ポイント
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発光波長265 nm帯の高強度深紫外LEDを搭載した鉄道車両用空気殺菌モジュールを開発
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水銀ランプを用いたモジュールと比較し、殺菌の省電力化（40 %以上）を達成
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実運行中の鉄道車両内への搭載を実証、国民の健康と安全の確保、水銀廃絶、CO2削減に貢献
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 徳田 英幸）未来ICT研究所の井上振一郎室長らの研究グループは、旭化成株式会社（代表取締役社長: 工藤 幸四郎）と共同で、発光波長265 nm帯の高強度深紫外LEDを搭載した鉄道車両用空気殺菌モジュールを開発し、静岡鉄道株式会社の実運行中の鉄道車両内への搭載を実証しました。
今回開発した高強度深紫外LED空気殺菌モジュールは、従来技術の水銀ランプを使用したモジュールと比較し、空気中を浮遊するウイルスの不活性化に要する電力の大幅な削減（40 %以上）を達成しました。本モジュールは、実際に旅客運転を行っている鉄道車両へ搭載され、1か月間の試験運転を実施し、安全・安定な動作が確認されました。
本成果は、高強度深紫外LED技術により、鉄道車両内の省電力な空気殺菌を実現したものです。空気中を浮遊するウイルスを介したエアロゾル感染の脅威から国民の健康と安全を守り、また水銀廃絶による環境汚染防止や、省電力化によるCO2削減に貢献する技術として期待されます。
※本成果の一部は、環境省主管（総務省連携）委託事業「革新的な省CO2型環境衛生技術等の実用化加速のための実証事業」の一環として得られました。
背景
図1 今回開発した高強度深紫外LED空気殺菌モジュールを搭載した鉄道車両
NICTの当研究グループは、これまで、高強度な深紫外LEDの研究開発とその実用化に向けた取組を積極的に推進してきました。ナノ光構造技術を基盤としたAlGaN系深紫外LEDの研究により、深紫外LEDの単チップ当たりの世界最高出力の記録を何度も大幅に更新し、水銀ランプに匹敵する、ワット級の深紫外LEDハンディ照射機を開発するなど、本分野をリードする成果を発表してきました（2022年10月27日、2017年4月4日及び2015年4月1日の報道発表参照）。
またNICTは、ナノ光構造技術により、世界で初めて、配光角を制御できる深紫外LEDの開発に成功しており、高コストのレンズや光学部品を用いることなく、照射が必要な箇所のみに、安全性高く、効率的に深紫外光を照射できる技術の開発に成功しています（2023年11月1日の報道発表参照）。
さらにNICTは、東京大学医科学研究所と共同で、発光波長265 nm帯の深紫外LEDが、エアロゾル中の新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）に対して、極めて高い不活性化効果を有することを世界で初めて定量的に明らかにしています（2022年3月18日の報道発表参照）。
これにより、深紫外LEDは、空気中を浮遊するウイルスを介したエアロゾル感染による感染拡大を抑制するための画期的なツールになると期待されています。
近年、公共交通機関における衛生管理の重要性がますます高まっています。特に、鉄道車両のような多数の人々が密閉された空間で長時間を過ごす環境では、エアロゾル感染のリスクを低減することが喫緊の課題となっています。さらに、持続可能な社会の実現に向けて、環境負荷や消費電力の少ない殺菌技術の開発が期待されています。
深紫外線による殺菌応用では、従来、光源として水銀ランプが使用されてきました。しかし、人体や環境に有害な水銀を含むため、その早期廃絶が求められています。また、水銀ランプは、割れやすく、光源のサイズや駆動電源が大掛かりになるなど、鉄道車両へ搭載するような用途には適していませんでした。
