青色発光ダイオードの進歩とLED照明

asahi.com（9/21）の記事。青色ダイオード、消費電力９割減　中村教授ら成功

　青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の消費電力を１０分の１にできる材料の開発に、中村修二・米カリフォルニア大サンタバーバラ校教授らが成功した。同大のほか、筑波大などが参加する科学技術振興機構（ＪＳＴ）の「ＥＲＡＴＯ中村不均一結晶プロジェクト」の成果として、２１日、東京都内で発表した。

　中村教授が９０年代に開発した青色ＬＥＤは、明るく消費電力が少ないため携帯電話のバックライト用などに普及した。しかし、現在の製造法では、理論的にエネルギー効率に限界があることがわかっていた。

　プロジェクトでは、従来使っている窒化ガリウム半導体を、工夫した基板の上で結晶成長させ、新しい半導体膜を開発。この膜なら発光の効率が１０倍にできるとわかった。

　窒化ガリウムに別の物質を混ぜることで青より波長の長い黄色などを出すようにできるが、従来の半導体膜では暗くなるため実用化に至らなかった。新しい半導体膜は発光効率が落ちず、黄色や赤色ＬＥＤやレーザーダイオードの開発も可能という。ほかの化合物の赤色ＬＥＤより高い発光効率が期待できる。

　グループは、この技術を使い、信頼性の高い長寿命の青色レーザーダイオードも開発中だ。次世代ＤＶＤの読み取り装置への応用が期待される。また、信号に使われているＬＥＤをこれに置き換えることができれば、消費電力が少なくてすむ。自動車のヘッドライトなど、とくに明るい光が必要な分野にも応用の可能性が開けるという。

　「１、２年で実用につながるだろう」と中村教授は話す。

ということで、日亜化学との職務発明に関する訴訟で一躍有名人になった中村修二さんだが、アメリカの大学教授になってからも着実に成果を出しているようだ。このニュース、具体的にどんな技術なのかよくわからないのだが、NIKKEI NETの中村修二氏ら、次世代ＤＶＤ光源向け半導体の新結晶開発という記事では、

米カリフォルニア大学サンタバーバラ校の中村修二教授らの研究グループは21日、次世代ＤＶＤの光源として実用化が進む窒化ガリウム半導体の新型結晶を開発したと発表した。発光効率が高く、液晶ディスプレーのバックライトに使用すれば消費電力が10分の1以下になるとみている。共同研究を希望する企業を募り、1年以内にも実用化を目指す。

とあり、朝日の記事には出てこない「新型結晶」という言葉が載っている。このＥＲＡＴＯ中村不均一結晶プロジェクトについては、JSTのプロジェクトの紹介や中間評価が読める。結晶欠陥を減らすことが課題となっているのだが、単に純粋な結晶を作るというよりも、結晶転位や不純物などの欠陥をコントロールしつつ意図的に導入するという考え方のようだ。また、プロジェクトメンバーの筑波大学秩父研究室にも専門的情報が載っているようだが、中に立方晶窒化ガリウムの話も出ている。

さて、朝日の記事には発光効率が10倍になると書かれている。しかし、LEDは既に発光効率は十分に高いんじゃなかったの？　と思って調べてみた。省エネルギーセンターのLEDの特徴には、「電気を光に変換する効率が極めて高く、白熱灯約15%、蛍光灯約60%に比し、LEDは90%以上です。」と書いてある。うーむ、90%の効率がさらに10倍になるとどうなるんだろう？？　環境省の環のくらしの説明だと、LEDの消費電力は「同じ明るさの電球の約1/10、蛍光灯の約1/2」とあり、EICネットのQ&Aの書込みには、同じ数字だけどより詳しく

810ルーメンの光束（光源が全ての方向に放射する光の量）を発する機能を有する白熱電球、蛍光ランプ、照明用白色LED（光量を揃えるためにLED素子を30～100個程度集積したもの）を比較すると、白熱電球の消費電力が57W、蛍光ランプは14W、LEDランプは約6Wですので消費電力は白熱電球の約1/10、蛍光灯の1/2と言えます。

と書かれている。一方、国連大学の安井先生のエコプレミアム研究所では、

ＬＥＤの効率は改善されつつあるものの、まだ、蛍光灯の８５ｌｍ／Ｗというレベルにはなっていない。ただし、将来は、この値を超す可能性がある。

Ｂ君：しかし、一般用照明の場合、光の量が問題。蛍光灯だと１本で３４００ｌｍといった光を出すことができるが、ＬＥＤだとまだ１００ｌｍといったところで桁が違う。まだ将来の課題。ここ５年ぐらいは、白熱電球を蛍光灯に変えるのが妥当なところ。

とあるし、日経エレクトロニクスには、

照明機器メーカーは，白色LEDを使った照明機器の開発に本腰を入れ始めた。2005年～2006年にかけて，発光効率が60lm/Wを超え1個当たりの光束が60lmを大きく上回る。この結果，蛍光灯の置き換えが，いよいよ始まると読むからだ。

とあるのだが、どうなっているんだろう？　ちなみに、LED照明推進協議会のサイトでみつけた、世界最高発光効率の白色LEDは、発光効率が 70 lm/W、全光束が 245 lmとあるから、やっぱり蛍光灯には追いついていないように見える。どうも、「明るさ」の定義が、このような混乱状態の原因となっているような気がするのだが、ルクスとルーメンを読んでもやっぱりわからん。。

なお、現在のLED照明の開発状況についてはITmedia ライフスタイルが参考になる。Fuji Sankei Business iによると、新幹線の照明にも採用されるようだが。

いずれにしても、冒頭の記事にあるように発光効率が10倍になるとすれば、蛍光灯を大幅に上回るのは間違いなさそうだし、これは相当に画期的なのかもしれない。もっとも、このあたりは多くの企業が激しい開発競争を行っている分野だから、どんな技術が最終的に生き残るのかわからないと思うけど。。