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» 2015年04月14日 14時00分 UPDATE

LED/発光デバイス:車のヘッドライトやプロジェクタのレーザー光源を小型化、低価格化する単結晶蛍光体 (1/2)

物質・材料研究機構(NIMS)とタムラ製作所、光波は2015年4月13日、超高輝度、高出力白色光源に適したYAG単結晶蛍光体を開発したと発表した。温度特性に優れた蛍光体で、ヘッドライトやプロジェクタなどのレーザー光源を小型化、低価格化することが期待される。

[竹本達哉,EE Times Japan]

「世界初の優れた温度特性」

 物質・材料研究機構(NIMS)とタムラ製作所、光波は2015年4月13日、超高輝度、高出力白色光源に適したYAG*1)単結晶蛍光体を開発したと発表した。温度特性に優れた蛍光体で、高輝度が求められるヘッドライトやプロジェクタなどで用いられつつあるレーザーダイオード(LD)を励起光源に用いたレーザー光源を小型化、低価格化することが期待される。

tt20150414NIMS001.jpg 開発したYAG単結晶蛍光体のインゴット (クリックで拡大) 出典:NIMS

*1)イットリウム(Y)とアルミニウム(Al)を含む酸化物。化学式でY3Al5O12と表記される物質であり、ガーネット型構造を持つため、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Yttrium Aluminum Garnet)の頭文字を取り、通称YAGと呼ばれる。Ceを添加したYAGは青色を吸収し、黄色を発光する優れた蛍光体として知られる。

高温に弱かった従来のレーザー光源

 青色LEDを使用した白色照明が普及しているが、自動車のヘッドライトやプロジェクタの一部などでは、LEDでは輝度が不足するため、青色LDを励起光源に用いた製品が登場している。青色LEDは、レンズやミラーでの集光が容易で直径数mmの面積に100Wクラスの集光も行え、高い輝度を確保しやすい。

 しかし、励起光のパワー密度を上げるに従い放熱が困難になり、蛍光体などにも高い熱が加わる。これまで、LD光源に用いられてきたYAG蛍光体は、主に酸化物原料を焼結合成して作られているため、蛍光体の温度が100〜150℃以上になると急激に発光強度が弱まる(=内部量子効率*2)が小さくなる)という課題を抱えた。

*2)発光材料における発光特性の効率を示す指標として用いられる。YAG蛍光体の場合、蛍光体内に吸収された青色の強度と蛍光体から発する黄色の発光強度の比を表す。内部量子効率が1ということは、吸収された青色が全て黄色に変換されることを意味する。

 また、従来の蛍光体は粉末であり、使用する際は、蛍光体よりも2桁程度熱伝導率の低い樹脂などの結合剤(バインダー)を使って塊状に焼結されるため、熱伝導率が悪くなる。そのため、蛍光体として温度上昇しやすく、場合によっては不要なガスが発生する恐れもあった。

単結晶により課題解決へ

 そうした中で、NIMSの島村清史氏、ガルシア・ビジョラ氏ら光学単結晶グループは、YAGを樹脂などの結合剤が不要な単結晶として作成し、そのままレーザー光源の蛍光体として使用することを検討。タムラ製作所、光波と共同で、YAG単結晶蛍光体を開発した。

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