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キラリ公設試(中部地域 公設試験研究機関のご紹介)

更新日:平成27年3月13日

キラリ公設試
マルチカラーVFDの研究開発:酸化物を使ったRGB発光の実現(1/2)
Vol.17三重県工業研究所
【今回のキーワード/VFD (Vacuum Fluorescent Display=真空蛍光表示管)】
1966年に三重県伊勢市にあった伊勢電子工業株式会社(現ノリタケ伊勢電子株式会社)の中村正さんが世界で初めて開発したガラス管による表示装置。 ガラス板2枚に挟まれた真空部分にカソード(フィラメント)、グリッド(格子)、アノード(蛍光体)の三極構造からなる基盤が入っていて、 ここに電流を流すことによってカソードから放出された電子がグリッドで加速され、アノードに達し、塗布された蛍光体を発光させる仕組みです。 カーオーディオの表示パネルやデジタルサイネージ(電子看板)に使われています。 開発初期は蛍光体として酸化亜鉛(ZnO)が使われ、緑色しか表示できませんでしたが、その後発光体を硫化亜鉛(ZnS)に変え、さらに希土類のドーパント(賦活剤)を入れることでRGBのさまざまな色が出せるようになってきた経緯があります。
三重県工業研究所 井上研究員
三重県工業研究所 井上研究員
VFDの実用例/自動車の内装ディスプレイ、屋外でのディスプレイ、寒冷地でのディスプレイなど

