LED基礎知識

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LEDが光る原理

LEDが光る原理

LEDは「発光ダイオード」と呼ばれる半導体のことで、“LightEmitting Diode”の頭文字をとったもので、これまでの白熱ランプや蛍光ランプ・HIDランプと異なり、半導体結晶のなかで電気エネルギーが直接光に変化するしくみを応用した光源です。LEDの発光体は、発光のための物質と入出力のための電極を透明な樹脂で覆った光源であり、発光部には半導体(電気を通す導体と通さない絶縁体の間に位置するもの)が使われており、電気の(+)が動くp型半導体と(-)が動くn型半導体を合わせて通電することで(+)と(-)が衝突し接合面が発光します。

LEDの種類と構造

LEDそのものの発光原理は基本的に同じですが、形状で分類すると次のようなものがあります。

砲弾型
1)砲弾型
ドーム形状の最も一般的な形です。大きさも直径が3、5、10mmを基本に様々なサイズがあります。外観は有色拡散パッケージ、無色透明パッケージの2種類があります。発光光度よりも視野角を広く取りたい場合などは拡散パッケージが、発光色を消灯時に分からなくする場合などは無色透明が使われます。
表面実装型
2)表面実装型
LED素子をチップ形状のパッケージに封入しているため、小型化、軽量化が可能です。丸型と同様に、無色パッケージと着色パッケージが存在します。また、パッケージ内部にチップからの光を効率よく表示面に導くための反射処理を施したものもあります。

白色LEDの発光方式

白色LEDの開発

LEDは、半導体を構成する化合物を変えることで、赤・黄・橙・緑・青といった光の色を表現します。
最初に開発されたLEDは、赤色LEDでした。その後、
①1968年に緑色LED  ②1993年に青色LED  ③1996年に白色LEDが開発されました。

白色LEDの発光方式

白色LEDは、青色LEDが開発されて初めて実現しました。光は電磁波の一種で、波長によって異なる色を出します。
私たちの目はその中でも波長範囲380~780nmの間の可視光のみを捉えることができます。雨上がりの空に見える虹は、まさに私たちが判別できる色の集まりです。 光の色は、赤・青・緑を混ぜ合わせることでさまざまに表現されます。これを、光の三原色と呼びます。実は、白色は光の波長として存在しません。
3色すべてを混ぜ合わせることで、白色が現れます。
白色LEDは、青色LEDが登場して光の三原色が揃ったことで作ることが可能になった色なのです。

発光方式

LEDで白い光を作る代表的な方法に次の3つの方法があります。

発光方式
青色LED+緑色LED+赤色LED
赤・緑・青の三原色のチップを一つの発光源として、その割合により白色を発光する方式です。発熱は抑えられますが、演色性の高い白色を作るには不適で、見る角度に依存します。液晶バックパネル等には適しています。
近紫外LED+蛍光体
3波長形蛍光ランプと同じ発光方式です。
青色LED+蛍光体
青色発光ダイオードに黄色蛍光体を覆うことで白色を発光します。
発光効率は一番高いですが、赤色が不足する傾向があり、また製造時の個体差が出やすくもあります。
一般的な白色LEDです。

照明用語集

電圧(V)ボルト

電流を流すための圧力で、その単位としてボルト(V)が用いられます。一般家庭では単相100V~200Vが一般的で、工場などでは三相200Vなどが使われています。

電流(A)アンペア

電線の中を流れる電気の量をいい、その単位としてアンペア(A)が用いられます。

電力(W)ワット

電気の単位時間当たりの仕事量のことです。通常、消費電力をいいます。単位はW(ワット)で、電力(W)=電圧(V)×電流(A) になります。

消費電力量(Wh)ワットアワー

電気の使用量を表す単位がワットアワー(Wh)です。電力×使用時間で計算します。

光束(lm)ルーメン

ある光源の光の量を人間が感じる明るさで表現したもの。単位はlm(ルーメン)またはcd・sr(カンデラ・ステラジアン)。照明器具の仕様書には、全方向に放射される明るさとして「全光束」と記載されることもある。1ルーメンを1㎡に照射すると、その場所の平均光量は1ルクスになる。
90Wの白熱電球が約1,500ルーメン、40Wの白色蛍光ランプが約3,000ルーメンであるのに対して、LEDは一般的に300~500ルーメンと非常に小さいです。
ただし、白色蛍光ランプなどを使った照明器具の多くでは光を当てたい箇所以外にも光を放射したり器具内で吸収したりするなど、さまざまな損失が発生しています。反射板やレンズなどで調整していた場合でも、10~50%は無駄が出ていると言われています。この点でLEDの損失率は低いので、光束を増やす工夫がされれば光束効率の良い光源として、より幅広く活用されることになるとされています。

