同時発表： 筑波研究学園都市記者会（レク） 文部科学記者会（資料配付） 科学記者会（資料配付） 白色ＬＥＤ用緑色蛍光体の開発に成功 −全ての色をＬＥＤで発光することが可能に− 平成１７年３月２３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）物質研究所（所長：室町 英治） 非酸化物焼結体グループの広崎 尚登主席研究員は、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）１）向け の新たな緑色蛍光体の合成に成功した。すでに開発した赤色、黄色の蛍光体と合わせて、白 色ＬＥＤに必要な基色となる３種類の蛍光体がそろったことにより様々な発色のＬＥＤを 提供することが可能となり、これらの蛍光体を用いて自然な発色（演色性）２）の白色ＬＥＤ の試作に成功した。 ２．現在の照明は蛍光灯が主流であるが、蛍光灯に比べてＬＥＤは「消費電力３割減」 「水銀 を使用しない」といった環境面からも、将来は全て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、自然な発色が求められる商店の商品照明や食卓など の屋内照明には不適当であり、自然な光を放つ照明用ＬＥＤが必要とされていた。白色ＬＥ Ｄの演色性を改善するには、不足する成分の光を放つ蛍光体を添加する方法があるが、既存 の蛍光体は可視光をあててもほとんど光らず、発光効率が悪いという問題があり、発光強度 の高い蛍光体の実現が待ち望まれていた。 ３．開発した緑色蛍光体は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ユーロピウム３）粉末を混合 させ、その後窒化ホウ素製のるつぼに入れて窒素中 10 気圧、1900℃で反応させて作製した。 合成した粉末はＥｕを含むβ−サイアロン４）結晶であり、化学的安定性や耐久性に優れてい る。 ４．機構が既に開発した赤色蛍光体、黄色蛍光体に加えて緑色蛍光体を使用したところ、青、 緑、黄、赤の４色をバランス良く含む太陽光に近い自然な白色の光を放つ事が可能になり、 色再現性の指標である演色性Ｒａ値５）が９０を越える自然な照明装置を試作することに成 功した。 ５．この成果は３月２９日からさいたま市の埼玉大学で開催される第５２回応用物理学関係連 合講演会で発表の予定である。 1 研究の背景 青色LEDチップ（化合物半導体６））と黄色蛍光体（イットリウム・アルミニウム・ガーネ ット（YAG）７））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、すでに電球並の水準に達しており、メインテナンスフリーの光源として 携帯電話バックライト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、現行品は青色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スー パーや商店の商品照明や食卓などの屋内照明には不適当であった。そこで、緑色と赤色成 分の不足を補うために、白色LEDに添加する緑色と赤色の蛍光体が望まれていた。赤色蛍光 体に関しては、２００４年８月３１日にプレス発表し、９月２日に応用物理学会で講演発 表を行った。 今回の発表は、赤色蛍光体の添加だけでは不足していた緑色成分を補うのに必要な可視 光で光る緑色蛍光体に関するものである。 これまでに、緑色蛍光体としては、ブラウン管に使われている亜鉛とケイ素の酸化物（Ｚ ｎ２ＳｉＯ４）を母体とする物質が知られているが、これは電子線や紫外線ではよく光るが、 可視光をあててもほとんど光らない。また、白色 LED に用いられる蛍光体は、高輝度の励 起光に長時間照射されるため高い耐久性が要求される。しかし、現行の蛍光体は酸化物や 硫化物のホスト結晶８）に希土類イオンを固溶させたもので、結晶の安定性がそれほど高く ないために、使用中に劣化して輝度が低下する問題があった。 成果の内容 物質・材料研究機構では、耐熱材料として実績のある窒化ケイ素関連物質をホストとし た蛍光体の開発を進めており、2002 年には、YAG 蛍光体よりも発光特性に優れるα−サイ アロン（α-sialon:Eu）９）黄色蛍光体の開発に成功した。この蛍光体は、青色光を吸収し て黄色光を発光する蛍光体であり、発光効率が高くしかも安定性に優れた特徴を有するた め、YAG に替わる白色 LED 用の黄色蛍光体として注目されている。さらに、2004 年 8 月に は、純窒化物であるカズン（CaAlSiN3:Eu）１０）赤色蛍光体の開発に成功した。 今回発表する蛍光体は、窒化物をホストとする蛍光体に関する一連の研究の中で発見し たものであり、５４０ｎｍの緑色光を発する。 図１に物質・材料研究機構で開発した蛍光体を、既に発表したサイアロン黄色蛍光体、 カズン赤色蛍光体とともに示す。図中、緑色が今回開発した蛍光体である。 合成方法としては窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒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，1900℃で反応させることにより、ユ ーロピウムが固溶したβ-サイアロン蛍光体粉末を合成して作製した。 また、図２にこの新規蛍光体の発光特性を示す。得られた粉末は波長が 300nm から 500nm の光を吸収して 540nm の緑色を発光する蛍光体である。 LED を光源として利用する場合は、 2 400nm 以下の紫外 LED、405nm の紫 LED、450nm の青色 LED の光を利用することができる。 さまざまな LED 光源との組み合わせが可能であり、広い用途に使える。特に、青色 LED と 黄色蛍光体の組み合わせで実用化されている白色 LED に本蛍光体を添加すると緑成分が改 善されて、室内照明に適した色の再現性が良い照明器具を作ることができる。さらに別の 使い方として、紫外 LED または紫 LED を光源として、既存の青および赤色蛍光体と本蛍光 体を使用することにより、赤、緑、青の３色の光を混合した白色 LED を作ることもできる。 従来から知られている、ブラウン管に使われている亜鉛とケイ素の酸化物（Ｚｎ２ＳｉＯ４） を母体とする緑色蛍光体は、電子線や紫外線ではよく光るが、可視光をあててもほとんど 光らない。