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1 NEDO 省エネルギー技術フォーラム 2016 戦略的省エネルギー技術革新プログラムフェーズ名 : 実用化開発 < 高効率スポット照明用レーザ光源の開発 > 事業実施法人名 : パナソニック ( 株 ) IDEC( 株 ) 委託先 : 日東電工 ( 株 ) 共同研究先 : 大阪大学 パドーバ大学 研究開発期間 : 平成 26 年 9 月 ~ 平成 29 年 2 月

2 1-1. 研究開発の背景 2 レーザ励起光源は省エネ / 高出力を活かし 新たな市場を創出 光源の種類発光部アフ リケーション現在面積住宅 オフィス用施設 店舗用屋外用産業用車両用フィラメント型放電型キセノン工場スホ ット道路灯内視鏡ヘット ランフ 点発光 ハロケ ン 将来固体テ ハ イスレーサ フ ロシ ェクタ 店舗スホ ットスタシ アム灯植物工場 水銀 電灯 レーザ励起光源の潜在用途 白熱電球 蛍光灯 白色 LED 面発光 天井照明 有機 EL 固体光源の利点 レーザ励起光源の利点 省エネ 高効率 長寿命 小型 軽量 クイックOn/Off 水銀レス 小発光点 ドループレス ランニングコスト低減可搬性 / デザイン性 / 利便性環境負荷軽減 高スポット集光率高出力

3 1-1. 研究開発の背景 3 施設照明の省エネ化 : 必要な場所のみ高照度化 一般照明 スポット照明 照度 必要照度 照度 必要照度

4 1-2. 研究開発の目的 目標 4 目的 : レーザ励起蛍光体によりスポット集光性を高め 損失を低減 白色 LED レーザ励起蛍光体 白色 LED 半導体レーザ 蛍光体 ターゲット照射領域 反射鏡 白色光 反射鏡 白色光 レーザ励起蛍光体は ほぼ点光源であり 光の指向性を高めることが可能 ターゲット内に損失なく集光

5 1-2. 研究開発の目的 目標 5 レーザ励起蛍光体は高出力時に優位 レーザ励起蛍光体 白色 LED 導波路 発光部 発光素子出力特性比較 発光素子 発光部 基板 p 型半導体発光層 n 型半導体 基板 蛍光体 発光層 n 型半導体 p 型半導体 光出力 スポット照明 レーザ LED ( ト ルーフ 現象 ) 白色化 白色光 白色光 平面照明 レーザ レンズ 蛍光体 LED 電流 LED:Light Emitting Diode

6 1-2. 研究開発の目的 目標 6 目標 : 高効率レーザスポット照明機器の実現 本開発の対象 : レーザスポット照明機器 (1 器 ) レーザ光源ユニット GaN レーザ 蛍光体 反射鏡 投射光学系 照度 蛍光体プレート中間 60lx 最終 140lx 4 器実装した場合 ( イメージ図 ) 500lx エネルギー総合効率 17.0% 19.2% 照射半径 3m 照射距離 20m

7 1-2. 研究開発の目的 目標 7 レーザ励起蛍光体の必要電力 : 白色 LED の 2/3 が可能 投入電力 発光素子効率 蛍光体効率 反射鏡集光率 必要光束 スポット照度 レーザ励起蛍光体 44W 光出力 18W 4,100lm 3,500lm 500lx 白色 LED (66W) ( 光出力 24W) (5,300lm) 照射半径 3m 照射距離 20m エネルギー損失率 レーザ励起蛍光体 ( 白色 LED) 60% (64%) 約 30% ( 約 30%) 15% (34%) 500lx 精密視作業に必要な明るさ

8 2-1. 研究開発体制 8 研究開発責任者 パナソニック株式会社 田中毅 パナソニック株式会社レーザ光源ユニットの開発 共同実施先 パドーバ大学 蛍光体劣化メカニス ム / モテ ル化 IDEC 株式会社 高集光率投射光学系の開発 委託先日東電工株式会社 蛍光体セラミック化の開発 共同実施先大阪大学 高効率反射鏡の開発

9 2-2. 研究開発内容 (1) 開発要素 9 レーザ 蛍光体 反射鏡を高効率化 1 高効率 / 高出力半導体レーザ 2 高効率蛍光体 白色光 ヒートシンク レンズ 3 高効率反射鏡

10 光出力 2-2. 研究開発内容 10 (2) 要素技術 1: 高効率 / 高出力半導体レーザ ( 課題 ) 電流光出力特性 理想 課題 1. 光損失低減による効率向上光損失光出力クラッド層 2 活性層 スロープ効率 1 従来 電流 課題 2. 低熱抵抗化による高出力化 パッケージ 電流 高熱抵抗 レーザ素子 低熱抵抗 サブマウント

