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液晶バックライト用の白色ＬＥＤの試作に成功
－液晶ディスプレイの色再現性が向上－
平成２０年３月１９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 以下、「機構」）ナノセラミックス センター（センター長：目 義雄）窒化物粒子グループの広崎 尚登グループリーダーは、 液晶ディスプレイ１）のバックライト2）用途に適した白色発光ダイオード（ＬＥＤ）3）の試作 に成功した。機構が開発した緑色（平成１７年３月発表済）と赤色（平成１６年８月発表済） 蛍光体の発色を改良することにより、赤、緑、青の光の三原色から構成されるＬＥＤを提供 することが可能となった。このＬＥＤは三原色以外の色成分が少ないため、色フィルター4） と組み合わせると純度が高い三原色を取り出すことができ、液晶ディスプレイの再現色域を 拡大することに成功した。 ２．液晶ディスプレイは、バックライトが放つ白色光を液晶と色フィルターで三原色に分解し て画像を表示する装置であり、薄型テレビ、パソコン、携帯電話などで使われている。現在 のバックライトは冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）5）という小型の蛍光灯が主流であるが、Ｃ ＣＦＬには水銀が含まれるため環境面から水銀フリーの光源が求められている。ＬＥＤは 「小型軽量」「低消費電力」「水銀を使用しない」といった特徴があり、将来は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、三原色が必要なバックラ イト光源には不適当であり、色再現性がよいバックライト専用のＬＥＤの実現が待ち望まれ ていた。 ３．開発したＬＥＤ光源は、青色ＬＥＤチップと、ＣａＡｌＳｉＮ３赤色蛍光体6）と、βサイ アロン緑色蛍光体7）とから構成される。三原色の構成としたことにより、液晶および色フィ ルターと組み合わせると、色純度が良い赤、緑、青を取り出すことができる。シミュレーシ ョンによれば、ディスプレイの色再現性の指標であるＮＴＳＣ比8）が９１％となり色再現の 色域が広い光源を試作することに成功した。 ４．本研究成果は３月２７日から千葉県船橋市の日本大学理工学部・船橋キャンパスで開催さ れる第５５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９））と黄色蛍光体（イットリウム・アルミニウム・ガーネ ット（YAG）１０））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、すでに蛍光灯に近い水準に達しており、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LED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液晶ディスプレイ用のバックライト光源には不適当で あった。 発色性に優れるLED光源として、光の三原色を独立した赤、緑、青の単色LEDで発光させ る方式が提案されている（トリルミナス（ソニー商標）など）。この方式は、有効な光の成 分を全てLEDからの光で賄うため、広い色域を再現できる特徴がある。しかし、3種類のLED の駆動回路が複雑となる問題があり、十分には普及していない。 機構では、耐熱材料として実績のある窒化ケイ素関連セラミックスをホスト結晶１１）とし た蛍光体の研究を進めてきた。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）１２）黄色蛍光体を開発した。2004 年 8 月には、純窒化物であ るカズン（CaAlSiN3:Eu）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）緑色蛍光体を開発した。これらの蛍光体は、一般照明用を狙って開発したが、 青色LEDチップとの組み合わせると色純度が良い発色をする。さらに、これらの蛍光体は耐 久性に優れ温度変化が小さい特長があり、LED光源の長寿命化と信頼性の向上に貢献できる。 そこで、色再現性に優れたバックライト用途のLEDを検討した。 成果の内容 今回使用する蛍光体は、CaAlSiN３赤色蛍光体とβサイアロン緑色蛍光体（図 1）である。 CaAlSiN３赤色蛍光体は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化カルシウム、酸化ユーロピ 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，1800℃で反 応させることにより合成して作製した。βサイアロン緑色蛍光体は、窒化ケイ素、窒化ア ルミニウム、酸化ユーロピウム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合成して作製した。 図 2 に LED チップとこれらの蛍光体の発光特性を示す。青色 LED が放つ光を赤色蛍光体 は 650nm の赤色に、緑色蛍光体は 540nm の緑色に変換する。これにより、青色 LED と合わ せて、赤、緑、青の三原色成分を発生させることができる。
ックライト用途に適したスペクトルを持つ。 図 3 および図 4 のスペクトルに対して、液晶用の色フィルター通過後の赤緑青の色成分 のスペクトルを計算して、色の再現範囲をシミュレーションした。図 5 に示す様に、開発 品はCIE1976１３）座標上でNTSC比の 91％を達成した。従来のLEDでは 72％である。これによ り、白色LEDバックライトが一気に実用化へと近づいた。 また、本方式は、赤、緑、青の光の成分の比を自由に変えられることから、色フィルタ ーの特性にチューンニングした光源を設計できる利点もある。 波及効果と今後の展開 機構が開発した赤および緑色蛍光体を青色 LED と組み合わせることにより、光の三原色 から構成される白色 LED 光源を作ることができる。さらに、用いた蛍光体は耐久性に富み、 温度変化が小さい材料であり、バックライトの耐久性と信頼性の向上に寄与できる。 現在バックライト光源として使われているCCFLは、ライフサイクルの環境面から将来は 全てLEDバックライトに置き換わると予想される。また、LEDはエネルギー効率に優れるた め 3 割以上の消費電力削減やCO2削減にも貢献できる。 今回の検討では計算によりその効果を確認したが、実機での評価と色フィルターとのマ ッチングが今後の課題である。さらに、いっそうの発光効率の向上が求められている。 この成果は、3 月 27 日から千葉県船橋市の日本大学理工学部・船橋キャンパスで開催さ れる第 55 回応用物理学関係連合講演会で発表の予定である。 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 ナノセラミックスセンター 窒化物粒子グループ グループリーダー 広崎 尚登（ひろさき なおと） TEL：029-860-4479（ﾀﾞｲﾔﾙｲﾝ） E-mail：HIROSAKI.Naoto＠nims.go.jp
用語解説 １）液晶ディスプレイ 液晶の電圧変化により透明度が変わる性質を用いて、バックライトの透過量を変 化させて映像を表示する方式のディスプレイ。 ２）バックライト 液晶テレビの光源。赤緑青の光の三原色の成分を含み、色フィルターとの組み合 わせで三原色を作り出す。 ３）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、InGaAlP、InGaN 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。 ４）色フィルター 特定の波長の光だけを透過する材料。赤、緑、青の３種類のフィルターがあり、 バックライトの光を三原色に分解する働きをする。 ５）冷陰極蛍光ランプ（CCFL） 現在液晶バックライトとして使われている光源。蛍光灯に似た構造であり、水銀 を含むことが特徴。 ６）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。 ７）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。 ８）NTSC
９）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。 10）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。 11）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。 12）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。 13）CIE1931 および CIE1976 CIE（国際照明委員会）が 1931 年および 1976 年に決めた色空間。自然界の色は赤 色成分に関係するｘ値、緑色成分に関係するｙ値を用いて、ｘｙ座標上の点とし て表すことができる。なお、青色成分に関係するｚ値は、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１となる 値であり、座標から決まる。
図１ βサイアロン緑色蛍光体とCaAlSiN3赤色蛍光体 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 400 500 600 700 800 Wavelength [nm] Nor m alized In ten sity [a.u .]
青色
LED
β-SiAlON:Eu
CaAlSiN
3:Eu
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 400 450 500 550 600 650 700 波長（ｎｍ） 発光 強度 図３ 開発ＬＥＤ（赤と緑色蛍光体使用）のスペクトル 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 400 450 500 550 600 650 700 波長（ｎｍ） 発光強 度 図４ 従来品（ＹＡＧ蛍光体使用）のスペクトル
