LED とは？ページ内リンク ↓ウィキペディア（Wikipedia）記事 ↓Yahoo!知恵袋発光ダイオード（はっこうダイオード）は、順方向に電圧を加えた際に発光する半導体素子のことである。LED (エルイーディー：Light Emitting Diode) とも呼ばれ、発光原理はエレクトロルミネセンス (EL) 効果を利用している。有機EL(Organic light-emitting diodes (OLEDs))も分類上はLEDに含まれる。 出典: 『ウィキペディア（Wikipedia）』 LED 出典: 『はてなダイアリー』 関連商品
最安値（新品）： ￥ 1,100
|
|||||||||||||||||
目次 |
発光ダイオードは、半導体を用いたpn接合と呼ばれる構造で作られている。発光はこの中で電子の持つエネルギーを直接、光エネルギーに変換することで行われ、巨視的には熱や運動の介在を必要としない。 電極から半導体に注入された電子と正孔は異なったエネルギー帯（伝導帯と価電子帯）を流れ、PN接合部付近にて禁制帯を越えて再結合する。再結合の際にほぼ禁制帯幅（バンドギャップ）に相当するエネルギーが光子、すなわち光として放出される（詳しくはPN接合の項を参照）。
放出される光の波長は、材料のバンドギャップによって決められ、基本的に単一色で自由度が低いが、青色、または紫や紫外線を発する発光ダイオードの表面に蛍光塗料を塗布することにより、白色や、電球色など様々な中間色の発光ダイオードも作られている。
他の一般的なダイオードと同様、極性を持っており、カソード（陰極）に対し、アノード（陽極）に正電圧を加えて使用する。電圧が低い間は電圧を上げていってもほとんど電流が増えず、発光もしない。ある電圧を越えると、電圧上昇に対する電流の増え方が急になり、電流量に応じて光を発するようになる。この電圧を順方向降下電圧(vf)というが、一般的なシリコンダイオードと比較して、発光ダイオードは順方向降下電圧が高い。発光色によって違うが、赤外では1.4V程度。赤色、橙色、黄色、緑色では、2.1V程度。白色、青色では、3.5V程度。紫外線LEDは最もvfが高く、4.5V～6V必要。
発光時の消費電流は表示灯用途では数mA～50mA程度だが、照明用途のものでは消費電力が数W単位の大電力の発光ダイオードも市販されており、駆動電流が1Aを超える製品もある。
逆方向に電圧を掛けた場合の耐電圧は、通常のシリコンダイオードより遙かに低く、通常はマイナス5V程度であり、これを超えると破壊されてしまう。従って、整流用途には使用することはできない。
蛍光灯や白熱灯など他の多くの光源と異なり、不要な紫外線や赤外線を含まない光が簡単に得られる。このため紫外線に敏感な文化財や芸術作品や、熱照射を嫌う物の照明に用いられる。入力電圧に対する応答が早く、通信などにも利用されるほか、照明に用いた場合は点灯と同時に最大光量が得られる。
放出された光の波長（色）は、pn接合を形成する素材のバンドギャップの大きさが関係する。発光ダイオードでは近赤外線や可視光、紫外線に至る波長に対応したバンドギャップを持つ半導体材料が用いられる。一般に発光ダイオードには発光再結合確率の高い直接遷移型の半導体が適する一方、一般的な半導体材料であるケイ素（シリコン）やゲルマニウムなど間接遷移型半導体では、電子と正孔が再結合するときに光は放出されにくい。しかし黄色や黄緑色に長く使われてきたGaAsP系やGaP系など、ドープした不純物の準位を介して強い発光を示す材料もあり、広く用いられている。
以下の素材を使用することにより、さまざまな色の発光ダイオードを作り出すことができる。
以下は基板として利用されている。
青色発光ダイオードは、主に窒化ガリウム(GaN)を材料とする、青色の光を発する発光ダイオードである。青色LEDとも書かれる。日本の化学会社、日亜化学工業株式会社が大きなシェアを占めている。他の有力メーカーとしては、豊田合成などがある。GaN系化合物を用いた発光ダイオードの開発と、それに続く青色半導体レーザーの実現により、紫外から純緑色の可視光短波長領域の半導体発光素子が広く実用化されるに至った。