11 光損失 [cm -1 ] 2-2. 研究開発内容 11 (2) 要素技術 1: 高効率 / 高出力半導体レーザ ( 低光損失化 ) 光吸収が大きいpクラッド層を遠ざける厚膜ガイド構造で損失低減 10 p-クラッド層ガイド層実験値活性層 8 ガイド層 n-クラッド層 6 4 Δd 1 Δd 2 追加ガイド層 2 0 計算 Δd= Δd 1 + Δd 2 トータル追加ガイド厚, d [nm]

12 2-2. 研究開発内容 12 (2) 要素技術 1: 高効率 / 高出力半導体レーザ ( 低熱抵抗化 ) 両面放熱構造により熱抵抗を 2/3 に低減 接合部 従来 レーザチップ 第 2 放熱経路 今回 上部サブマウント サブマウント 第 1 放熱経路 下部サブマウント レーザチップ レーザチップ 上部サブマウント リッジサブマウントパッケージ 熱抵抗 11k/W 下部サブマウント パッケージ 熱抵抗 6.6k/W

13 光出力 [W] 光出力 [W] 光出力 [W] 2-2. 研究開発内容 13 (2) 要素技術 1: 高効率 / 高出力半導体レーザ ( 総合性能 ) 効率 1.2 倍 出力 1.8 倍を実現 厚膜ガイド構造 Δd=500nm 両面放熱構造 CW, RT CW, RT CW, RT 4.1W W W W/A 電流 [A] W/A 電流 [A] W/A 電流 [A] 2 3 4

14 2-2. 研究開発内容 14 (2) 要素技術 2: 高効率蛍光体 ( 課題 ) 蛍光体による色変換 課題 1. 蛍光体構造最適化による放熱向上 青紫レーザ光 蛍光体層 白色を維持したまま 高放熱化青色用蛍光体 ( 低熱伝導 ) 黄色用蛍光体 ( 高熱伝導 ) 蛍光体変換効率 非変換成分で発熱 発熱により変換効率が低下 課題 2. 高熱伝導化による放熱向上 セラミックプレート 今回 : セラミック従来 : シリコーン 蛍光体 熱伝導率 (W/mk) ~5 ~0.2 青紫レーザ光量 課題 3. レーザ照射時の劣化機構明確化

15 2-2. 研究開発内容 15 (2) 要素技術 2: 高効率蛍光体 ( 構造最適化 ) 構造最適化により 高効率と温度上昇抑制が可能 積層型 青色蛍光体 黄色蛍光体 温度 (au) 1 ランダム型 青色蛍光体黄色蛍光体 低照射時変換効率 (au) 再吸収 ( 青 黄 ) チェックパターン型 青色蛍光体 0.1 青 / 黄体積比 熱伝導 黄色蛍光体

16 蛍光体温度 ( ) 2-2. 研究開発内容 16 (2) 要素技術 2: 高効率蛍光体 ( セラミック化 ) セラミック化により 温度上昇を抑制 蛍光体温度の励起強度依存性 セラミック化前 *1) セラミック化後 *2) 約 20 度低減 *1) メッシュ蛍光体 *2) 積層蛍光体 ( 黄色のみセラミック化 ) セラミック化で蛍光体粒子表面反射を除去 吸収率および外部量子効率が向上 黄色蛍光体セラミック化 前 ( 粉末 ) 後 ( フ レート ) 内部量子効率 92% 86% 72% 81% 外部量子効率 66% 69% セラミック蛍光体 光励起密度 (W/mm 2 ) 焼結前 焼結後

17 2-2. 研究開発内容 17 (2) 要素技術 2: 高効率蛍光体 ( 劣化機構 ) レーザ光照射による Eu 酸化が劣化要因の可能性を示唆 熱処理のみ 劣化モデル UV のみ Eu 2+ Eu 3+ Eu 3+ 存在を示す信号 母体結晶 発光 非発光 局所的な発熱で Eu が酸化 (Eu 2+ Eu 3+ )

18 Illuminance[lux] Y position [mm] 2-2. 研究開発内容 18 (2) 要素技術 3: 高効率反射鏡 アルミ基材 +Ag 蒸着で 高加工精度 / 低表面歪を実現し高反射率 / 高指向 / 均一分布を実現 加工法の最適化 指向性 楕円反射面による照度均一化 ±3 アルミ基材 +Ag 蒸着 ( 鏡部 :100mmφ) 角度 ( ) 基材材質 蒸着材 加工精度 蒸着時 熱歪 均一照射性 距離 20m における照射分布 アクリル アルミ ガラス 銀 ポリカ 銀 アルミ 銀 Illuminance[lux] X position [mm] Illuminance[lux] ( 実測配光データに基づくシミュレーション )

