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2023年11月1日 国立研究开发法人信息通信研究机构 世界首创，成功开发出了可控制光配光角的深紫外LED〜采用纳米光结构技术，不使用光学透镜，实现了“高指向性”深紫外LED 重点 利用纳米光结构技术，开发出世界上首次可控制光配光角的深紫外LED 无光“高指向性”深紫外LED的实证同时，也成功提高了光提取效率 在杀菌通信等应用中，作为飞跃性地提高深紫外LED的安全性、效率、生产率的技术备受期待 国立研究开发法人信息通信研究机构( nict nai city，理事长:德田英幸)未来ICT研究所的井上振一郎室长等人的研究小组，利用纳米光结构技术控制了光的配光角，在世界上首次成功开发了具有极高指向性的无光学深紫外LED。 实验证明，此次开发的深紫外LED无需光学透镜，通过纳米光结构技术与微LED结构的结合，可以致密控制辐射的深紫外光的配光角，并将其准直为光束形状。 另外，本结构对深紫外LED的光取出效率的提高也有效，不仅具有配光角的控制功能，还具有大幅提高(约1.5倍)其光输出的效果。 深紫外LED有望成为漂浮在空气中的气溶胶传播状病毒的失活，以及不受太阳光产生的背景噪声干扰的光无线通信用光源等。 本成果作为不使用高成本的透镜和光学部件，就可以只在需要的地方有效地照射高强度的深紫外光，抑制深紫外光的无用扩散，降低照射人体等的风险，飞跃性地提高深紫外LED的安全性、效率、生产率的技术备受期待。 此外，本成果刊登在IOP Publishing (英国物理学会出版局)发行的学术论文杂志《journal of physics d:applied physics》(电子版:英国时间2023年10月31日(星期二) )上。 背景  图1此次开发的“高指向性”深紫外LED示意图 NICT的本研究小组迄今为止，积极推进了深紫外LED的研究开发及其应用实现的努力。 深紫外LED对病毒细菌具有高失活作用，因此作为抑制接触感染和气溶胶传播感染引起的感染扩散的划时代工具备受期待(参照2022年3月18日及2022年10月27日的报道发表)。 另外，利用波长280 nm以下的深紫外LED的光无线通信，由于能够避免太阳光背景噪声的影响，所以作为飞跃性地扩大高速光无线通信在室外环境利用中的应用可能性的技术备受期待(参照2023年6月1日的报道发表)。 在使用这种深紫外LED的表面空间的杀菌和自由空间光通信用途中的实用化时，为了确保对人体等的安全性，需要有选择地仅对需要照射的部位照射深紫外光的技术。 一般来说，LED放射的光会全方位扩散，因此此前一直使用外部安装的透镜和光学部件来控制光的配光角。 但是，深紫外LED的情况下，一般的光学玻璃透镜会吸收深紫外光，因此需要使用在深紫外区域透明性高的高纯度合成石英透镜。 因此，存在着系统整体的成本极高的问题。 展望今后使用深紫外LED的杀菌和通信应用的普及，需要开发出一种不使用高成本的透镜和光学部件，就可以通过深紫外LED芯片单体控制配光角，只在需要照射的地方进行安全性高，可以高效照射高强度的深紫外光的技术。 这次的成果 此次，本研究小组通过纳米光结构技术，成功开发出了无光学控制光配光角的深紫外LED (参照图1 )。 通过组合在氮化铝( AlN )光出射面上形成的纳米级相位型菲涅耳带板结构和氮化铝镓( AlGaN )微LED结构(参照补充资料图2、3 )，可以在不使用光学透镜的情况下进行光辐射 另外，本结构还明确了对深紫外LED的光取出效率的提高有效，在能够控制配光角的同时，还具有大幅提高(约1.5倍)其光输出的效果(参照补充资料图5 )。 此次成果将成为世界上首次证明，不使用高成本的透镜和光学部件，就可以将通常向全方位扩散的深紫外LED的配光角控制在极窄的角度。 从杀菌到医疗、传感、环境、光加工、太阳能盲光无线通信应用，在各个领域中，作为扩大利用深紫外LED的光系统的应用范围，飞跃性地提高其安全性、效率、生产率的技术备受期待。 今后的展望 今后，使用本技术的目标是，实现更加安全且有效地使表面和空间中的细菌病毒失去活性的系统，以及即使在太阳光下的室外环境中也能够安全、超高速、低噪声地进行通信的光无线通信系统等。 NICT将推进深紫外光设备技术的进一步研究开发及其社会实施，为实现未来安心、安全、可持续的社会做出贡献。 