水を短時間で殺菌する
「深紫外線LED」

2014年に名城大学の赤﨑勇教授、名古屋大学の天野浩教授たちは青色LEDでノーベル物理学賞を受賞しましたが、教授らは既に“青色の次のLED”の研究を開始していました。それが「深紫外線LED」です。深紫外線LEDは、従来のLED光源では得られない波長の短い光を作り出すことで、殺菌や空気浄化などの効果が得られます。従来、そうした用途には水銀ランプが用いられてきましたが、水銀ランプは消費電力も大きく、人体や環境にも有害なことが問題となっています。それに対し、深紫外線LEDは、消費電力が少なく、長寿命、人体への影響もないといった特長があります。日機装の開発スタッフは、この技術の製品化に挑戦しました。

KEY PERSON

UV-LED事業
開発部
エピ開発グループ

松倉 勇介

製造・製造技術部
パッケージ製造
グループ
チームリーダー

一ノ倉 啓慈

UV-LED事業 開発部
モジュール開発チーム

木内 裕紀

PHASE 1高出力の深紫外線LEDを
生み出すために

深紫外線LEDの量産に向けた最大の課題は、いかに“高出力な光”を実現するかでした。UV-LED事業でチップの開発をしている松倉勇介が「深紫外線LEDは通常のLEDとは違うので、深紫外線に合ったチップの構造を作ることが必要でした」と言うように、通常LEDはN型層とp型層を突き合わせたPN接合を作り、そこに電流を流して発光させますが、深紫外線LEDは主にAlGaNという材料を使用して結晶成長させ、チップを作製しています。

「AlGaNはp型化※が非常に困難なため、p型層には青色LEDでも使用されているGaNを使用しました。青色LEDの場合はP型層にGaNを使用しても発光した光が吸収されないので、効率よく光を取り出すことができます。しかし、深紫外線LEDの場合はp型層にGaNを使用すると発生した光がGaN層に吸収されてしまうので、高出力なLEDを作製するためにはチップ構造とウエハ構造の両方を変える必要がありました」(松倉)

実験のなかでは「ものすごく、よく光るウエハ」(松倉)ができたこともあったものの、その後、同じようなレシピで作成してもウエハは光らず、約半年間、試作と分析を繰り返しました。「原因が特定できないまま数カ月が経ちましたが、ふと当社が新たに導入したある材料の影響じゃないかと気づいて、いろいろ条件を変えてウエハを作ってみました」(松倉)結果、“ものすごく、よく光るウエハ”が再現できました。こうして“高出力の深紫外線LED”の開発が一歩進みました。

※AlGaNのp型化とは、AlGaN中にp型の働きをする不純物を添加してp型半導体を作製すること

PHASE 2高出力で、長寿命な
パッケージを実現

深紫外線LEDを安定的に光らせる方法はわかりましたが、次の開発テーマは「その光をどうやって外に取り出せばいいのか」でした。それに取り組んだのが、パッケージ製造グループのチームリーダー、一ノ倉啓慈です。通常のLEDは光を向上させるために樹脂封止パッケージが使われます。しかし、深紫外線の場合、樹脂材料自体が深紫外線の光の影響を受けて劣化してしまうため、従来同様の材料は使えません。そこで一ノ倉たちが選んだのは「樹脂を使わないパッケージ」でした。

同時に、8mm角からさらに小さいサイズをめざし、結果的に3.5mm角まで小さくすることができました。この時に課題になったのが、LEDの寿命です。8mmのパッケージでは100mAの電流で駆動させていましたが、3.5mmの場合は350mAで駆動させる必要があります。「電流を高めるとLEDの製品寿命は縮みますが、お客様に安心してお使いいただくためにも製品寿命(耐久性)は、少なくとも1万時間は欲しいと思いました。そこで、さまざまな試作や開発メンバーとの議論を通じて深紫外線LEDの劣化の進行のメカニズムを調べていきました」(一ノ倉)

その結果、製品寿命は目標通りの1万時間を達成し、高出力でコンパクト、かつ長寿命なパッケージが完成しました。「ようやくお客様が望んでいる、本格的なパッケージができたかなと思います」(一ノ倉)

PHASE 3長期的に役立つ
ソリューションをめざして

3.5mmの深紫外線LEDのパッケージは多くのお客様から非常に高い評価をいただきました。そんな時に、あるお客様から「水銀ランプの代替として、浄水場に深紫外線LEDを応用できないか」という相談が寄せられました。これに対応したのが、モジュール開発チームの木内裕紀たちでした。水銀ランプは人体などに悪影響を及ぼすおそれがあると言われ、2013年には「水銀に関する水俣条約」という国際条約が結ばれています。「『水銀レス』が求められる分野をターゲットにしていましたから、当然、水の殺菌に応用するというのは計画に入っていました。ただ、浄水場のように大量の水の場合は、確実に効率良く水を殺菌できる方法を考えなくてはなりませんでした」(木内)

すでに家庭の飲料水などに応用できる「毎分2リットル/分」の水殺菌モジュールは開発の最終段階を迎えていましたが、浄水場となるとさらにたくさんの水を処理する50〜100リットル/分の実力が必要です。そのため、木内らは複数の深紫外線LEDをアレイ化して殺菌能力を高めるとともに、パッケージの構造によって光の利用効率を向上させていきました。その結果、毎分120リットル以上の殺菌能力を確認することができました。

「壊れた時にどうするのか、修理している間はどうすればいいのか…など、まだまだ対策を考えなくてはいけないことが山ほどあります。もっと安心して長く使っていただけるソリューションをめざしていきます」(木内)

PHASE 4今後の目標と展望

現在、世界中で“安全で、きれいな水”の需要が増加しており、とくに欧州や欧米、アジアでは水銀ランプの代替として深紫外線LEDへの興味・関心が高まっています。加えて、工業や医療、環境などさまざまな分野での応用が期待されている“日機装の深紫外線LED”ですが、今後の目標について3人に聞いてみました。

「水銀ランプは本来必要のない波長の光も発してしまうのですが、LEDは任意の波長、例えば270ナノの光だけが必要となれば、その270ナノの光しか出ないように設計をすることもできます。そうした特長を活かして、もっと用途に応じた製品を作っていきたいと思います」(松倉)

「現在のパッケージは、チップから出た光の6割くらいしか外に出せていません。それを改良して“そのパッケージに入れれば、チップから出た光が100%外に出る”ような魔法のパッケージを作れないかなと思っています。それができれば、また次のステップに進めるような気がします」(一ノ倉)

「日本の山奥の集落では、浄水場が近くにないという話も聞きます。そういうところでも使えるモジュールを開発したいですね。それができれば、アジアなどにも受け入れてもらえると思っています」(木内)