大型放射光施設 SPring-8

公開日

2017年12月11日

2017年12月11日
株式会社小糸製作所
東京工業大学
名古屋大学

【研究の背景】
　従来、白色LEDに用いられている赤色蛍光体は、窒化物系の化合物に発光元素をドープしたものが主流でした。それらにドープされた発光元素は、周囲の窒素イオンと強い共有結合性を示すことから、赤色のような長い波長（エネルギーの小さい）の発光を実現していました。しかし、これらの蛍光体は、青～黄色の波長域の可視光をも吸収し、赤色光に変換してしまいます。そのことは、他色の蛍光体と混合し白色光を形成するとき、赤色蛍光体が青～黄色の蛍光を再吸収するため、発光色の赤色方向へのシフトを誘発します。そのため、現状の白色LEDは色度調整が難しく、色度ランクを分けながら販売されていました。

【研究の内容と成果】
　今回の開発コンセプトは、“混合配位子場の形成”による蛍光体探索です。これは、イオン結合性結晶に発光元素をドープし、その周りに異なる種類のアニオン^※7を配位させることです。異種アニオンの配位により、発光元素周りでは空間的な電荷バランスが崩れ、配位アニオンとの静電反発の違いから、発光元素の電子軌道にエネルギーレベルが高い軌道と低い軌道が形成されます。本開発は、その低いエネルギーレベルの軌道を用い、赤色発光させるというコンセプトです。今回は、発光元素周りにフッ素と酸素イオンが配位したFOLP:Eu²⁺（組成 K₂CaPO₄F:Eu²⁺）を開発しました。
　FOLP:Eu²⁺は、単結晶構造解析の結果、無機結晶構造のデータベースにはない新しい結晶構造をした物質でした（図１）。FOLP:Eu²⁺は、紫外～紫（315～420 nm）の光を吸収し、高い変換効率で赤色発光します（図２）。特筆すべきは、青～黄色光領域に吸収を持たず、大きなストークスシフトを示すことです。そのため、FOLP:Eu²⁺は、青、緑、黄色等の蛍光体と混合したとき、他の蛍光を再吸収せず、蛍光体の配合比だけで発光色を決めることができます。図３は、FOLP:Eu²⁺を用い試作した白色LEDが、均一色発光している様子です。論文では、密度汎関数理論を応用し、FOLP:Eu²⁺が示すストークスシフトは、紫光吸収に伴う大きな結晶構造緩和が起源であることを解明しています。

【用語解説】
※1：ストークスシフト
電子遷移による発光における励起エネルギーと発光エネルギーの大きさの差。

※2：演色性
照明で物体を照らすときに、自然光が当たったときの色に対する再現度合を示す指標。

※3：ユーロピウム
原子番号63の希土類元素の1つでランタノイドに属する。蛍光体の発光元素として活用される。

※4：混合配位子場
カチオン周りに異種アニオンが隣接した部位。カチオンは、隣接する異種アニオンから異なるクーロン力を受ける。

※5：密度汎関数理論
電子密度の分布から、物質のエネルギー等の物性を計算する方法。

※6：大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その運転と利用者支援などは高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

※7：アニオン
電子を受け取って、負の電荷を帯びたイオン。