2010 年で 1 兆円市場と予想され、高性能蛍光体の提供は社会への貢献が大き い。さらに、パソコン用表示素子やテレビも PDP や FED などのフラットパネルに置き換わ り、その市場規模は全世界で十兆円と推定されている。これらの用途には必ず高輝度長寿 命の蛍光体が使われると予想され、耐久性に優れた本蛍光体はこれらの用途にも適してい る。 本材料は材料としての評価および LED と組み合わせた発光特性結果が得られているが、 信頼性の評価と量産技術が今後の課題である。また、LED との組み合わせでは、蛍光灯な
みの発光効率の向上が求められている。メーカとの協力の下に、３年後の実用化を目指し ている。 この成果は、東京都の武蔵工業大学で開催される第５３回応用物理学関係連合講演会で 発表の予定である。 用語解説 １）発光ダイオード（LED） 端子間に電圧を加えると光を発生するダイオードであり、GaAs や InGaAlP などの化合物 半導体が使われる。蛍光体と組み合わせた白色発光ダイオードは、消費電力が少なく、小 型軽量化、長寿命、水銀フリーの特徴を持つ発光素子として、将来は蛍光灯に取って代わ るものとして期待されている。 ２）演色性 照明で照らしたときに自然な色合いの発色が得られる指数。JIS で定義されている値で、 太陽光と電球を基準の１００の値としている。 ３）Ｒａ値 平均演色評価数。演色性を評価する際には 15 種類の色について評価を実施するが、その うち一般的である１から８の評価結果の平均を求めた値。通常の蛍光灯は６０前後、高演 色性の蛍光灯は９０前後である。 ４）化合物半導体 複数の元素の化合物であって、半導体の性質をもつもの。代表的なものとして周期律表 のⅢ族とⅤ族（GaAs、GaP、InP、GaN）又はⅡ族とⅥ族（CdTe、ZnSe）、Ⅳ族同士（SiC）の 組合せがある。 ５）YAG Y3Al5O12で示されるイットリウムとアルミニウムを含む酸化物。これに３価のセリウムを 添加することにより黄色の蛍光体となる。 ６）ホスト結晶 蛍光体を構成する母体となる結晶。ホスト結晶に光学活性な希土類イオンを固溶させる ことにより蛍光体となる。今回の成果では、ホスト結晶は CaAlSiN3である。 ７）α－サイアロン α型窒化ケイ素結晶に Ca などの金属イオンとアルミニウムと酸素とが固溶した Mx(Si,Al)12(O, N)16の組成で示される結晶。M は金属イオンで x は固溶量を示す。従来は、
耐熱構造材料として研究されてきた。 ８）ＣａＡｌＳｉＮ３ 窒化カルシウムと窒化アルミニウムと窒化ケイ素を１８００℃の高温で反応させて得ら れる窒化物結晶。この結晶にＥｕを固溶させることにより赤色蛍光体が得られる。 ９）β－サイアロン β型窒化ケイ素結晶にアルミニウムと酸素とが固溶した Si6-zAlzOz N8-zの組成で示され る結晶。z は固溶量を示す。 １０）色温度 白色の色あいを表す指標であり、単位は絶対温度Ｋ（ケルビン）である。色温度が低い と赤みがかった白色に、高いと青白い白色になる。完全黒体（外部からの光を反射しない 物体）を高温にした時にその物体が放つ光の色を基準とし、その温度によって表す。昼間 の太陽光がおよそ５５００Ｋである。 問い合わせ先： 〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１ 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 TEL:029-859-2026 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 物質研究所非酸化物焼結体グループ 主席研究員 広崎 尚登（ひろさき なおと） TEL：029-860-4479（ﾀﾞｲﾔﾙｲﾝ） E-mail：[email protected]
図１ 既に発表済みのサイアロン蛍光体
図３ 開発蛍光体のスペクトル
