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白色LED照明システム技術と応用

(2003年『白色LED照明システム技術の応用と将来展望』普及版)

商品コード: B0851

  • 監修: 田口常正
  • 発行日: 2008年6月
  • 価格(税込): 3,888 円
  • 体裁: A5判、262ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0008-5

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刊行にあたって

 GaN系半導体を利用した白色発光ダイオード(LED=light-emitting diode)が次世代固体照明光源として期待されるまでには幾多の変遷があった。少なくとも、10年前は学界、産業界でほとんど誰も見向きもしなった。青色LEDには多くの研究者が注目したが、白色LEDの使い道(市場)は全くなかったと言っても過言ではない。
 1997年、青色LEDで黄色蛍光体(YAG:Ce=セリウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット)を励起して、青色と蛍光の黄色という補色による擬似白色LEDが商品化された。これと携帯電話(液晶バックライト)の爆発的な普及がなかったら、白色LEDの実用化はほとんど進まなかっただろう。
 1998年、化合物半導体で近紫外光を発するLEDを作り、蛍光灯と同じ原理でRGB(光の3原色、Rは赤、Gは緑、Bは青)蛍光体を励起して白色光を作り出す蛍光灯式の新型白色LED光源作製の概念が登場した。
 白色LED光源は蛍光灯で使っているガラス管、不活性ガス、水銀などが必要でない。さらに、変圧器、昇圧器も不要で電力が大幅に省け、熱の発生も少ない。理想的な白色光源である。これで白熱電球や蛍光灯を代替することができるなら省エネルギーで廃棄物が少なく、地球環境にやさしい照明システムを作ることが可能である。
 このアイディアは、1998年、経済産業省の地球温暖化防止京都会議に向けた省エネルギー対策の国家プロジェクト「高効率電光変換化合物半導体開発(21世紀のあかり)」に採用された。“21世紀のあかり”プロジェクトは、本格的な白色LED照明の開発とその照明システム技術の実用化に取り組んだものである。即ち、白色LED照明は、21世紀のあかりなのである。
 本著は、“21世紀のあかり”計画に参加した13社すべてのグループの新進気鋭のメンバーにより執筆された、白色照明に関する国内外で最も優れた書籍である。内容も基礎から応用および製品化まで分りやすく書かれており、特に最新の白色LED研究の現状と将来動向を知ることができ、学生のみならず、現場の研究者と技術者にとって座右の書となることを願っている。
(「はじめに」より)

2003年6月  山口大学 工学部 田口常正

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2003年に『白色LED照明システム技術の応用と将来展望』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。
2008年6月 シーエムシー出版 編集部

著者一覧

田口常正   山口大学 工学部 電気電子工学科 教授
内田裕士   山口大学 工学部 電気電子工学科
森  哲   山口大学 工学部 電気電子工学科
山田陽一   山口大学 工学部 電気電子工学科 助教授
渡辺 智   アジレント・テクノロジー(株) アジレント研究所 プロジェクトマネージャー
         (現)Philips Lumileds Lighting Research and Development Section Manager
甲斐荘敬司   (株)ジャパンエナジー 精製技術センター 主任研究員
草尾 幹   (現)住友電気工業(株) 半導体技術研究所 主席
元木健作   住友電気工業(株) エピソリューション事業部 主席
         (現)住友電気工業(株) 半導体技術研究所 主幹
前田尚良   住友化学工業(株) 筑波研究所 主席研究員
         (現)鳥取大学 産学・地域連携推進機構 研究推進部門 副部門長・教授
砂川和彦   並木精密宝石(株) Y.B.O.商品部 開発グループ マネージャー
岡川広明   (現)三菱電線工業(株) LED事業開発部 主席部員
倉井 聡   (現)山口大学大学院 理工学研究科 助教
只友一行   三菱電線工業(株) 情報通信事業本部 フォトニクス研究所
         (現)山口大学大学院 理工学研究科 教授
酒井浩光   昭和電工(株) 研究開発センター 3グループ
鈴木尚生   化成オプトニクス(株) 蛍光体技術室 担当部長
吉田清輝   (現)古河電気工業(株) 横浜研究所 GaNプロジェクトチーム チーム長
武部敏彦   住友電気工業(株) 半導体技術研究所 主幹
         (現)(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) イノベーション実用化推進グループ 主査
中村孝夫   (現)住友電気工業(株) 半導体技術研究所 グループ長
原田光範   (現)スタンレー電気(株) 研究開発センター デバイス開発グループ 研究員
森田康正   スタンレー電気(株) 光半導体第一技術部 技術開発課
船本昭宏   (現)オムロン(株) 技術本部 先端デバイス研究所 主事
石井健一   三菱電機照明(株) 器具技術部 照明技術課 課長
金森正芳   山田照明(株) LED開発室
山田健一   松下電工(株) 照明分社 照明R&amp;Dセンター 光源グループ
後藤芳朗   (現)松下電工(株) LED・特品・新市場開発センター LED事業推進部 技師
小野紀之   小糸工業(株) 照明技術部 課長
小橋克哉   山口大学 工学部 電気電子工学科 技官
         (現)(株)中川研究所 研究開発グループ 研究員

