LEDとは？どのような原理・仕組みなのか？

LEDはLight Emitting(発光) Diodeの頭文字をとったもので、発光ダイオードのことです。

従来の発光素子(白熱電球など)より消費電力が少なく、かつ寿命が長いことなどから様々な照明器具や電子機器に取り入れられてきました。

そんなLEDについて、詳しく解説致します。

① 原理・仕組み

原理としては、半導体で構成されますが、p型半導体とn型半導体がくっついたpn接合によって実現したものです。

pn接合は＋電荷と－電荷を打ち消し合い、空乏層を作ります。これは、p型が＋の電荷移動で、n型が－の電荷移動で電流を生じさせる性質を持つことに拠ります。そのため通常時は電流を流さない状態が保たれます。

しかしながら、p型からn型に向かって電流を流すことで、それぞれから電荷が空乏層に流れ込み電気が運ばれる、つまり電流を生じさせます。

逆にn型から電流を流すと、それぞれの半導体の電荷移動の向きが逆となり、空乏層に電気の通り道は作られず、電流は流れません。

このように、ある一定方向にのみ電流を流す電子部品のことをダイオードと呼び、p型半導体側の電極(陽極)を「アノード」、n型半導体側の電極(陰極)を「カソード」と言います。

電子回路内においてはアノードを電源の＋側に、カソードを－側に繋ぐこととなりますが、この状態で電圧をかけることを「順方向バイアス」、アノードを－側に、カソードを＋側に繋いで電圧をかけることを「逆方向バイアス」と言います。

LEDが電流を流すことによって発光する仕組みは、ダイオードの中で＋と－の電荷がくっつき・打ち消しあい、余剰の電気エネルギーが光となって放出する現象を利用したものです。

この現象をエレクトロルミネセンス効果と言います。

白熱灯や蛍光灯などと異なりフィラメント(細い金属線)を熱して発光させる必要がないため、効率がよく、寿命も長くなります。

LEDの極性の見方は簡単です。

端子が付いており、長い方がアノード、短い方がカソード極性となります。

なお、空乏層(バンドギャップ)の大きさと、半導体の種類で発光できる色が決まります。

例えば1980年頃と早い段階で開発されていた赤色LEDはアルミニウムガリウムヒ素で。1990年代初め、日本の赤崎勇氏、天野浩氏、中村修二氏などによって発明された青色LEDは窒化ガリウムという物質で生成されています。

ちなみに光の三原色である赤・緑・青を組み合わせ、全ての色の発光を網羅したフルカラーLEDは、それぞれの色をコントロールするため端子を4本有します。この時、各色に対応したアノードが三本、見分けやすいよう最も長い端子がカソードとなります。
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また、リモコンなどで使用する赤外線LEDや紙幣などの識別で用いられる紫外線LEDといった、可視できる光以外を発光させるものも存在します。

② LEDの歴史

LEDの歴史は、「灯り」「照明」の歴史であり進化そのものです。

古来より人間は太陽が出ている時間に活動し、太陽が沈むとともにその日を終えるという生活でした。

事実、日本では明治時代に入って定時法が制度として適用されるまでは、不定時法が一般的でした。

不定時法とは日の出と日没を基準とした時刻制度で、日の出の約30分前を明け六つ、日没の約30分後を暮れ六つとして、さらに昼夜それぞれを六等分するものです。

当然冬と夏では日の出・日の入りの時刻が異なるため、昼夜の長さは変動していくこととなります。

人類が初めて使った灯りは焚火と言われているように、長らく「火」が暗闇を照らす手段の一つでしたが、火を灯し続ける油もコストがかかるとあって、やはり太陽光こそが活動のための光源であったのでしょう。