论文信息 刊登杂志: journal of physics d:applied physics DOI: 10.1088/1361-6463/ad056a URL:https:///10.1088/1361-6463/ad 056 a 论文名称: far-field pattern control and light-extraction enhancement of deep-ultraviolet light-emitting diodes with large-area frea fresnea 作者:Lingjie Wei,，Manabu Taniguchi，Guodong Hao，and Shin-ichiro Inoue 相关过去的报道发表 2023年6月1日“成功进行了利用深紫外LED的白天室外且'视野外’环境下的光无线通信实证” https://www.nict./press/2023/06/01-1.html2022年10月27日“世界首次成功开发出瓦特级高输出动作的深紫外LED小型手持照射机”https://www.nict./press/2022/10/27-1.html 2022年3月18日“通过高功率深紫外LED(265nm波段)成功实现了气溶胶传播中新型冠状病毒的高速失活”https://www.nict./press/2022/03/18-1.html2017年4月4日“成功开发出超过150mW (发光波长265nm )世界最高输出的深紫外LED”https://www.nict./press/2017/04/04-1.html2015年4月1日“成功开发出世界最高输出(超过90mW )的深紫外LED” https://www.nict./press/2015/04/01-2.html 补充资料 此次开发的可控制放射光配光角的深紫外LED
图2是具有将此次证实的光辐射准直为光束形状的功能的“高指向性”深紫外LED的示意图
用语解说 纳米光结构技术 使用了光的波长(数百纳米级)以下的微细结构的光的相位控制技术。 纳米( nm )是表示十亿分之一米的单位。 此次开发的深紫外LED采用了以纳米级尺寸设计的相位型菲涅耳波带板结构，对LED活性层发射的深紫外光的相位进行了控制。 配光角 用数值表示放射的光的扩散方式。 数值越小表示窄角，越大表示扩展到广角。 无光 不要使用透镜等光学部件。 深紫外LED 发出深紫外( Deep Ultraviolet: DUV )波长区域光的半导体发光二极管( Light Emitting Diode: LED )。 特别是，发出分类为UV-C的波长小于280 nm的深紫外光的深紫外LED，在杀菌、水和空气的净化、医疗设备、通信传感应用等各种领域有望创造新的市场。 由于波长小于280 nm的深紫外光被臭氧层全部吸收，因此小于280 nm的太阳光不会落到地表，也称为太阳能百叶窗区域。 因此，能够进行不受太阳光引起的背景噪声的影响的光信号的收发。 另外，生物的DNA和RNA对自然界中不存在的不足280 nm的光具有较强的吸收结构。 根据这个特性，如果使用深紫外光的话，就可以不使用氯等药剂，有效地使细菌和病毒等杀菌灭活。 以往，深紫外波长区域的光源主要使用水银灯。 但是，水银灯中含有对人的健康和环境有害的水银，根据2017年生效的《关于水银的水俣条约》，国际上正在加速其废除。 深紫外LED不仅环境负荷低，而且具有小巧、低电压驱动、长寿命的特性，作为替代汞灯的新一代光源受到了高度关注。 准直 将扩散的光转换为直进性高的光。 光提取效率 半导体内的活性层发出的光中被有效地提取到LED外部的光的比例。 目前，阻碍AlGaN (氮化铝镓)系深紫外LED高效化、高输出化的主要原因之一是极低的光提取效率的问题。 相位型菲涅耳波带板结构 由同心圆状的轮体构成，具有通过控制各位置的光的相位，进行光的聚光和准直等的功能。 为了在深紫外波长区域实现，需要纳米级的高精度微细加工技术。 氮化铝镓( AlGaN ) 氮化铝( AlN )和氮化镓( GaN )混晶材料。 是直接迁移型的氮化物半导体，通过改变AlN和GaN的混晶组成比，可以在深紫外区域的几乎整个区域( 210~365 nm )任意控制其发光波长。 实施深紫外LED 关于这件事的咨询方式 未来ICT研究所 神户前沿研究中心 深紫外光ICT研究室 井上振一郎 e-mail:s _ inoue at mark nict. 宣传(接受采访) 公关部新闻办公室 e-mail:publicity at mark nict. |
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图4制作的深紫外LED的配光特性的测定结果
( a )以往光出射面平坦的深紫外LED的配光特性
(接近光向全方位大致均等地扩散朗伯青分布的配光特性)
( b )此次开发的光出射面上形成了相位型菲涅耳波带片结构的深紫外LED的配光特性
(光束形状(准直为配光角的半值全宽( FWHM ):10°以下)的指向性极高的配光特性)
图5所示的深紫外LED的光输出相对于制作的深紫外LED的注入电流密度(以往的光出射面平坦的深紫外LED与此次开发的在光出射面上形成了相位型菲涅耳带板结构的深紫外LED的比较)以及此次开发的深紫外LED相对于以往深紫外LED的光提取效率的提高率