 執筆者の所属表記は、注記以外は2003年当時のものを使用しております。

目次

序章
1. まえがき
2. 高効率LEDの開発と発光メカニズム
3. 高効率青色・近紫外LEDの開発
4. 白色LED
5. まとめ

第1章 白色LED研究開発の状況:歴史的背景
1. はじめに
2. 照明用光源の発光効率
3. 新しいタイプの白色LEDの登場
4. 従来の白色LEDの問題点
4.1 RGB LEDによる白色LED
4.2 青色LED+蛍光体
5. 白色LEDの特性比較
6. おわりに

第2章 白色LED照明光源の基礎特性
1. はじめに
2. 白色LED集積光源における照度分布
2.1 光源の配置形状と照射面における照度分布
2.2 集積光源における照度測定結果
3. 白色LED1素子の配光特性
3.1 白色LED単体における配光測定方法と測定距離について
3.2 白色LED単体の配光測定結果
4. 砲弾型LEDの配光分布と色ムラの関係
4.1 蛍光体塗布の有無と色ムラについて
4.2 砲弾型LEDのエポキシ樹脂と色ムラについて
4.3 砲弾型LEDと表面実装型(SMD:Surface Mount Device)LEDの比較
5. おわりに

第3章 白色LED光源の発光メカニズム
1. はじめに
2. InxGa1-xN混晶半導体の光学特性
2.1 InxGa1-xN混晶半導体の輻射再結合モデル
2.2 InxGa1-xN混晶半導体の発光スペクトル
2.3 InxGa1-xN混晶半導体の吸収スペクトル
2.4 ストークスシフトの温度依存性
3. InxGa1-xN系量子井戸LEDの発光特性
3.1 キャリアの局在効果と分極電界効果
3.2 発光波長シフト
3.3 外部量子効率の電流依存性(効率曲線)
3.4 面内発光分布
3.5 フォトルミネッセンス特性
4. LED効率
5. おわりに

第4章 青色LED、近紫外LEDの作製
1. 結晶成長
1.1 バルク
1.1.1 高圧溶液成長法によるバルクGaN単結晶の成長
(1) はじめに
(2) 高圧溶液成長法
(3) 結晶成長
(4) 結晶の評価
(5) おわりに
1.1.2 低圧気相法によるGaNエピタキシャル基板の開発
(1) はじめに
(2) 概要
(3) GaN合成プロセスの熱力学的検討
(4) GaN単結晶成長
(5) おわりに
1.1.3 Hydride Vapor Phase Epitaxy(HVPE)によるバルク結晶
(1) はじめに
(2) HVPE法とそのバルクへの応用について
(3) 2インチ径窒化ガリウム基板の作成
(4) 転位分布
(5) 新しい転位低減手法DEEPの提案
(6) おわりに
1.2 ホモエピ用GaN on sapphire基板(テンプレート)
1.2.1 はじめに
1.2.2 Epitaxially Lateral Overgrowth(ELO)について
1.2.3 Facet Controlled ELO(FACELO)による転位密度低減
1.2.4 FACELO基板のLED性能におよぼす効果
1.2.5 おわりに
1.3 サファイヤ
1.3.1 はじめに
1.3.2 サファイヤ基板の品質
1.3.3 サファイヤ基板の研磨
1.3.4 試験結果
1.3.5 GaN基板の研磨
1.3.6 おわりに
1.4 MOCVD
1.4.1 GaN系材料のMOCVD装置
1.4.2 GaN成長
1.4.3 InGaN
1.4.4 AlGaN
1.4.5 AlGaInN
1.4.6 GaNの高品質化
1.5 MBE
1.5.1 はじめに
1.5.2 RF-MBE法によるホモエピタキシャル成長
1.5.3 NH3GS-MBE法を用いたホモエピタキシャル成長
1.5.4 GaNバルク単結晶の表面極性制御
1.5.5 おわりに