一方、本蛍光体は可視光で既存の紫外用赤色蛍光体と同等の明るさに発光させ ることができる。また、白色 LED 用として実用化されている YAG 黄色蛍光体よりも発光強 度は高い。 【ＬＥＤの試作】 今回の蛍光体の開発により、すでに発表した赤色、黄色の蛍光体と合わせて、図１に示 す基本色の３種類の蛍光体（赤、黄、緑）がそろったことにより、組み合わせによって様々 な発色のＬＥＤを提供することが可能となった。これらの蛍光体を用いて、株式会社フジ クラの協力を得て、色温度１１）２５００Ｋから８０００Ｋにいたる色温度を調整した白色Ｌ ＥＤの試作に成功した。なかでも図３に示す色温度２８００Ｋの電球色１２）ＬＥＤは、発光 効率１３）２５ルーメン／Ｗ、演色性指数（Ｒａ）８８の特性であり、市販電球に近い高い演 色性で約１．5 倍のエネルギー効率を達成した。また、図４に示す色温度６５００Ｋ（太 陽光に近い色）の白色ＬＥＤは、発光効率２８ルーメン／Ｗ、演色性指数（Ｒａ）８１と 演色性と発光効率のバランスが良いため、蛍光灯に替わる屋内照明として適している。さ らに、赤・青・緑の３種類の蛍光体を用いることにより図５に示す様に白色以外の中間色 の発色が可能となるため、青色ＬＥＤチップを用いて用途にあった色を発色させることが 可能となり、今まで電球と色フィルターで実現していた中間色照明への適用が期待される。 波及効果と今後の展開 今回開発した緑色蛍光体を既に開発した赤および黄色蛍光体と組み合わせることにより、 蛍光灯と同等の演色性を有する白色 LED や電球色 LED の照明器具を作ることができる。現 在使われている蛍光灯などの照明器具は、エネルギー消費効率とライフサイクルの環境面 から、将来は全て白色 LED に置き換わると予想され、３割以上の消費電力削減や CO2 削減に も貢献できる。また、蛍光灯と違い水銀を一切使用しないため、環境保護の点でも貢献が 期待できる。 LED 市場は 2010 年で 1 兆円市場と予想され、高性能蛍光体の提供は社会への貢献が大き い。さらに、パソコン用表示素子やテレビも PDP や FED などのフラットパネルに置き換わ り、その市場規模は全世界で十兆円と推定されている。これらの用途には必ず高輝度長寿 3 命の蛍光体が使われると予想され、耐久性に優れた本蛍光体はこれらの用途にも適してい る。 励起光源として使用される青色 LED や青色レーザの開発は日本が先行している。物質・ 材料研究機構で開発した蛍光体を用いることにより発色性に優れる光源が実現できれば、 白色 LED や次世代ディスプレイでも国際的優位性が確立できる。 本材料は材料としての評価および LED と組み合わせた発光特性結果が得られているが、 信頼性の評価と量産技術の確立が今後の課題である。製造を担当する化学メーカとの緊密 な連携の下に、２年後の実用化を目指して開発を行っている。 この成果は、さいたま市の埼玉大学で開催される第５２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 物質研究所非酸化物焼結体グループ 主席研究員 広崎 尚登（ひろさき なおと） TEL：029-860-4479（ﾀﾞｲﾔﾙｲﾝ） 4 用語解説 １）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 や InGaAlP などの化合物 半導体が使われる。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。 ２）演色性 照明で照らしたときに自然な色合いの発色が得られる指数。 JIS で定義されている値で、 太陽光と電球を基準の１００の値としている。 ３）ユーロピウム（Eu） ランタノイド系の希土類に属する原子番号６３番目の金属。蛍光体の発光元素としてブ ラウン管や蛍光灯用の蛍光体に使用されている。 ４）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。 ５）Ｒａ値 平均演色評価数。演色性を評価する際には 15 種類の色について評価を実施するが、その うち一般的である１から８の評価結果の平均を求めた値。通常の蛍光灯は６０前後、高演 色性の蛍光灯は９０前後である。 ６）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。 ７）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。 ８）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。今回の成果では、ホスト結晶は CaAlSiN3 である。 5 ９）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。 １０）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。 １１）色温度 白色の色あいを表す指標であり、単位は絶対温度Ｋ（ケルビン）である。色温度が低い と赤みがかった白色に、高いと青白い白色になる。完全黒体（外部からの光を反射しない 物体）を高温にした時にその物体が放つ光の色を基準とし、その温度によって表す。昼間 の太陽光がおよそ５５００Ｋである。 １２）電球色 白熱電灯の色、蛍光灯の白色とは異なり、色温度が低い赤みがかった暖かい色。特にヨ ーロッパでは屋内照明として好まれる。 １３）発光効率 人間が感じる光源の明るさを投入電力で割った値。視感度効率とも言う。数字が大きい ほど省エネ効果がある。 6 図１ 図は NIMS で開発した蛍光体粉末に 365nm の紫外線を照射して撮影したもの． 左が今回発表のβ−サイアロン緑色蛍光体． 中央と右は既に発表したα−サイアロン黄色蛍光体とカズン赤色蛍光体である． 全て青色ＬＥＤの光で効率よく発光する． 図２ Eu を添加したβ−サイアロン蛍光体の発光特性． 7 図３ 電球色の白色ＬＥＤランプの発光スペクトル． 電球色の標準光源（Ａ光源）のスペクトルも示した． 図４ 太陽光に近い白色ＬＥＤのスペクトル． 太陽光に近い標準光源（Ｄ６５光源）のスペクトルも示した． 8 図５ 中間色のＬＥＤランプ． 9
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