もっとも19世紀に入って石油ランプやガス灯が登場すると、人々の生活は一変します。

この頃より以降、約60年ごとに灯りの歴史は進化の節目を迎えることとなります。

その最たるものが、1879年に登場した白熱電球でしょう。

ご存知エジソンによる発明ですね。

ちなみに前述した半導体の性質もこの白熱電球で発見されたエジソン効果が基となっているくらい、人類にとって重要な存在と言えます。

なお、白熱電球は第二世代の灯りと表現されることがあります(第一世代はろうそく)。

その約60年後にあたる1938年、蛍光灯が発売。第三世代への突入です。

白熱電球は内部のフィラメントに電流を流して発熱させ、発光させるという手順を踏んでいます。

一方蛍光灯は細長いガラス管に蛍光物質を塗布し、さらに水銀蒸気を封入しています。

このガラス管に電流を流すと両端に備わったフィラメントが発熱し、電子を放出します。

この電子は内部の水銀電子とぶつかって紫外線を放出。

この紫外線は可視光ではありませんが蛍光物質に照射されることで、照明として利用できるというわけです。

白熱電球に比べて消費エネルギーが少ないため長寿命かつ電気代が安く済むとあって、一般家庭を中心に広く普及していくこととなりました。

この蛍光灯の登場から約60年。1996年に白色LEDが誕生します。

第四世代を迎えます。

もっともLEDは既に1960年代から存在していました。

ちなみに「発見」にまで話を広げると、1906年のイギリス人科学者ヘンリー・ジョセフ・ラウンドの研究にまで遡れます。

しかしながら歴史を語るうえで気をつけてほしいのが、LEDは発光する色が種類によって異なる、ということです。

前項でもご紹介したように、光の三原色である赤・緑・青を組み合わせて初めて、全色の発光を網羅することができます。

とりわけ「青色」の存在は照明という観点からは重要な存在。

1980年代頃までには既に赤色や黄緑色などのLEDが実用化されていたものの、照明にあまり使われなかったのは青色発光のLEDがなかったためと考えられます。

青色LEDは窒化ガリウムという物質で生成されていることも前述の通りですが、当時はこの物質の結晶化が難しかったのでしょう。

「20世紀中の実用化は不可能」などと言われることもあったようです。

1980年代から日本の赤崎勇氏、天野浩氏、中村修二氏らが窒化ガリウムの単結晶化を研究し、1989年についに悲願の青色LED開発に至ります。

なお、量産化にも成功できたことで、1993年から実用化に至ることとなりました。

この三氏には開発からは時を遅くしたものの、2014年にノーベル物理学賞が贈られています。

青色LEDの開発によって最も発光効率の良い白色LEDが開発されたり、光の三原色を利用したフルカラーディスプレイが製品化されたりと、LEDが私たちの生活に根付いていくのに、時間はかかりませんでした。

後述しますが、多数のメリットを抱えるLEDは現在非常に幅広く使われており、様々なシーンで欠かせない存在となっております。

Column；青色LEDは目に悪い！？

「ブルーライト・カット」という用語を聞いたことがあるかもしれません。

文字通りLED照明から出る光の影響をカットするための眼鏡等を指していますね。

確かにLEDに限らず、青色光は波長が短いため網膜に直接当たりやすく、長時間影響を受け続けていると眼精疲労やドライアイを誘発しやすくなっています。

もっともこれは、LEDには限らない、ということです。

一般社団法人日本照明工業会が公開する欧州ランプ工業会の調査によると、LED照明などの青色光は、白熱電球や蛍光ランプ等と類似しており、むしろ夏場の太陽光の一日の青色光の方がその量ははるかに大きい、とのことです。

この調査は日本のT社によっても行われており、同様の見解が得られています。

光源が何であれ、ずっと同じ光を見続けることは目に良いとは言えません。

また中には敏感に光を感じ取りやすい方もいらっしゃるでしょう。

目が疲れた、乾いていると感じた時はパソコンやスマートフォンといった光源から離れて、休憩を取るようにすることが大切です。

2.LEDを使うメリット

近年、LEDのシェアはますます拡大し、オフィスのみならず家庭内の照明器具でも取り入れられるようになってきました。併せてボタンやディプレイなど、電子機器でも用いられています。

なぜここまでLEDは広まったのか？従来の発光素子との違いは何か？そんな疑問に答えてくれる、LEDの使用のメリットをご紹介いたします。
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一方で蛍光灯に比べコストが高い、最大輝度は暗め、などとも言われていますが、前述のように様々なケースで用いられるようになってきました。

ただ便利なだけでなく、長持ちで地球にとっても人間にとっても優しいエコというのは現代社会では欠かせませんね。

ぜひLEDを取り入れてみましょう。

Column； LEDの寿命はどのくらい？

LEDの光源の寿命は、だいたい40,000時間～50,000時間程度と言われています。

これは製品にもよりますが、蛍光灯の6倍～。

またフィラメントを持たないことから基本的に球切れはせず、蛍光灯のように寿命を迎えるとチカチカするようなことはありません。

もしLEDが寿命を迎えるとすると、だんだんと暗くなることでこれを示します。

つまり、LEDの光源の寿命とはLEDモジュールの寿命となります。

そして一般的な照明で用いられるようなLEDモジュールは、LEDモジュールが点灯しなくなるまでの総点灯時間または全光速が店頭初期に計測した値の70％に下がるまでの総点灯時間の、どちらか短い方を寿命として推定しています。