発光ダイオードは低電力で駆動することができる光源なので、ディスプレイへの応用が期待されていた。しかし1980年代中頃までに、光の三原色に必要な純赤色は実用化されていたものの、青色は実用的な高い輝度を出す製品は無かった。また、黄緑色は早くから実用化されていたが、純緑色は青色と同じくGaN系半導体材料が用いられるため、純緑色LEDの実用化は青色LEDの登場以降である。これらのことから、発光ダイオードによるRGBディスプレイの実現は困難であった。
純青色発光の実現のため、セレン化亜鉛(ZnSe)系化合物や炭化珪素(SiC)を用いての研究が古くから行われ、ZnSe系による青緑～緑色発光ダイオードの開発に至った他、SiCの青色発光ダイオードは弱い発光強度ながら市販もされた。しかしその後GaN系化合物による発光ダイオードが急速に普及したため、現在ではこれらの材料系の技術は白色発光素子や基板などの用途に転用されている。
窒化ガリウムを用いた高輝度の青色LED開発に関しては日亜化学工業の中村修二が有名であるが、基礎技術の大部分（単結晶窒化ガリウム(GaN)やp型結晶、n型結晶の作製技術やpn接合のGaN LED）は赤崎勇（名古屋大学→現・名城大学教授）、天野浩（名城大学教授）等により実現されている。また、発光層に用いられているInGaNはNTTの松岡隆志（現・東北大学教授）などによって実現されており、それらの技術を使って製品化したのが日亜化学工業になる。この経緯については、日亜化学工業のHPにも掲載されている[1]。
2001年8月、中村修二（現・カリフォルニア大学サンタバーバラ校教授）が職務上で発明した（特許法上、職務発明という）「404特許」を巡って元勤務先の日亜化学工業を提訴し、同特許の原告への帰属権確認ないし譲渡対価を巡って係争した。この訴訟は、企業と職務発明者との関係について、社会の関心を広く喚起し、日本の発明史上最高金額となる８億４千万円を会社側が支払うことで和解した。
2004年12月、東北大学金属材料研究所教授の川崎雅司（薄膜電子材料化学）らの研究チームは価格が安い酸化亜鉛を用いた青色発光ダイオードの開発に成功した（青色LEDの再発明といわれている）と、12月19日付の英科学誌ネイチャーマテリアルズ（電子版）に発表した。高コストの窒化ガリウムに取って代わる可能性もある。
白色光は、可視光線の全域に渡って連続したスペクトルによって実現される光である。発光ダイオードはある狭い範囲の波長のみを発光するため、本来の意味での白色光は実現できない。しかし、人間の眼には光の三原色の混合や補色関係にある2色の混合も白色に見えるので、これを白色光の代用とする方法が幾つか考案されている。
現在の白色発光ダイオードの主流は蛍光体を用いた方式であり、一般に青黄色系擬似白色発光ダイオードと言われている。青色発光ダイオードの製造を行っている日亜化学は元々蛍光体の製造メーカーであるためこの方式を得意としている。豊田合成も同方式を用いている。これが世界初の白色発光ダイオードとされている。単一のチップとパッケージだけで白色発光が実現可能だという利点がある。
発光部分のチップは青色発光ダイオードの物を用い、それをYAG系の蛍光体で覆うと、蛍光として得られた赤から緑に渡る光と、蛍光体を透過してきた青色が合わさり、白色の発光を得ることが出来る。青を除いた蛍光体の発する光だけを取り出した場合、赤から緑に渡る様々な波長を含んでいるので黄色に見える。擬似白色発光ダイオードは非常に高いランプ効率(lm/W)の値を有することが特徴であるが、これは決してワットあたりの放射束が高いわけではない。視感度に比例する全光束に対するエネルギー効率が高いだけであって、放射束に対するエネルギー効率が良いと解釈するべきではない。つまり、人間の網膜にある色を識別する組織である錐体の分光感度は緑色と赤色で大きなオーバーラップを有するため、オレンジ-黄色の波長（約555nm付近）にスペクトルを集中すると少ないエネルギーでも明るく感じる（視感度が高い）性質がある。このため、この視感度の高い波長にスペクトルを集中した黄色と発光ダイオードの青色とを組み合わせることによって視覚上では大変に明るい白色発光ダイオードが実現できる。100 lm/Wを超えるような白色発光ダイオードはこのようにして実現される。