2. デバイス作製
2.1 プロセス概要
2.2 p型導電性制御
2.3 反応性イオンエッチング加工(RIE)
2.4 オーム性接触電極

3. 特性評価
3.1 転位密度低減(下地GaN層の影響)
3.2 発光層の最適化
3.3 p-AlGaN層クラッド層の最適化
3.4 近紫外LEDランプ特性

第5章 高効率近紫外LEDと白色LED
1. 高効率近紫外LED
1.1 はじめに
1.2 近紫外LEDの開発課題と高効率近紫外素子構造
1.3 LEDの発光効率
1.4 LEPS-NUV-LEDの電気特性
1.5 LEPS-InGaN-LEDの発光出力特性
1.6 LEPS-InGaN-LEDの発光スペクトル
1.7 おわりに

2. 白色LED用蛍光体
2.1 白色LEDの構成
2.2 白色LED用蛍光体の必要特性
2.3 近紫外発光蛍光体の選択
2.4 混合白色光
2.5 発光特性の評価
2.6 安定性
2.6.1 初期特性のばらつき
2.6.2 温度特性
2.6.3 劣化特性
2.7 赤色蛍光体の開発
2.8 おわりに

3. 3原色(RGB)白色LED化に向けたGaNP系窒化物新発光材料開発
3.1 はじめに
3.2 光照射MOCVD
3.2.1 原理
3.2.2 実験装置
3.2.3 GaNPの成長結果および考察
3.3  GaNP LED
3.4 Pイオン注入法によるGaNP LED
3.5 おわりに

4. ZnSe系白色LED
4.1 はじめに
4.2 高品質基板およびホモエピタキシャル層の開発
4.3 基板発光を用いた白色発光の原理
4.4 ZnSe系白色LEDの特性
4.5 ZnSe系白色LEDの特性向上
4.6 ZnSe白色LEDの応用
4.7 おわりに

第6章 白色LED実装化技術
1. 蛍光体とパッケージング
1.1 はじめに
1.2 青色LED+YAG蛍光体の白色化およびパッケージ
1.3 近紫外LED+RGB蛍光体の白色化およびパッケージ
1.4 高出力白色LEDのパッケージ
1.5 おわりに

2. 樹脂モールド
2.1 LED封止樹脂の現状
2.1.1 透明液状エポキシ樹脂
2.1.2 トランスファーモールド樹脂
2.1.3 シリコーン樹脂
2.2 白色LED用モールド材料
2.2.1 エポキシ樹脂の紫外線劣化
2.2.2 水添ビスフェノールAグリシジルエーテルの酸無水物硬化
2.3 紫外、白色LED用封止樹脂の開発動向
2.3.1 エポキシ樹脂系
2.3.2 シリコーン系

第7章 白色LEDの応用と実用化
1. 大型白色LED照明装置の可能性
1.1 はじめに
1.2 発光領域変換型照明システムの比較
1.3 ベクター放射結合型LED照明
1.4 ベクター放射結合型LED照明の試作
1.5 将来像
1.6 おわりに

2. 集積化白色LED光源の熱対策
2.1 はじめに
2.2 熱による影響
2.3 発生熱の伝熱経路
2.4 LEDを集積した時の温度上昇についての検証
2.5 熱対策のまとめ

3. 一般照明装置の製品化(1)
3.1 はじめに
3.2 照明用光源としての白色LEDについて
3.2.1 寿命
3.2.2 発光効率
3.2.3 コスト効率
3.3 白色LED照明の製品化について
3.3.1 LED光源ユニット
3.3.2 LED照明器具
3.3.3 施工事例
3.4 白色LED照明の今後について

4. 一般照明装置の製品化(2)
4.1 はじめに
4.2 白色LEDの現状と課題
4.3 白色LEDのモジュール化
4.4 LED照明製品事例
4.4.1 フットライト
4.4.2 スポットライト
4.4.3 デスクスタンド
4.4.4 LED照明施設例
4.5 おわりに

5. 道路用、トンネル内LED照明装置の実例
5.1 道路交通分野におけるLEDの利用
5.2 道路、トンネル照明のLED照明装置の実例
5.2.1 歩道灯
5.2.2 足元灯
5.2.3 ソーラー照明灯
5.2.4 ハイブリット照明灯
5.2.5 センターライン表示灯
5.2.6 誘導灯
5.2.7 ガイドライトシステム
5.2.8 非常口表示灯
5.3 道路、トンネル照明における白色LEDの今後

6. 集積化、街灯、サインパネルの実例
6.1 はじめに
6.2 集積化した多点光源
6.3 照度分布シミュレーション
6.4 省エネルギー型街灯の試作と照明特性
6.5 LEDサインパネル
6.6 おわりに

第8章 海外の動向、研究開発予測および市場性
1. はじめに
2. 高効率白色LED開発の世界動向
2.1 アメリカ
2.2 台湾
2.3 韓国
2.4 その他
3. 研究開発予測
4. 市場性
5. おわりに

第9章 まとめと今後の課題および将来展望
1. はじめに
2. 白色LED照明の将来展望
3. 将来展望と課題
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