次世代LEDとして有力な「ペロブスカイトLED」は製造が容易かつ安価で環境負荷も低い

by Sandia Labs

発光ダイオード(LED)は低消費電力・長寿命・小型化可能という特性を持ち、高輝度タイプが発明されてからは電光掲示板や屋内照明、大型ディスプレイ、信号機などさまざまな用途で採用されています。スウェーデンにあるリンショーピング大学の研究者が、「次世代LEDとなるペロブスカイトLED(PeLED)が、従来のLEDよりも安く作れて鮮やかな色を表示でき、環境への負担も少なく、次世代の照明技術として大きな可能性を持っている」と評価する論文を発表しました。

Towards sustainable perovskite light-emitting diodes | Nature Sustainability
https://www.nature.com/articles/s41893-024-01503-7

Next generation LEDs are cheap and sustainable - Linköping University
https://liu.se/en/news-item/nasta-generations-lysdioder-ar-billiga-och-miljovanliga

PeLEDとは、有機物や金属とハロゲン元素で構成される「ペロブスカイト構造」を持つ結晶材料を発光材料に使用した発光ダイオードです。PeLEDは従来のLEDよりも製造が容易で低コストである上、ディスプレイに使用した場合に鮮やかで強い色を生み出すことができるのが特長。また、地球上に豊富に存在する材料から作製可能というのも大きなポイントです。

リンショーピング大学物理学・化学・生物学部のFeng Gao教授と経営工学部のOlof Hjelm教授が率いる研究チームは、「ライフサイクル評価」と「技術経済評価」という手法を用いて、PeLEDの製造から廃棄までの全ライフサイクルにわたる環境負荷とコストを分析し、PeLED技術の商業化に不可欠な要素を環境面・経済面・技術面を同時に評価しました。

研究チームによると、費用面で見ると、工業規模のPeLEDの製造コストは1平方メートル当たり約38ドル～121ドル(約5700円～1万8000円)になると推定され、1平方メートル当たり87ドル～265ドル(約1万3000円～4万円)の有機ELと比べてもかなり低いコストとなるとのこと。

ただし、記事作成時点で実験室規模のPeLEDの製造コストは1平方メートル当たり約63ドル～178ドル(約9400円～2万6600円)になるとのこと。これは電子や正孔を運ぶための層に使用される電荷輸送材料が占めるコストが大きいためだそうです。PeLED製造技術の改良には、大規模製造プロセスの改善以外にも有機溶媒の再利用やレアメタルの代替を模索することが求められます。

研究チームは、将来的にPeLED製品の総コストは1平方メートル約100ドル(約1万5000円)程度になると予測しており、このコスト水準であれば商業的にも十分競争力があり、従来のLED技術に取って代わる可能性があるとしています。

by SNSF Scientific Image Competition

また、環境影響の評価では、PeLEDに含まれる鉛は少量で、一般的に考えられているほど深刻な環境への毒性源ではなく、むしろ金などの希少金属の採掘・精製が環境に大きな負荷をかけていると研究チームは指摘。金を銅やアルミニウム、ニッケルに置き換えることで、LEDの機能性を維持しながら環境負荷を大幅に低減できるとしています。

さらに、PeLEDの商業的持続可能性を確保するためには、寿命が約1万時間に達する必要があるという基準も提示されました。記事作成時点で最先端のPeLEDの寿命は数百時間レベルですが、急速な技術開発により、この目標は達成可能だと研究チームは考えています。

研究に参加したリンショーピング大学物理学・化学・生物学部博士課程のMuyi Zhang氏は、「製品の技術性能が高くても、コストが高く環境持続性がない製品は市場での競争力が低い可能性があります」と述べ、研究開発においても環境と経済的側面を含めた広い視点が必要だと強調しました。