擬似白色発光ダイオードの演色性は、平均演色評価数(Ra)で76程度と、一般型蛍光灯(Ra67)と三波長形蛍光灯(同85)の中間に当たる[1]。ただし、現行の演色性の評価法は白熱灯や蛍光灯を前提としたもののため、発光ダイオードの演色性が見た目の印象より低く評価される傾向がある。擬似白色発光ダイオードの平均演色評価数がもっと高くなるように評価法を見直す議論もある[2]。
擬似白色発光ダイオードは世界的にインパクトを与えた青色発光ダイオードの発表の後だったため、この白色LED実現の報道は控えめであったが、業界内では大きなニュースであった。なお、蛍光体により元の光より長い波長の蛍光を得ることはできても逆はできないため、白色発光ダイオードの実現には青色発光ダイオードの存在が不可欠であった。この蛍光体方式の開発により、白色LEDの本格的な普及が始まった。
青色発光ダイオードと黄色蛍光体による白色光は、透過する青色光の割合を正確に揃えることが難しいため、製造時の色温度の個体差が大きい欠点がある。また演色性が悪い。一方で、演色性を改善しようとするとランプ効率（ルーメン/W）が低くなる。これは当時利用可能であった蛍光体材料が蛍光灯用の紫外線で励起されるものが主体で、青色で励起して緑や赤を発する適切な蛍光体が無かったことによることと、擬似白色発光ダイオードで言われる、赤色や深紅色の発色が悪いという性質を改善するために赤色系の蛍光体を多く配合した場合、赤色領域で多くの光エネルギーを発生させてもこの領域の人間の目の視感度が低いことからランプ効率上の評価が低くなってしまうという問題がある。近年の成果としては独立行政法人物質・材料研究機構がβサイアロン蛍光体の開発に成功し、これを用いることで大幅なランプ効率の向上が得られるとともに赤色や深紅色の発色の問題も解決されつつある。最近ではさらに紫～紫外線を発光する発光ダイオードが開発されている。これにより、蛍光灯同様に多色を励起・発光させ、演色性を向上させた白色LEDも登場している（例）。
その他の白色発光の実現方法として、光の三原色である赤色・緑色・青色の発光ダイオードのチップを用いて一つの発光源として白色を得る方法もある（製品例）。3色LED方式を仮に照明用としてみた場合、前述の蛍光体方式は赤～緑の帯域では曲がりなりにも連続したスペクトルなのに対して、3色LED方式は赤・緑・青の三つのピークがあるのみで、黄色およびシアンのスペクトルが大きく欠落している。3色LED方式の白色発光は、光自体は白く見えても自然光（太陽光）の白色光とはほど遠いため、それで照らされた物の色合いは太陽光の場合と異なってくる。このため照明用には適さないとされる。
照らされた物の色合いが違って見える理由を説明しよう。可視光線のうち、(1)赤色と緑色の光を反射し他を吸収する物体と、(2)黄色の光のみを反射し他を吸収する物体とがあったとする。太陽や白熱電球の光はあらゆる波長の可視光線を含むので、その下では、(1)は赤色と緑色の光が反射され、網膜の赤錐体と緑錐体を刺激して黄色に見える。(2)は黄色の光が反射され、その光が網膜の赤錐体と緑錐体の両方を刺激して黄色に見える。つまり両者とも黄色に見える。ところが、光の三原色の混合で照らした場合、(1)は赤と緑の光が反射され黄色に見えるが、(2)は赤・緑・青いずれも物体に吸収されてしまい、理論上は黒く見えることになる。実際には完全に黄色の光のみを反射して他の光を一切反射しないという物体はないので、黄色いはずのものが黒く見えるほどの極端なことにはならないが、多少色合いが異なって見えることにはなる。蛍光灯ではこの問題を解決するために5色発光や7色発光のものがあるが、それでも演色性は白熱灯に一歩譲ることになる。
この方式は3つのチップが必要で、見る角度に依存しない均一な発光色を得ることは難しい。さらにそれぞれのチップの要求する電圧が異なるので点灯回路も3系統必要である。しかし、蛍光体が発光ダイオードのチップからの発熱で劣化する問題を回避でき、各LEDの光量を調節することで任意の色彩を得られるメリットがある。また、液晶バックライトなど表示用に用いる場合は、赤・緑・青の3つの成分しか持たないことが逆に利点になり、カラーテレビなどの表示用途では色純度の高い鮮やかな表示色を得ることができる。
発光ダイオードの特性である低い消費電力で大きな光エネルギーを得られるといった特性から、照明用として注目されている。現状では下記の理由により一定以上の大電力・高出力の製品の実現が難しい。