なお、これは白色LEDを対象としており、カラーLEDでは光束維持率50％が寿命として推定されています。

※製造業者規定の条件下での使用を前提としています。

とは言えLEDは熱や湿気に弱く、こういった環境下に置くと劣化を早めてしまうことになりかねません。

LEDを長持ちさせるためにも、使用環境下にはよく配慮しましょう。

また小まめに消灯して一日で使う時間を短くしたり、高性能品や熱をこもらせにくい製品を購入するというのも手です。

LEDの使い方を、次項でご紹介いたします。

3.LEDの使い方

基本的に、電源とLED素子、そして抵抗器があればLEDは使うことができます。

繋ぎ方は至極簡単で、LEDのアノード側に正電源を、カソード側に負電源を接続させます。抵抗器はどちらの端子に取り付けても構いません。

スイッチング素子を使って、点灯・消灯をカチカチと繰り返すことも可能です。

しかしながら注意すべきポイントがいくつかあり、そこを抑えないとLEDの早期劣化や、用途と合わないものを購入してしまった、などといったトラブルが発生します。

LEDを正しく使うために、以下のポイントをご確認ください。

LEDを使う前に知っておきたい特性と注意点

LEDを使うためには、LEDの特性を理解する必要があります。

■極性を持つ

LEDはアノードから電流を流す必要があります。

見分け方は先ほどもご紹介しましたが、長い端子がアノード、短いものがカソードです。

アノードを＋側に、カソードを－側に接続します。

！注意！

逆方向にしてしまうと電流が流れないだけではありません。逆方向バイアスに対する耐電圧はかなり低く、電圧印加を続けるとLEDの破損の原因となります。

■順方向降下電圧(Vf)

LEDは、電圧が低いうちは反応しません。と言うのも、必要電圧以下の場合はLEDのところで電圧が降下してしまう、という現象があるのです。

ある電圧を超えると電流が流れ(順方向電流、順電流)発光する、という特性を持ちます。

この「ある電圧」を順方向降下電圧と呼び、VFと表記します。単位はVです。

順方向電流の記号はIF、単位はmA(ミリアンペア)です。

順方向降下電圧は個体によって異なりますが、LEDは他のダイオードに比べると高めです。

例えば赤外線LEDであると1.4V程度、赤やだいだい色だと2.1V程度、といった具合です。

つまり、赤色LEDを光らせるためには、電源電圧が2V以上必要、ということになります。

順方向降下電圧の数値を超えると一気に順電流がアップする、といった特性もあります。

光の強さは電流の量に比例しますが、大電流域では効率が低下する側面も持ちます。

！注意！

LEDは順方向電圧を超えると際限なく電流が流れ込んでしまいます。

定格を超えた電源電圧をかけてしまうと、寿命が一気に短くなったり破損したりといった原因になります。

抵抗やCRD(定電流ダイオード。印加される電圧が変動しても、一定の電流供給を可能にしたダイオードのこと)を取り入れて電流を制限しましょう。

必要な抵抗値の求め方は

電源電圧＝E

電流＝I

とすると、(E-VF)/Iとなります。

例えば順方向降下電圧が2VのLEDを5Vの電源電圧で使用する場合、

LEDは大体順電流15～30mAくらいで明るく光るのでここでは20mA流すとして(20mAが一般的と言われている)

