世界初、光の配光角を制御できる深紫外LEDの開発に成功

NICTの当研究グループは、これまで、深紫外LEDの研究開発とその応用実現に向けた取組を積極的に推進してきました。深紫外LEDは、ウイルス・細菌に対する高い不活性化作用を有することから、接触感染やエアロゾル感染を介した感染拡大を抑制するための画期的なツールとして期待されています（2022年3月18日及び2022年10月27日付け報道発表参照）。また、波長280 nm以下の深紫外LEDを利用した光無線通信は、太陽光背景ノイズの影響を回避することが可能であることから、高速光無線通信の屋外環境利用における応用可能性を飛躍的に広げる技術として期待されています（2023年6月1日付け報道発表参照）。

そのような深紫外LEDを用いた表面・空間の殺菌や自由空間光通信用途における実用化の際には、人体等への安全性を確保するために、照射が必要な箇所のみに選択的に深紫外光を照射する技術が求められます。一般に、LEDから放射される光は全方位に拡散されるため、これまでは、外部取付のレンズや光学部品を用いて光の配光角が制御されてきました。しかし、深紫外LEDの場合、一般的な光学ガラスレンズでは深紫外光が吸収されてしまうため、深紫外域で透明性の高い高純度の合成石英レンズを用いる必要がありました。このため、システム全体のコストが極めて高くなってしまう問題がありました。

深紫外LEDを用いた殺菌や通信応用の今後の普及を見据えると、高コストのレンズや光学部品を使用せずに、深紫外LEDチップ単体で配光角を制御でき、照射が必要な箇所のみに安全性高く、高強度の深紫外光を効率的に照射できる技術の創出が求められていました。

今回、当研究グループは、ナノ光構造技術により、オプティクスフリーで光の配光角を制御できる深紫外LEDの開発に成功しました（図1参照）。窒化アルミニウム（AlN）光出射面に形成したナノオーダーの位相型フレネルゾーンプレート構造と、窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）マイクロLED構造を組み合わせることで（補足資料 図2, 3参照）、光学レンズを用いることなく、光放射をビーム形状（配光角の半値全幅（FWHM）: 10°以下）にコリメートした“高指向性”深紫外LEDを実証しました（補足資料 図4参照）。また、本構造は、深紫外LEDの光取出し効率の向上にも有効であり、配光角を制御できると同時に、その光出力を大幅に向上（約1.5倍）させる効果があることも明らかにしました（補足資料 図5参照）。

今回の成果は、高コストのレンズや光学部品を用いることなく、通常、全方位に広がってしまう深紫外LEDの配光角を極めて狭角に制御できることを示した世界初の実証例となります。殺菌から医療、センシング、環境、光加工、ソーラーブラインド光無線通信応用まで、多岐にわたる分野において、深紫外LEDを活用した光システムの応用の幅を広げ、その安全性、効率性、生産性を飛躍的に高める技術として期待されます。

今後、本技術を用いることで、表面や空間中の細菌・ウイルスをより安全かつ効果的に不活性化するシステムや、太陽光下の屋外環境でも安全・超高速・低ノイズに通信可能な光無線通信システム等の実現を目指していきます。

NICTでは、深紫外光デバイス技術の更なる研究開発とその社会実装に向けた取組を進め、将来の安心・安全で持続可能な社会の実現に貢献していきます。