三重県で発明された技術のひとつに、現在も世界中で使われているものがあります。それがVFD(真空蛍光表示管)です。 1970年代から電卓やカーオーディオのディスプレイとして圧倒的なシェアで普及したほか、屋外表示板などに使われているというこの技術。 そのディスプレイで使用されている既存の蛍光体を改良して特許を取得したのが、三重県工業研究所の主任研究員、井上幸司さんです。 今回は彼の研究室を訪れ、そもそもVFDの特長はどんなところなのか、改良した技術によりどんなメリットが得られるのか、特許出願の目的や効果も含めて伺いました。
VFDってLEDなどと比べるとあまり聞かない言葉ですが、実はいろいろなところで使われているんですね。
(井上)
昔のカーオーディオにはVFDが多く使われています。今ならプリウスやアクアのインパネ。あと高級仕様の車両には、ヘッドアップディスプレイの表示器としても使用されているんですよ。 車両のほかには給湯器の温度を表示させるパネル、スーパーなどにあるPOS、レジの金額表示。そんな場所でVFDが使われているのです。
昔のカーオーディオに使われていたって聞くと、VFDはひと昔前の技術のような印象を受けますが、液晶と比較してのメリットってあるのでしょうか?
VFD実施例:受付カウンターなどでのインフォメーションディスプレイ
VFD実施例:受付カウンターなどでのインフォメーションディスプレイ
VFD実施例/受付カウンターなどでの
インフォメーションディスプレイ
(出典:ノリタケ伊勢電子ホームページ)
(井上)
VFDの最大の特長といえるのは耐環境温度ですね。
VFDは-40℃から85℃まで耐えられます。液晶や有機ELの場合はその耐環境温度の範囲が狭くなってしまいます。 北米やロシア、ヨーロッパなど寒いところのインフォメーションディスプレイの場合、液晶を使用すると素子の動きが鈍くなります。 VFDなら-40℃まで大丈夫なので、地球上で厳しい寒冷地でも使えるわけですね。ですから屋外で動く車両関係で使われるのです。 ロシアなどではエレベーターの階数を表示するディスプレイ装置に日本製のVFDが多く使われています。以上のとおり、寒い地域でも使えるという点がひとつ。 もうひとつは、自発光と非自発光の違いです。
VFD、EL、LEDやブラウン管テレビは自発光。一方液晶は非自発光です。非自発光の液晶は、バックライトが白色なので、カラーフィルターを通すことでRGBで発光できます。 ノートパソコンは太陽光の下では見づらいですよね。バックライトが太陽光の明るさに負けてしまうから。ですから液晶は屋外でのインフォメーションディスプレイとして使いづらいわけです。 一方VFDは自発光なので屋外でも使いやすいのです。ただし、VFDにも弱点があります。ガラスの板が使用されているので、ちょっと重いという点で液晶と比べて劣ります。 あと大型化しにくいというところですね。100インチの液晶というのは存在しますけど、100インチのVFDというのは存在しません。 というのは、VFDはガラスの板で挟んだ中を真空にしなければなりません。100インチのガラスの板を2枚用意してその中を真空にするとなると、耐圧の関係でガラスの厚みがすごいことになってしまいますからね。 小型のサイズで、室内外にも使えるということ。ですから屋内外の小型サイズのマーケットでVFDは勝負しています。
なるほど。今後も必要とされる技術なんですね。では井上さんがそんなVFDの研究開発に取り組むきっかけはなんだったのですか?
(井上)
私たち三重県工業研究所は県内企業のパートナーとして、毎年『出前キャラバン』というのをやっています。企業に出向いて、「なにか技術的に困っていませんか?」とお話を聞いて回るんです。 今回の研究開発は、シーズありきのものではなく、企業ニーズから始まったものなんです。 平成16年ぐらいに県内企業であるノリタケ伊勢電子でお話を聞いた際、VFDに関して現状抱える課題を相談されました。 そもそもVFDはノリタケ伊勢電子株式会社の元会長、故中村正さんが発明した技術で、最初のVFDは蛍光体として酸化亜鉛を使って緑色のみを表示するものでした。 その後酸化亜鉛以外にも硫化亜鉛と希土類を使った材料にすることで発光波長を変えることに成功し、RGBを表示させることができるようになりました。 つまり、RGBの組み合わせでマルチカラー化できたわけです。ところが長年点灯していると、蛍光体が劣化してしまう問題が出てきました。 硫化亜鉛の蛍光体が長年電子線を浴び続けた結果、分解するためです。そこで、耐久性のある蛍光体を作ってほしいという要望でした。
共同研究ではないけれども、県内企業の課題解決のために始まった研究なのですね。でもそんな難しそうな課題を解決できる見込みはあったのですか?
(井上)
実は酸化亜鉛の緑色蛍光体はほとんど劣化しないのです。それは酸化亜鉛が酸化物だからです。それがひとつのヒントでしたね。 たまたま私の専門がセラミックスで、この酸化物がまさにセラミックスですので、自分の得意分野じゃないかと。 そこで酸化物になにかしら結晶構造をチューニングすることによって、緑色だけじゃなく青色でも発光できる蛍光体になるだろうと考えました。
では具体的にどういう技術で緑以外の蛍光体を開発したのか教えてください。
酸化亜鉛系(特許第4670079)
酸化亜鉛系(特許第4670079)
(井上)
まず酸化物で構成された青色の蛍光体の開発から取り組みました。青色の色純度の良い発光波長とは460nm(ナノメートル)ぐらいで、緑色が520nm。 酸化亜鉛は約500nmなので、ほとんど緑色に近い光で発光するのです。ですから青色の蛍光体を開発するには、酸化亜鉛の発光波長を短くすることで実現できると考えたわけです。 そこで酸化亜鉛のうち、亜鉛のサイトに同じ2価の金属であるマグネシウムを固溶させていきます。10個の亜鉛サイトのところを8個の亜鉛と2個のマグネシウムといった割合にします。 これが我々の材料設計です。亜鉛にマグネシウムを固溶させると、500nmの波長を低波長にすることができたのです。 禁制帯(バンドギャップ)が広がって、バンドをワイド化させるからワイドバンドというんですけど、ワイド化させることによってブルーシフト(青色化)します。 我々の知見では470nmぐらいまで発光波長をシフトすることに成功しました。これはほぼ青色ですね。 今まではVFD用青色蛍光体として硫化亜鉛で実現していたのですが、私たちはそれより耐久性のある酸化物を使って作ることに成功したというわけです。
亜鉛にマグネシウムという豊富にある材料を使っていることもポイントだとか。
(井上)
私たちとしてはマグネシウムというありふれた、レアアースではないもので耐久性のある青色蛍光体を開発したということも大きな特長と考えています。 一時中国がレアアースの輸出規制をして非常に問題になったことがありましたよね。業界が大変だった時期がありました。 実は私たちがこの開発を始めたときはそれより前だったんですが、そんな一件があって以来、注目されるようになりました。蛍光体の業界は、 ユーロピウムやセリウムといった希土類を使うほうが材料チューニングがしやすいので、今でも希土類が使われているのです。 従来品の青色蛍光体でガリウムを使ったものがあるんですが、それは高額なんです。やっぱり限りある資源を大切に使いたいということで。 私たちとしては地元の企業が手を出しやすい価格帯ということを考えて、『希土類フリー』という観点で蛍光体開発をしています。やっぱり高いものを使うのではなくコストも安く抑えたいと。 
公設試の概要
Public research organization
三重県工業研究所
三重県津市高茶屋5-5-45
湯浅幸久
三重県ホームページ|三重県工業研究所外部リンク
TE
059-234-4036
FA
059-234-3982
E -Mail
kougi@pref.mie.jp
三重県工業研究所外観写真

このページに関するお問い合わせ先

中部経済産業局 総務企画部 情報公開・広報室
住所:〒460‐8510 愛知県名古屋市中区三の丸二丁目五番二号
電話番号:052-951-0535
FAX番号:052-951-0557

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