19 2-2. 研究開発内容 19 (2) 要素技術 3: レーザスポット照明の実現 ( 外観 ) 反射鏡 (10cmΦ) 蛍光体 ヒートシンク 蛍光体支持部 高出力レーザ コリメータレンズ

20 2-2. 研究開発内容 20 (2) 要素技術 3: レーザスポット照明の実現 ( 性能 ) 基本性能 項目投入電力レーザ出力スクリーン上の光束 値 14 W 5 W 826 lm 投射像 照射スポット 効率特性 5m 平均照度 (20m) 109 lx エネルギー総合効率 17.1% 発光効率 59 lm/w

21 3-1. 成果 21 レーザスポット照明機器 高効率 (59lm/W) のレーザ照明機器を実現 要素技術 1レーザ素子 独自の低光損失構造/ 高放熱構造により 5W 出力でも効率 37% 以上 2 蛍光体 強いレーザ光でも変換効率 50% 以上の高耐熱蛍光体構造 レーザ励起時の劣化主因は局所過熱によるEu 酸化 (Eu 2+ Eu 3+ ) 3 反射鏡 高精度光学設計による集光効率 90% 以上の高指向性反射鏡 特許 6 件 学会発表 10 件

22 3-1. 成果 22 学会発表 日付学会名発表テーマ 2015 年 4 月 22 日 The 4th Laser Display and Lighting Conference High-Luminance Phosphor-Conversion White Light Source with Blue-Violet Laser-Diodes 2015 年 9 月 28 日 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials High Power and High Temperature Operation over 3W/85 of an InGaN Laser using a Novel Double-heat-flow Packaging Technology 2015 年 11 月 18 日 NEDO 次世代レーザシンポジウム東京 GaN 系半導体レーザーの技術と応用 2015 年 12 月 12 日日本学術振興会 162 委員会 94 回研究会高出力青紫色半導体レーザと高輝度照明への応用 2016 年 2 月 12 日レーザー学会第 Ⅱ 期第 3 回 レーザー照明 ディスプレイ 専門委員会 高出力青紫色半導体レーザとレーザ照明への応用 2016 年 2 月 17 日 SPIE Photonics WEST Optical loss suppressed InGaN laser diodes using undoped thick waveguide structure 2016 年 5 月 18 日 Conference on Light-Emitting Devices and Their Industrial Applications 2016 年 5 月 25 日 15th International Symposium on the Science and Technology of Lighting A high efficiency laser spotlight illuminator High-power blue-violet InGaN laser diodes for white spot lighting systems 2016 年 6 月 17 日応用物理学会応用電子物性分科会高出力近紫外半導体レーザと高輝度照明への応用 2016 年 9 月 12 日 The 25th International Semiconductor Laser Conference High Power Laser Technical Workshop Record-Breaking High-Power InGaN Laser-Diodes by Optical-Loss Suppressed Undoped Thick-Waveguide Structure

23 発光効率 (lm/w) 光束 (lm) レーザ光源ユニット国内市場予測 (au) 3-2. 今後の展望 23 1 レーザ光源ユニットの事業化 市場投入の差別化ポイント 高光束 / 高効率性で LED を差別化 省エネ性で市場を拡大 レーサ LED 投入電流 (A) 車載ヘット ライト レーサ 2 施設照明 電光看板 50 0 LED 投入電流 (A) 光束 / 効率は蛍光体面上での値 1 屋外照明 店舗照明フ ロシ ェクタ照明 ( 年 )

24 レーザ光源施設照明機器国内市場予測 (au) 3-2. 今後の展望 24 2 レーザスポット照明機器の事業化 多灯化でラインナップを拡充 1 器実装 4 器実装 8 器実装 140lx 型 500lx 型 1000lx 型 4 LED 置き換えから参入し 新規施設照明に展開 外観イメージ 3 2 用途 特殊車輛船舶投光器 工場照明 スポーツ施設照明 1 新規 LED 置換え ( 年 )

25 3-2. 今後の展望 25 高性能化 多機能化 省エネ化でレーザー励起照明を展開 演出照明 公共照明産業照明 データプロジェクタ 公共ディスプレイ 広告 演色性調色高輝度大画面薄型軽量 高光束長寿命 超小型 指向性制御性 レーザヘッドランプ 配光可変型ビーム

26 省エネ効果量 ( 万 kl/ 年 ) 3-3. 省エネルギー効果 1, 年時点 : 33 万 kl/ 年 2030 年時点 : 293 万 kl/ 年 指標 A( 効果量 ): kL/ 年 台指標 B( 導入量 ): 2,934 万台 (2022 年 ) 26,200 万台 (2030 年 ) 年 省エネルギー効果量 = 指標 A 指標 B 指標 B は国内 + 国外