一方、深紫外LEDは、小型・低環境負荷・長寿命などの優れた特性を有するものの、これまで、水銀ランプに比べると光出力がはるかに小さなものしかなく、鉄道車両のような広い空間内の空気を殺菌しようとした場合、その実用性に課題がありました。
今回、これらの課題を解決するため、水銀ランプに匹敵する高強度深紫外LED技術を有するNICTと、深紫外LEDの量産やアプリケーション開発において実績を有する旭化成が共同で、鉄道車両用の低環境負荷・省電力な高強度深紫外LED空気殺菌モジュールの開発を行いました。
今回の成果
今回開発した高強度深紫外LED空気殺菌モジュールを搭載した静岡鉄道株式会社の鉄道車両を図1に示します。本モジュールは、小型・軽量な深紫外LEDの特長を活かし、車両連結部の上部（かもい）内部にコンパクトに搭載され、車両内のウイルスを含む空気を吸入し、モジュール内で深紫外光照射により不活性化後、清浄な空気を排出します（補足資料 図2参照）。
本モジュールは、殺菌効率の最も高い発光ピーク波長265 nm帯の高強度深紫外LEDチップをマルチチップ実装し、流入する空気の方向と対向するように配置することで、空気中のウイルスと深紫外光の相互作用を最大化しています（補足資料 図3参照）。水銀ランプと比較して、指向性の高いLEDの特性を活かし、流入するウイルスを効率的に不活性化する構造を実現しました。
本モジュールの効果を検証するため、空気中を浮遊するウイルスに対する不活性化性能を評価しました。25 m3の空間中に試験用ウイルス（大腸菌ファージMS2）を、ネブライザー（エアロゾル発生器）を用いて噴霧し、モジュールの消費電力量及び稼働時間に対するウイルス不活性化量をプラーク法により測定しました。また、比較用として低圧水銀ランプを使用した参照用モジュールを製作し、同様の実験を行いました。
ウイルス不活性化に必要な消費電力量について評価した結果、高強度深紫外LED空気殺菌モジュールは水銀ランプを用いたモジュールに比べ、99.9 %のウイルス不活性化に要する消費電力量を40.7 %削減できることが確認されました（補足資料 図4参照）。
本モジュールは、実際に旅客運転を行っている静岡鉄道株式会社の鉄道車両へ搭載され、1か月間の試験運転を通じて、安全かつ安定した動作が確認されました。
また、500mW出力の深紫外LEDを複数個搭載した同型の別モジュールを使用し、35分の稼働で90 %、71分の稼働で99 %、106分の稼働で99.9 %のウイルスが不活性化されることが確認されました（補足資料 図5及び表1参照）。一方、水銀ランプを用いたモジュールでは、99.9 %の不活性化に188分を要しました。これにより、今回開発した高強度深紫外LEDモジュールが、水銀ランプに比べて、不活性化に要する時間を43.6 %短縮できることを明らかにしました。
今回の成果は、高強度深紫外LED技術を活用し、鉄道車両内での省電力な空気殺菌を実現したものです。本技術は、空気中のウイルスを介したエアロゾル感染のリスクを低減し、国民の健康と安全を守るとともに、水銀廃絶による環境汚染防止や、省電力化によるCO2削減にも寄与することが期待されます。
今後の展望
今後、NICT及び旭化成は、今回実証した高強度深紫外LED空気殺菌モジュールの社会実装に向けて、関連企業との連携を含めた取組を推進していきます。特に、公共交通機関や医療施設など、空気感染リスクの高い環境への採用、社会普及を目指します。これにより、安全性・快適性を備えた持続可能な社会の実現に貢献していきます。
各機関の役割分担
- 情報通信研究機構: 高強度深紫外LEDの開発・実装、全体統括
- 旭化成: モジュール化、現地試験運用
関連するNICTの過去のプレスリリース
- 2023年11月1日 「世界初、光の配光角を制御できる深紫外LEDの開発に成功」
- 2022年10月27日 「世界初、ワット級高出力動作の深紫外LED小型ハンディ照射機の開発に成功」
- 2022年3月18日 「高出力深紫外LED（265nm帯）によりエアロゾル中の新型コロナウイルスの高速不活性化に成功」
- 2017年4月4日 「150mW超（発光波長265nm）世界最高出力の深紫外LEDの開発に成功」
- 2015年4月1日 「世界最高出力（90mW超）の深紫外LEDの開発に成功」
nict.go.jp