> > 京大、ナノサイズの金属粒子構造を使い白色LEDの発光強度を増強

京大、ナノサイズの金属粒子構造を使い白色LEDの発光強度を増強

記事を保存
典型的な白色LEDの構造の模式図

典型的な白色LEDの構造の模式図。青色LEDと、青色の光を吸収して黄色の光を放出する蛍光体(主にセリウムを添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶が使われる)から構成されている。吸収されなかった青色光と、蛍光体からの黄色光が混ざって白色光となる。

京都大学の研究グループは共同で、ナノ(10億分の1)メートルサイズの金属粒子を周期的に並べた構造「ナノアンテナ」を用いると、発光材料の発光強度を増強したり、発光の方向を制御できることを実験的に明らかにした。

ナノアンテナを次世代の照明として普及しつつある白色LEDに組み入れることで、従来に比べ高性能で省エネルギーな照明「スマート照明」の開発につながることが期待される。

白色LEDは、青色LEDと青色光の照射で黄色に光る蛍光体の組み合わせからなり、蛍光体に吸収されなかった青色と蛍光体からの黄色が混ざることで白色光が得られる。現在、白色LEDのさらなる高性能化に向けて、青色LEDの高性能化、新規蛍光体の開発、青色LEDと蛍光体の空間的配置の最適化など多方面からの研究が進んでいる。

一方、発光を増強する新たな方法として、金属特有の光学現象である「表面プラズモン共鳴」を用いることが近年提案され、研究が行われている。ナノメートルサイズの金属粒子に光を照射すると、粒子表面に「表面プラズモン共鳴」が励起され、光のエネルギーが粒子表面に集中する効果が得られる。このように光を制御する効果を持つ金属のナノ構造を「ナノアンテナ」と呼ぶ。

ナノアンテナを使うと、従来は検知できなかった微弱な信号を検出できる高性能なセンサーや従来よりも高効率な太陽電池の作製が期待される。また、蛍光体をナノアンテナと組み合わせることで、その発光強度を増強する試みも盛んになされており、特に量子収率の低い発光材料には有効であると報告されている。

しかし、実用に近い量子収率の高い材料は発光強度の増強の余地が小さく、また、金属による発光材料の失活の影響があり、増強効果は限定的だった。さらに、ナノアンテナが作製できる面積が小さいことや材料として金や銀などの貴金属を使っていることなど、照明に応用するには問題点があった。

今回、研究グループは、このようなナノアンテナの問題点を克服し、量子収率の高い発光材料の発光強度を60倍程度まで増強することに成功。また、安価な金属アルミニウム粒子の周期構造を採用し、ナノインプリントリソグラフィーによって大面積(10センチメートル四方)で精度の高い加工に成功した。

今回は高い量子収率を持ち、実用化に向けて研究が進められている色素を発光材料として実験を行ったが、同手法は他の蛍光体にも応用可能。商業的に最も使われている黄色蛍光体であるセリウムを添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネットからの発光もナノアンテナにより制御可能であることが確認されている。

また、今回使用されたナノアンテナと発光層の厚さは650ナノメートル程度で、増強後の発光強度は現状の照明の発光強度には及んでいない。今後は、このナノアンテナと発光層を3~5枚程度積層することにより厚みを増やし、十分に輝度をもった構造の実現を目指す。

発光強度の方向依存性

発光強度の方向依存性

【参考】
京都大学 - ナノアンテナでもっと明るく-LEDの高性能化に期待-

関連セミナー・イベント情報

関連カテゴリ

プレスリリースを受け付けております

環境ビジネスオンラインでは、皆様からの環境に関する情報をお待ちしています。

新製品・新サービス、研究内容、法令情報、イベント・セミナー、海外の環境ビジネス情報など、お気軽にお寄せ下さい。お送り頂いた内容を、編集部にて拝見いたします。

こちらから、必要事項をご記入ください

Copyright © 2012 日本ビジネス出版. All rights reserved.