ナノ光構造技術により光の配光角を制御できる、オプティクスフリー深紫外LEDを開発 NICT

情報通信研究機構（NICT）は2023年11月1日、NICTの未来ICT研究所の研究グループが、光の配光角をナノ光構造技術で制御し、極めて高い指向性を有するオプティクスフリー深紫外LEDを世界で初めて開発したと発表した。光学レンズを用いずに、放射される深紫外光の配光角をナノ光構造技術とマイクロLED構造の組み合わせで緻密に制御し、ビーム形状にコリメートできることを実証した。

深紫外LEDは、空気中を浮遊するエアロゾル状のウイルスの不活性化や、太陽光による背景ノイズの影響を回避する、光無線通信用の光源等として期待されている。こうした深紫外LEDを用いた表面や空間の殺菌、自由空間光通信用途での実用化には、人体等への安全性の確保から、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る。

LEDから放射される光は、一般に全方位に拡散されるため、光の配光角を外部取付のレンズや光学部品を用いて制御していたが、深紫外LEDの場合は、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、システム全体のコストが高くなるという問題があった。

そこで研究グループは、ナノ光構造技術によって、光の配光角をオプティクスフリーで制御できる深紫外LEDを開発。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構造を組み合わせている。

作製したAlN位相型フレネルゾーンプレート構造（a）全体像の光学顕微鏡写真、（b）中心部、（c）最外周部および（d）断面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真

作製した深紫外LEDの配光特性の測定結果

光学レンズを用いずに、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を実証している。開発した構造は、深紫外LEDの光取出し効率の向上にも有効で、配光角の制御に加え、光出力を約1.5倍に向上させる効果がある。

今回の成果は、世界で初めて、通常は全方位に広がってしまう深紫外LEDの配光角を高コストのレンズや光学部品を用いずに、極めて狭角に制御できることを示した実証例となる。殺菌や通信等、多岐に渡る分野で、深紫外LEDの安全性、効率性、生産性を高める技術として期待される。

開発した技術によって今後、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、低ノイズに通信できる光無線通信システム等の実現を目指す。

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