2013 Fiscal Year Research-status Report
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25420308
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
島村 清史 独立行政法人物質・材料研究機構, 光・電子材料ユニット, グループリーダー (90271965)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ビジョラ ガルシア 独立行政法人物質・材料研究機構, 光・電子材料ユニット, 主任研究員 (90421411)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 高輝度白色LED / 蛍光体 / 単結晶 / 量子効率 |
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| Research Abstract |
本研究では高輝度化に適した樹脂フリーの白色LEDを実現するため、YAG（Y3Al5O12）系単結晶を黄色蛍光体として使用する蛍光体単結晶を提案し、それを実証することを目的としている。初年度である本年はCe:YAG単結晶に着目し、当該目的に関する検証を行った。
（１）Ce:YAG単結晶の育成：Czochralski法を用い、直径約2cm、長さ約16cmの単結晶を育成した。成長軸に沿ってCe濃度を測定したところ、結晶成長に伴いCe濃度が増加することがわかり、偏析係数を決定した。Ce濃度が変化することを利用し、Ce濃度の異なるウエハーを製作し、以降の試験に用いた。
（２）優れた温度特性の実証：蛍光体として最も重要な特性の1つが量子効率、並びにその温度依存性であるため、これらを測定した。比較用蛍光体として、現在最も優れるとされるセラミックス粉末黄色蛍光体を用いた。粉末蛍光体の場合、150℃程度までは温度依存性を示さなかったが、それを超える温度では量子効率が著しく低下し、300℃においては15％超の低下を示した。それに対し我々が育成したCe:YAG単結晶蛍光体は、室温から300℃まで、粉末蛍光体を超える量子効率を示したのみでなく、全く温度依存性を示さず、温度に依らず全く量子効率が低下しなかった。
（３）詳細な光物性の測定とシミュレーション：Ce濃度の異なるウエハーを用い各種光物性を測定した。青色を吸収する460nm近辺の吸収スペクトルは、僅かながらCe濃度上昇に伴い幅広くなる傾向を示したが、黄色の発光スペクトルは濃度に依存しないことが分かった。青色の発光ピークと黄色の発光ピークを用いた白色化のシミュレーションを行ったところ、パラメーターの選択により色温度や色度を調整可能であることもわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
最も大きな理由は、製作した蛍光体単結晶が、現在最も優れるとされるセラミックス粉末蛍光体よりも高い量子効率を示したのみでなく、室温から300℃までの測定範囲内において、量子効率が全く低下せず、温度依存性を示さなかったことである。粉末蛍光体の分野においては、この量子効率の温度依存性、温度上昇による著しい量子効率の低下が大問題となってきていた。特に高輝度化が本格的に要求される昨今の白色LEDにおいては高輝度化によるデバイスの温度上昇は避けられず、この問題が更に大きくなってきていた。ところがこの問題の解決の糸口が見つからず、ほぼ解決不可能な問題との認識がされつつあった。そのため本研究で開発した材料、示された特性は、文字通り蛍光体分野におけるブレークスルーの達成といえるであろう。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでは基本物質となるCe:YAG単結晶のみに関する検討を行ったが、今後は元素置換による発光波長制御を行っていく。これにより色温度や色度に更なる自由度をもたらすことができるであろう。元素置換により得られた材料の光物性を測定すると同時に、バルク単結晶化、量子効率の測定とその温度依存性も明らかにしていく必要がある。同時に、量産化、低コスト化を見据えた単結晶の大型化も必要であり、パッケージングに適した材料製作のための加工技術開発も必要であろう。今後はこれらに関する検討も進めていく。
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