紫外LEDとは
紫外LEDとは、紫外線を発光するLEDです。
LEDは「light-emitting diode」の略で、発光するダイオードを指します。紫外線は紫色よりも波長が短い光です。英語ではUltravioletと呼ばれ、一部を取ってUVと略称されます。
長時間紫外線を浴び続けると日焼けや皮膚がんの原因となり人体に有害ですが、除菌効果などの有用な特徴もあります。紫外線は波長領域によってUV-A (320～380nm)、UV-B (280~320nm)、 UV-C (200~280nm)の3つに分類されます。
紫外LEDの使用用途
紫外LEDは基本的に工業用途で使用されますが、紫外線LEDペンライトなども販売されています。工業分野ではさまざまな用途に使用されます。
具体的な使用例は、以下の通りです。
- アトピー治療
- 光増感剤を用いたがんの光線力学治療（PDT）
- 冷蔵庫やエアコンのカビ防止
- 浄水器などの滅菌
- 接着剤や塗料の乾燥設備
- 補修用樹脂の硬化用
医療分野では、紫外光による免疫抑制作用などを利用されています。産業用としては、紫外線硬化樹脂の硬化に使用されます。紫外線硬化樹脂は紫外線によって硬化する樹脂であり、補修や印刷に使用されます。この樹脂は紫外LEDによって硬化させることが可能です。
紫外LEDの原理
LEDはn型・p型半導体の接合部における電子とホールの相互作用を利用して発光します。PN接合した半導体に順方向に電場を印加すると、伝導帯の電子が価電子帯に遷移し、ホールと対消滅する際にバンドギャップに応じた波長の光を放出します。
バンドギャップは半導体を構成する物質によって異なるため、組成を変えれば波長のチューニングが可能です。紫外LEDの多くは窒化アルミニウムガリウムを材料とした半導体で製作されます。
紫外LEDのその他情報
1. 深紫外線LED
近年、水銀ランプに代わる光源として深紫外線LEDが注目されています。深紫外線は、100～280nmの短波長を有する紫外線です。紫外線の中でも最もエネルギーが高く、生体に対する強い破壊力を持ちます。
深紫外線LEDはその破壊力を活かして、水や空気の浄化などの環境領域で使用されます。また、医療分野ではウイルスの院内感染防止に寄与します。産業用途では印刷やコーティングなどの領域で活用されています。
深紫外LEDは環境負荷が少なく省エネルギーかつ10,000時間以上の長寿命である点が特徴です。ただし、人体に悪影響を及ぼす危険性があるため、防護メガネなどによって深紫外線光を直接目に入れない工夫が必要です。
2. 紫外LEDの市場
2020年以降、消費者の殺菌に対する意識が大幅に高まったことから紫外線LEDの需要が急激に伸びています。
紫外LEDの市場は2019年から2024年において、複合年間成長率が60％に達すると予測されます。紫外線殺菌機能と組み合わせた衛生製品などが紫外線LED市場の需要を牽引しているのが特徴です。
今後ますます人々は衛生面を意識するようになることから、市場は拡大していくものと思われます。また、紫外線LEDの価格はその性能により数十円から数千円程度まで幅広くあります。波長が短く、出力が大きいほど高価です。ただし、今後市場が拡大して量産化技術が進めば、価格は更に安価になっていくと見込みです。
3. 紫外LEDの開発状況
紫外線の発生源は水銀やメタルハライドなどのランプが一般的でした。ただし、ランプは寿命が短い上に光源が安定するまで時間がかかるというデメリットがあり、LEDのへの置き換えニーズが高い領域でした。
近年は、窒化アルミニウムガリウムを使用したLEDが普及しつつあります。紫外LEDは高輝度にすることが難しく、出力が低いという課題がありました。しかしながら、昨今の技術的進歩によって特に高出力化が難しかったUV-Cでも出力を確保することが可能となっています。また、変換効率の改善だけでなく光の取り出し効率の向上も進められています。
以前までは放射される光が基盤に吸収され、損失するという構造上の問題がありました。昨今では、基板表面にナノテクノロジーを用いた表面加工などを行うことによって、こうした問題も改善しています。
参考文献
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4978855
https://www.ushio.co.jp/jp/technology/lightedge/201203/100435.html
https://www.nikkiso.co.jp/products/duv-led/about.html
https://www.chong-wei.com/premium-report-blog/uvc-led2019-2024cagr60
https://jp.rs-online.com/web/c/displays-optoelectronics/leds-led-accessories/uv-leds/
https://leveliqq.co.jp/