近年、製造技術の向上によって投入電力当たりの明るさが100lm/W（ルーメン/ワット）を超える製品の開発が各社から相次いで発表されているが、あくまでも擬似白色かつ小電力での話である。100lm/Wとは必ずしも1Wの電力で100lmの光束を得られることを意味しない。定格電流50mAの製品で、3.5V×50mA=0.175Wの電力で20lmの光束を得られることも100lm/W以上と表現される。しかし、これに1Wの電力を投じても100lm以上の光束が得られることはなく、熱で破損してしまう。
しかし、今後上記の課題が克服されるにつれ、小電力・低出力の分野から順に既在の照明器具との置き換えが進んでいくと考えられている。現在、懐中電灯では置き換えが進みつつあり、常夜灯などの置き換えも始まっている。
インジウムと比較してガリウムの資源は決して逼迫はしていない。しかし、その産地が主に中国、カザフスタン、ウクライナに偏在し、これらの地域が紛争地域でもあることから、半導体材料をガリウムに依存しすぎることに懸念が広がっている。このため、酸化亜鉛やシリコン、シリコンカーバイドといった材料による実用的な青色発光ダイオードの実現が急務となっている。
発光ダイオードの基本はPN接合であるが、実際には発光効率を上げるためにダブルヘテロ接合構造や量子井戸接合構造などが用いられ、技術的には半導体レーザとの共通点が非常に多い。 製造法としては、基板の上に化学気相成長法によって、薄膜を積み重ねていく方式などが用いられる。
最も単純なものは、発光部を内包する透明樹脂部分と、2本の端子からなる。多色のLEDを内蔵したものは、3本以上の端子を持つ。
低消費電力、長寿命、小型であるため、数多くの電子機器に利用されている。特に、携帯電話のボタン照明などその特性をフルに活かして採用されているといえる。また、1つの素子で複数の色を出せるような構造のものもある。機器の動作モードによって色を変えることができるなど、機器の小型化に貢献している。
当初は輝度が小さかったため、電子機器の動作表示灯などの屋内用途に限られていたが、赤や緑の高輝度タイプのものが実用化されてからは、駅の発車標などに使用されるようになった。
高輝度の青色や白色の発光ダイオードが出回るようになってからは、競技場のスクリーンなど、フルカラーの大型ディスプレイや、電球の代わりとして懐中電灯や信号機、自動車のウィンカーやブレーキランプ、各種の照明にも利用されている。特にブレーキランプに使用した場合、電球よりブレーキペダルを踏んでから点灯するまでのタイムラグが短いため、安全性が向上する。2006年には日本初となる超高輝度LEDを用いた前照灯が、JR東海313系電車で採用された。
なお発光ダイオード自体の寿命は長いが、使用目的によっては樹脂の劣化による照度低下の進行が早くなることもあり、LED交換が必要となる程度まで照度が落ちた場合に、基板の交換も含む大規模なメンテナンスが必要とされるのが今後の課題となる。鉄道車両においては、駅での行き先表示としての役目を果たせば良いという考えから、走行中には一定の速度に達すると消灯するなど、きめ細かい制御で表示装置の長寿命化を図っているものも存在する。
近年においては信号機での利用も普及している。省エネで耐久性が高く、また太陽光などの影響を受けにくいとされている反面、従来の白熱電球式の信号機と違い、交流電源で駆動した場合、電源周波数に合わせて点滅してしまう。そのため、ドライブレコーダーに信号機の状態が写らないなどの問題が発生している。
駅の発車案内表示板や空港の発車案内板などには従来の反転フラップ式や字幕式に代わり、鉄道車両やバスの行先表示などには従来の幕式に代わり普及が進んだ。また、その他の屋外用電光掲示板においても、前述の通り電球式に代わり普及が進んでいる。
当初は赤色・緑色・橙色の3色（橙色は赤色と緑色LEDによる）によるものだったが、高輝度の白色LEDや赤色・青色・緑色LEDが安価になったことから白色LEDを搭載したものやフルカラーLEDのものも登場した。
