ＮＥＤＯ 省エネルギー技術フォーラム 2016
研究開発期間：平成26年9月～平成29年2月
事業実施法人名：パナソニック(株)、ＩＤＥＣ(株)
＜高効率スポット照明用レーザ光源の開発＞
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
委託先：日東電工（株）、共同研究先：大阪大学、パドーバ大学
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１－１．研究開発の背景
固体光源の利点
省エネ・高効率、長寿命
小型・軽量、クイックOn/Off
水銀レス
ランニングコスト低減
可搬性/デザイン性/利便性
環境負荷軽減
レーザ励起光源は省エネ/高出力を活かし、新たな市場を創出
レーザ励起光源の利点
小発光点
ドループレス
高スポット集光率
高出力
点発光
面発光
現在
将来
有機EL
白色LED
ﾚｰｻﾞ
ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾀ
道路灯
電灯
天井照明
発光部
面積
ﾌｨﾗﾒﾝﾄ型
放電型
蛍光灯
白熱電球
光源の種類
ﾊﾛｹﾞﾝ
固体ﾃﾞﾊﾞｲｽ
水銀
ｷｾﾉﾝ
住宅･ｵﾌｨｽ用 施設・店舗用
産業用
車両用
ﾍｯﾄﾞﾗﾝﾌﾟ
店舗ｽﾎﾟｯﾄ
工場ｽﾎﾟｯﾄ
屋外用
内視鏡
植物工場
ｽﾀｼﾞｱﾑ灯
ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝ
レーザ励起光源の潜在用途
3
１－１．研究開発の背景
施設照明の省エネ化：必要な場所のみ高照度化
照
度
一般照明
スポット照明
必要照度
照
必要照度
度
4
１－２．研究開発の目的、目標
白色LED
レーザ励起蛍光体
蛍光体
半導体レーザ
反射鏡
白色光
白色LED
反射鏡
白色光
ターゲット
照射領域
レーザ励起蛍光体は、ほぼ点光源であり、光の指向性を高めることが可能
目的：レーザ励起蛍光体によりスポット集光性を高め、損失を低減
ターゲット内に損失なく集光
5
電流
光
出
力
レーザ
LED
平面
照明
スポット
照明
(ﾄﾞﾙｰﾌﾟ現象)
レーザ励起蛍光体
発光
素子
発光部
発光部
基板
n型半導体
発光層
p型半導体
導波路
基板
n型半導体
発光層
p型半導体
白色ＬＥＤ
白色化
LED
蛍光体
レーザ
蛍光体
レンズ
白色光
白色光
LED：Light Emitting Diode
発光素子 出力特性比較
レーザ励起蛍光体は高出力時に優位
6
１－２．研究開発の目的、目標
レーザ光源ユニット
GaNレーザ
投射光学系
4器実装した場合
（イメージ図）
本開発の対象：レーザスポット照明機器（1器）
500lx
蛍光体
蛍光体プレート
反射鏡
照度
※ ※照射半径3m、照射距離20m目標：高効率レーザスポット照明機器の実現
エネルギー総合効率
140lx
19.2％
17.0％
60lx
中間
最終
7
１－２．研究開発の目的、目標
スポット照度
反射鏡
集光率
蛍光体
効率
発光素子
効率
3,500lm
500lx
4,100lm
(5,300lm)
光出力18W
（
光出力
24W)
44W
(66W)
レーザ励
起蛍光体
エネルギー
損失率
60%
(64%)
15%
(34%)
投入電力
必要光束
約30%
(約30%)
レーザ励起蛍光体の必要電力：白色LEDの2/3が可能
照射半径3m
照射距離20m
白色LED
レーザ励起
蛍光体
（白色LED）
500lx・・精密視作業に必要な明るさ
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２－１．研究開発体制
共同実施先
研究開発責任者
パナソニック株式会社
田中 毅
共同実施先
委託先
パナソニック株式会社
レーザ光源ユニットの開発
パドーバ大学
ＩＤＥＣ株式会社
日東電工株式会社
大阪大学
高集光率投射光学系の開発
蛍光体劣化ﾒｶﾆｽﾞﾑ／ﾓﾃﾞﾙ化
高効率反射鏡の開発
蛍光体セラミック化の開発
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２－２．研究開発内容
（１）開発要素
②高効率蛍光体
①高効率/高出力半導体レーザ
白色光
③高効率反射鏡
レンズ
ヒートシンク
レーザ、蛍光体、反射鏡を高効率化
10
２－２．研究開発内容
（２）要素技術①：高効率/高出力半導体レーザ （課題）
課題1. 光損失低減による効率向上
電流
光出力
理想
従来
スロープ効率
電流光出力特性
課題2. 低熱抵抗化による高出力化
光損失
光出力
電流
活性層
クラッド層
低熱抵抗
高熱抵抗
パッケージ
レーザ素子
サブマウント
1
2
11
（２）要素技術①：高効率/高出力半導体レーザ （低光損失化）
