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波長228nmのfar-UVC LEDで高効率動作を実現―人体に無害安全な波長でウイルス不活化光源の実用化に前進―(大学院理工学研究科 矢口裕之教授)

2024/5/23

概要

理化学研究所(理研)開拓研究本部平山量子光素子研究室の平山秀樹主任研究員、ムハマッド?アジマル?カーン研究員、藤本康平研修生(埼玉大学大学院理工学研究科博士前期課程)、鹿嶋行雄テクニカルスタッフⅡ(研究当時)、日本タングステン株式会社開発技術センターの祝迫恭センター長、牟田実広研究員、埼玉大学大学院理工学研究科の矢口裕之教授の共同研究グループは、人への安全性とウイルス不活化の効果がいずれも高い波長228ナノメートル(nm、1nmは10億分の1メートル)のfar-UVC(遠紫外)LED[1]の高効率動作に成功しました。
本研究成果は、人の往来する環境でも利用できるウイルス感染症予防対策用の光源としての活用が期待できます。
共同研究グループは、人の皮膚や目に対する安全性が高く、また、コロナウイルスなどのウイルス不活化効果が極めて高い、far-UVC LEDの高効率動作をサファイア基板[2]上で作製することに成功しました。また、サファイア基板上としては世界最高効率となる外部量子効率[3]0.32％を実現しました。さらにLEDを多数集積したLEDモジュール[4]において、放熱による動作温度の低減を行い、パルス動作における概算値約70mWの出力を可能とする230nm far-UVC LEDモジュールを実現しました。
本研究は、科学雑誌『Physica Status Solidi A』オンライン版(5月23日付：日本時間5月23日)に掲載されました。

人に無害なウイルス不活化光源：228nm far-UVC LEDおよび高出力パネルの構造と動作

論文情報

タイトル Estimation of Junction Temperature in 228 nm AlGaN Far-UVC LEDs on c-Sapphire having 1.8 mW power and 0.32% EQE
著者名 Muhammad Ajmal Khan, Mitsuhiro Muta, Kouhei Fujimoto, Yukio Kashima, Javier Gonzalez Rojas, Pablo Fredes, Ernesto Gramsch, Yasushi Iwaisako, Hiroyuki Yaguchi, and Hideki Hirayama
雑誌 Physica Status Solidi A
DOI 10.1002/pssa.202400064

補足説明

[1] far-UVC(遠紫外)LED
遠紫外波長で発光する発光ダイオード(LED)。紫外光(UV、波長200～400nm)は、UVA(320～400nm)、UVB(280～320nm)、UVC(200～280nm)に分類され、UVAは樹脂硬化?接着や速乾印刷?塗装、コーティング、3Dプリンターなどに、UVBは、アトピー治療などの皮膚治療、農作物の病害防止、UVCは殺菌?浄水などに用いられる。far-UVC(遠紫外)はUVCのうち波長の短い200～240nm付近の紫外線を指す。波長が230nmよりも短波長のfar-UVC LEDは、人体に無害でウイルス不活化作用が高いため、実用化を目指して本研究で開発している。LEDはlight emitting diodeの略。

[2] サファイア基板
サファイアは優れた機械的?熱的特性?化学的安定性、光透過性などの特性を有することから、人工的に作製された不純物の少ない高純度サファイアが多くの工業分野で使われており、中でも青色?白色LEDを製造するためのGaNを成長させる基板として使われている。現在のUVC LEDはサファイア基板上、もしくは、AlN(窒化アルミニウム)単結晶基板上に作製されているが、サファイア基板はAlN単結晶基板よりも安価である。

[3] 外部量子効率
LEDなどの発光素子の発光層に注入する電子数に対して、発光素子外部に放射される光子数を割合で示したもの。LEDの場合、発光層への電子の注入効率、内部量子効率(接合部発光層に注入されたキャリア数に対する発光する光子数の比)、光取り出し効率の積で表される。紫外LEDの外部量子効率は、電子がリークして発光層に電子が十分入らなかったり、発光層での発光効率が低かったり、発生した光の大半がLEDチップ内で吸収されたりすることによって低下し、230nm帯のfar-UVC LEDでは1％に満たない。外部量子効率に電圧効率(電極やp型、n型伝導層での電圧ロスを考慮した効率)を掛けた値が、電力-光変換効率となる。

[4] LEDモジュール
モジュールとは用途に合わせて必要な部品を搭載させた部品群のこと。統一規格によって設計?製造されており、他のメーカーの製品との互換性を持ち交換可能。LEDモジュールとは、複数の照明用LEDパッケージを平面または立体的に配置するとともに、制御回路を搭載して一つのユニットとして取り扱えるようにした部品、または部品の集合体のこと。

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