冷陰極管が発する白色光をカラーフィルタで透過して得られる色（赤、緑、青）に比べ、発光ダイオードが放つ光は色純度が高い。そのため、液晶ディスプレイのバックライトの光源を冷陰極管から発光ダイオードに置き換えることによって、色の再現範囲を大きく広げることができる。しかしLEDは点光源のため、広い面積を照射しようとするとムラを生じやすく、バックライト用としては携帯機器用の小型ディスプレイに用いられることが主だったが、次第に12インチサイズ前後のノート型パソコンまで採用されるところまで来ている。大型ディスプレイ用のLEDバックライトとしては、 2004年11月にソニーより液晶テレビが実用化された。今後大きく普及するかどうかは全光束あたりのコスト（ドル/ルーメン）にかかっており、大型ディスプレイ用としてはこの乖離が大きい。
乗用車における利用も拡大しており、前述のテールランプに加え、アフターパーツとして室内灯やポジションランプ（スモールランプ）等が多く販売されている。 さらに、2007年5月発売のトヨタ自動車「LS600h」には小糸製作所が日亜化学工業と共同開発した世界初のLEDヘッドランプが搭載されている。LEDヘッドランプは消費電力が少なく（2007年時点では他方式に比べて大幅に少ないわけではないが）、デザイン上の自由度も高いことから、今後大量生産によりコストが下がれば多くの車種に採用される可能性がある。
自転車のライトにおけるLEDの普及率は自動車のそれとは比べ物にならない。 安売りされているような軽快車などでは相変わらず電球が主流であるが、ハブダイナモ式のオートライトにはかなり多く採用されている。 この他、前照灯としての役目より、他の自転車・自動車からの視認性を意識したハンドルライトへの応用も多い。
省エネ、高輝度で長寿命を実現できる白色LEDの開発に伴い、発熱によるエネルギー消費の大きい電球に代わり新しい屋内・屋外照明材料として期待されている。デザインや光色なども調節できるため自由度の高い照明が可能になる。現在は既存の照明に置き換わるまでには達していないが、上述の通り懐中電灯や乗用車用ランプ、常夜灯、サイド照明、街路灯、道路照明灯などLEDを利用した製品が登場し始めている。
模型用点灯光源としても、価格低減と共にかつて使用されていた小型電球の代替として使用されるようになってきた。光色の制限から、かつては赤色光への使用が主であったが、黄色、白色LEDの開発により、前照灯や室内蛍光灯の白色光の再現も可能となった。さらに白熱灯の再現については電球色（淡橙色）LEDの開発により、実際の電球ではサイズや発熱などの理由で難しかった箇所も実感的な光色の再現が可能となった。特にNゲージを中心とした鉄道模型の場合、点灯機構を組み込むスペースが限られ、また部材がABSやポリエチレン樹脂などで作られているなど、電球の発熱の面でも不利な場合があったが、通常のレンズタイプからチップタイプへの移行により、構造の小型化により実感の再現に大きく寄与し、これにより従来は実車のヘッドライト構造の関係で製品化が困難であった車種の製品化が実現した。コスト的には従来の電球使用より割高となっても、実感的な模型の実現からユーザーに歓迎された面があり、分野としての消費量は少ないながらも、実用照明器具での利用に先行して採用されている。また模型用途としては他にカーモデル用ディティールアップパーツやミニ四駆用のタミヤ純正カスタムパーツなど、改造用LEDキットが存在する。
|
||||||||||||||
All text is available under the terms of the GNU Free Documentation License.
まず商品を手にして思うことはずしりとした重量感です。
単4乾電池を1本使用しますが、乾電池の大きさからは二回り以上大きな印象を受けます。
作りは堅牢で、水は防水仕様ですので当然ですが、衝撃にもある程度耐えそうです。
私は鍵束と一緒に腰にぶら下げ、ジャラジャラ持ち歩くことを考えていましたが、
大きさ、重さともに断念しました。
(できないこともありませんが、鍵と並べると全体のバランスが悪くなります)
今はキーホルダー部分を取り外し、ネックストラップに換装した上で、
カバンの中のポーチに入れて持ち歩いています。
LED1灯のみですが、高光度仕様のLEDのためか、採用されているムーンレンズの効果か、
非常に明るく光の有効範囲も非常に広いです。
とてもよい品ですが、欲を言えばちょっとどこかに留めておくような
クリップなどが取り付けられるとよかったと思います。
このこともあり、私はネックストラップに換装しています。
（ムジラー さんのレビュー）