光吸収が大きいｐクラッド層を遠ざける厚膜ガイド構造で損失低減
8
6
4
2
0
10
光損失
[cm
-1]
トータル追加ガイド厚, △
d
[nm]
0
500
1000
1500
2000
Δd
1計算
Δd
2Δd＝ Δd
1＋ Δd
2実験値
p-クラッド層
n-クラッド層
活性層
追加ガイド層
ガイド層
ガイド層
２－２．研究開発内容
12
パッケージ
レーザチップ
サブマウント
上部サブマウント
下部
サブマウント
レーザチップ
85
145℃
115
100
130
パッケージ
リッジ
（２）要素技術①：高効率/高出力半導体レーザ （低熱抵抗化）
両面放熱構造により熱抵抗を2/3に低減
今回
従来
第１放熱経路
第２放熱経路
上部サブマウント
下部サブマウント
サブマウント
接合部
レーザチップ
熱抵抗 11k/W
熱抵抗 6.6k/W
２－２．研究開発内容
13
0
2
4
6
8
0
1
2
3
4
0
2
4
6
8
0
1
2
3
4
0
2
4
6
8
0
1
2
3
4
4.1W
4.9W
7.2W
CW, RT
CW, RT
CW, RT
光出力
[W]
8 6 4 2 0電流 [A]
0 1 2 3 42.0W/A
2.4W/A
Δd=500nm
2.4W/A
光出力
[W
]
8 6 4 2 0電流 [A]
0 1 2 3 4光出力
[W
]
8 6 4 2 0電流 [A]
0 1 2 3 4厚膜ガイド構造
両面放熱構造
２－２．研究開発内容
（２）要素技術①：高効率/高出力半導体レーザ （総合性能）
効率1.2倍、出力1.8倍を実現
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（２）要素技術②：高効率蛍光体 （課題）
青紫レーザ光
２－２．研究開発内容
蛍光体による色変換
非変換成分で発熱
蛍
光
体
変
換
効
率
青紫レーザ光量
発熱により
変換効率が低下
課題1. 蛍光体構造最適化による放熱向上
課題２. 高熱伝導化による放熱向上
青色用蛍光体
蛍光体層
黄色用蛍光体
（低熱伝導）
（高熱伝導）
白色を維持したまま、高放熱化
セラミックプレート
蛍光体今回：セラミック
従来：シリコーン
熱伝導率(W/mk)
～５
～０．２
課題3. レーザ照射時の劣化機構明確化
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（２）要素技術②：高効率蛍光体 （構造最適化）
２－２．研究開発内容
温度（au）
2
1.5
1
低照射時
変換効率（au）
1.1
1
0.9
青/黄体積比
10
1
0.1
熱伝導
再吸収
（青→黄）
○
△
×
×
△
○
積層型
ランダム型
チェックパターン型
青色蛍光体
黄色蛍光体
構造最適化により、高効率と温度上昇抑制が可能
青色蛍光体
黄色蛍光体
青色蛍光体
黄色蛍光体
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セラミック化で蛍光体粒子表面反射を除去
→ 吸収率および外部量子効率が向上
蛍光体温度の励起強度依存性
約20度低減
セラミック化前
＊1）セラミック化後
＊2） ＊1）ﾒｯｼｭ蛍光体 ＊2）積層蛍光体 （黄色のみセラミック化）黄色蛍光体
セラミック化
前
（粉末）後
（ﾌﾟﾚｰﾄ）内部量子効率
92%
86%
吸収率＠405nm
72%
81%
外部量子効率
66%
69%
蛍光体温度（
℃
）
光励起密度（W/mm
2）
（２）要素技術②：高効率蛍光体 （セラミック化）
セラミック化により、温度上昇を抑制
セラミック蛍光体
焼結前
焼結後
２－２．研究開発内容
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（２）要素技術②：高効率蛍光体 （劣化機構）
２－２．研究開発内容
レーザ光照射によるEu酸化が劣化要因の可能性を示唆
Eu
3＋存在を示す信号
熱処理のみ UVのみEu
2+Eu
3+発光
非発光
劣化モデル
局所的な発熱でEuが酸化（Eu
2＋→Eu
3＋）
母体結晶
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ｱﾙﾐ基材＋Ag蒸着で、高加工精度／低表面歪を実現し高反射率/高指向/均一分布を実現
楕円反射面による照度均一化
アルミ基材＋Ag蒸着
（鏡部：100mmφ）
基材
材質
蒸着材
加工精度
蒸着時
熱歪
アクリル
アルミ
○
×
ガラス
銀
×
○
ポリカ
銀
×
○
アルミ
銀
○
○