発光効率(lm/w)ルーメン毎ワット

ある照明器具があるエネルギーでどれだけ明るく光るかを示す指標。単位は、単位電力あたりの全光束(lm/W)。
明るさは、人間の目で見た場合を基準に考えます。ですが、人間の目は波長領域によって視感度が異なります。たとえば緑色やオレンジ色の波長は明るく感じ、発光効率も高いと判断します。逆に赤色や青色は暗く感じ、発光効率は悪いと認識してしまいます。こうした視感度に可視光線(360nm~830nm)への感度を表す比視感度係数をかけて補整し、基準値を出します。
LEDで発光効率を上げるには、LEDチップから発光する青や紫外/近紫外を効率よく吸収して発光する必要があります。

照度(lx)ルクス

照明によって照らされる面の明るさ。照射した面積における光束の量で決まります。

光度(cd)

ある光源からある方向に放射された単位立体角あたりの光の強さを、人間が感じる明るさで表現したもの。単位はカンデラ(cd)。照明器具は通常、全方向に均一に光束を放射しているわけではないため、見る方向によって明るさが少しずつ異なります。これは、一定の場所だけでなく、さまざまな場所に移動しながらも同様の照明効果を得たい利用者にとって重要です。40Wの白熱電球は40cd程度、40Wの白熱蛍光ランプは330cd程度、LEDは400cd程度です。なお、照度は面にどれくらいの光が降り注いでいるのかを見るのに対し、光度はある角度に放射されている光の量を測ります。
そのため、光源から遠ざかると光は拡散されて暗くなり、光度は下がります。

輝度(cd/㎡)

輝度

ある方向から見た光源または光源によって照らされた面の面積を光度で割って、人間が感じる明るさとして表現したもの。単位はカンデラ毎平方メートル(cd/㎡)。輝度は光源の面積あたりの明るさを表しています。よって、輝度が高くて面積の広い光源であるほど、明るいことになります。 輝度は照度と深く関係します。ある輝度の照明を物体のそばに置けば、その物体は明るく照らされ、照明を遠くに置けば物体は少し暗く照らされます。 つまり、輝度が高ければ高いほど、遠くからも明るく感じられるということです。逆に、高輝度の照明を近くに置くと、まぶしすぎて物体が見づらくなることもあります。

色温度(K)ケルビン

光源が放つ熱を光の色に対応させたもの。単位は絶対温度を扱うケルビン(K)。物質は熱を放つとき、その温度に対応する波長の光を出します。
その光と色とを対応させたものが色温度です。人間が心理的に感じる色の温度感覚とは逆で、赤色ほど温度は低く、青色ほど高くなります。
ろうそくの灯りは赤みを帯びた光で、色温度にすると約1900Kです。それに対して太陽光の色温度は約12,000Kで、青みがかった白色です(もっとも、大気中の分子などが青色を吸収してしまうので、実際に目では白っぽく見えます)。 LEDの場合、おおむね赤色LEDが約3,000K、黄色LEDが約5,000K、青色LEDが約6,500Kです。

輝度

演色性

光源による物体の色の再現性。演色評価数(平均演色評価数または特殊演色評価数)が指標。物体の色は、それを照らす光の色によってまったく異なったものに見えます。白いボールを赤い光で照らせば赤色のボールに、青い光で照らせば青色のボールに見えます。
たとえば、洋服店で購入した服の色が、店内で見た色と太陽光の下で見た色とで微妙に異なることがあります。これは店内の蛍光灯と太陽光とで演色性が違うために起こるのです。演色性は、基準光と比較してどれくらい色が違うかを数値で評価する「演色評価数」で判断します。演色評価数が高いほど、色の再現性に優れているとします。注意したいのは、演色評価数が低いからといって照明器具の性能が劣るわけではない点です。たとえば美術館やショールームなど、色を正しく見分けたい場所では高い演色性が必要です。しかし、工場や一般事務などではそれほどの演色性は求められません。
演色性の基準はCIE(国際照明委員会)で規定されており、利用環境に好ましい評価数が与えられています。