-1500-1000-500 0 500 1000 1500 X position [mm] -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 Y p o si ti o n [ mm ] -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 0 Illuminance[lux] 100 -1500-1000-500 0 500 1000 1500 Il lu mi n an ce [l u x ] 0 100 Illuminance[lux] 50 0 100 150（２）要素技術③：高効率反射鏡
■加工法の最適化
■指向性
±3°
角度（°）
■均一照射性
距離20mにおける照射分布
（実測配光データに基づく シミュレーション）２－２．研究開発内容
19
２－２．研究開発内容
（２）要素技術③：レーザスポット照明の実現 （外観）
反射鏡(10cmΦ)
蛍光体支持部
蛍光体
ヒートシンク
高出力レーザ、コリメータレンズ
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項目
値
投入電力
14 W
レーザ出力
5 W
スクリーン上の光束
826 lm
平均照度 (20m)
109 lx
エネルギー総合効率
17.1％
発光効率
59 lm/W
２－２．研究開発内容
（２）要素技術③：レーザスポット照明の実現 （性能）
■基本性能
■効率特性
照射スポット
5m
■投射像
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３－１．成果
レーザスポット照明機器
高効率（59lm/W)のレーザ照明機器を実現
要素技術
①レーザ素子
・独自の低光損失構造/高放熱構造により、5W出力でも効率37％以上
②蛍光体
・強いレーザ光でも変換効率50％以上の高耐熱蛍光体構造
・レーザ励起時の劣化主因は局所過熱によるEu酸化（Eu
2＋→Eu
3＋）
③反射鏡
・高精度光学設計による集光効率90％以上の高指向性反射鏡
特許 6件、学会発表10件
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３－１．成果
学会発表
日付
学会名
発表テーマ
2015年4月22日 The 4th Laser Display and Lighting Conference High-Luminance Phosphor-Conversion White Light Source with Blue-Violet Laser-Diodes
2015年9月28日 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials
High Power and High Temperature Operation over 3W/85℃ of an InGaN Laser using a Novel Double-heat-flow Packaging Technology 2015年11月18日 NEDO次世代レーザシンポジウム東京 GaN系半導体レーザーの技術と応用
2015年12月12日 日本学術振興会162委員会94回研究会 高出力青紫色半導体レーザと高輝度照明への応用 2016年2月12日 レーザー学会 第Ⅱ期 第３回「レーザー照明・ディス
プレイ」専門委員会
高出力青紫色半導体レーザとレーザ照明への応用 2016年2月17日 ＳＰＩＥ Photonics WEST Optical loss suppressed InGaN laser diodes using
undoped thick waveguide structure 2016年5月18日 Conference on Light-Emitting Devices and Their
Industrial Applications
A high efficiency laser spotlight illuminator 2016年5月25日 15th International Symposium on the Science
and Technology of Lighting
High-power blue-violet InGaN laser diodes for white spot lighting systems
2016年6月17日 応用物理学会 応用電子物性分科会 高出力近紫外半導体レーザと高輝度照明への応用 2016年9月12日 The 25th International Semiconductor Laser
Conference
High Power Laser Technical Workshop
Record-Breaking
High-Power InGaN Laser-Diodes by Optical-Loss Suppressed