(5-2)/0.02A＝150Ω

150Ωの抵抗器が必要です。

CRDは抵抗ではないので、LEDの電流値と同じ値のものを使用してください。

ちなみに超えてはならない定格として「絶対最大定格」というものがあり、規格に記載されています。必ず守ってください。

なお、20ｍAが一般的というのは一つの個体に対してです。

複数LED素子が含まれているものはもっと大きな順電流となりますし、照明器具の中には10Aにものぼるものがラインナップされています。

■熱に弱い

LEDは発熱がほとんどありませんが、耐熱効果は決して高くありません。

！注意！

前述のように10Aを超えるなどといった高出力品も存在し、そのような個体は著しい発熱がみられます。

劣化原因となるため、放熱は必須。必要な場合は、ヒートシンクなどを利用してきちんと放熱させましょう。

また、ハンダづけなども時間をかけないようにしましょう。

■LEDを並列接続した場合、VFが低い個体に電流が集中する

複数のLEDを並列させた場合、光り方にばらつきが出ることがあります。

個体によって順方向降下電圧が異なり、さらにこれが低いものに電流集中しやすい、という特性を持つためです。

光の不均一のみならず、電流が集中してしまった個体は定格を超える電流が流れ込み、発火したり破損したりといったトラブルが発生します。

しかも、一つ破損すると次の順方向降下電圧が低い個体へと電流が流れ込む、といった悪循環を起こしてしまうことも。

複数のLEDを使用する場合は、直列に繋いだうえで抵抗やCDRで電流制御した回路を1単位とし、この回路を並列にして電源に繋ぐようにしましょう。

なお、複数のLEDが内部で並列接続されている製品はこの限りではありません。

使用するLEDの種類・サイズ

お店でLEDコーナーを見ると、いくつかの形態があることがわかるでしょう。

大きく分けると次の二種類となります。

■砲弾型LED

最もよく見る二本足が砲弾型LED。リードフレーム型とも言います。

リードフレーム(半導体を固定するもの)と一体化したカップ内にLED素子が実装されたタイプです。

カップは砲弾型に成型された樹脂で、レンズとして作用します。

サイズは3mm、5mmが一般的です。

8mmや10mmといった個体もラインナップされています。

前方角度を明るく照らし、かつ遠くまで光を届けることができます。

横方向にはあまり光が出ません。

なお、砲弾型の一種として4端子を持つフラックスも存在します。

通常の2端子の砲弾型に比べて大電流を流すことができ、かつ3倍も明るさを実現します。

発熱量が出てくるので、放熱をしっかり行いましょう。

■表面実装型LED

チップLEDとも言うように、小さな基板の上にLED素子を乗せて樹脂を封入したものです。

LEDの電子部品の中でも最小単位であり、プリント基板の表面にハンダ付けすることからSurface Mount Device(表面実装)のそれぞれの頭文字をとってSMDとも呼ばれます。

チップLEDは四桁の数字が名称についていることが一般的ですが、これは個体のサイズを表します。

例えば1005は1.0mm×0.5mm、5050は5mm×5mmとなります。

定番は5050か3528となります。

小さいため密集させて繋ぐことができ、そのため砲弾型と比べると格段に明るい光を実現できます。また、広い角度に照射できることもポイント。

砲弾型と同様にアノードとカソードを持ちますが、見分け方は個体によって異なります。データシートで確認しましょう。

ただ、LED表面に電流が流れる向きを記号で表現したものもあります。

前述の通り熱に弱いという特性があるため、基板接着の際のハンダ付けは手早く行いましょう。

ブレッドボードなど、ハンダ付けの必要性がない基板を使うのも手ですね。

チップLEDの中にも大電力に対応したパワーLEDや、光る側面によってトップビュー・サイドビューなどといった区分けも存在します。

LEDの規格の見方

本項の①で解説したように、データシートで規格をしっかり確認し、誤った使い方を避けるようにしなくてはなりません。

以下の値は必ず使用前にチェックします。

■順方向降下電圧及び電流

まず確認すべきはコレ！

といったように表記されています。

LEDが発光するのに必要な電圧と、その際に流れる電流値ですが、最小値・標準値・最大値と三つの数字が記載されます。

これは誤差範囲を示したもの。

LEDは色によってある程度VFやIFが決まっている、とお話しましたが、同じ種類であっても製造過程によってばらつきが出ます。そこまで高精度が求められないためです。

標準値を基準にすることが多いかもしれませんが、使用時はその値より少し抑えた電圧印加にすることをお勧めします。

その個体にとっての最大値を超えると、思わぬ劣化に繋がる可能性があります。

■絶対最大定格

LEDの明るさは流れ込む電流の量に比例しますが、大電流域に突入すると途端に効率が落ちるばかりか、劣化・破損してしまう可能性があります。

この順電流や、印加する電圧において許容できる最大値を絶対最大定格と呼び、これを超えてはいけません。

データシートには逆電圧の場合の最大定格もまた記載されています。

極性を逆側接続した時の耐電圧は驚くほど低くなります。逆側接続をそもそもしないことはもちろん、印加電圧に気をつけてください。

■波長

赤や青など単色のLEDは、波長数値が記載されます。

nm(ナノメートル)が単位となりますが、これは「どのような色の見え方をするか」を表したもの。

ピーク波長とドミナント波長があり、ピーク波長が出力値の最大、ドミナント波長が「実際に見た時の色」の波長の値となります。

単色の個体は発光色とドミナント波長が併記されますが、慣れてくるとドミナント波長だけで何色のLEDかわかるようになります。

■指向特性

光の広がり方をグラフで表したものです。

最も明るく光る角度を100％とし、その後広範囲において光り方がどれくらい減少するか、といったものを表す値です。

砲弾型は狭く、チップ型は比較的広い範囲まで光る仕様となります。

■周囲温度

データシードの右上にTaと言う記号を見るかもしれません。

これはAmbient Temperature、周囲温度という意味です。

LEDは周囲の温度によって特性値を変化させる、という性質があります。高温になるほどVFや光度は低くなるのですが、これを言い換えると従来の発光素子では不向きだった低温環境下でも機能を発揮する、ということになります。

実際の使用で細かく気にする必要はありませんが、こういった特性がLEDが世界各地で選ばれ続けている理由の一つと言えるでしょう。

■発光効率

上記のメリットの中でも触れている、LEDの長寿命や低消費電力といった特性。これはLEDが高効率な素子であるからに他なりません。

もっともLEDデバイスは各社がこぞって開発を進める分野です。

そのためLEDの中でもきわめて高効率なデバイスもあれば、逆にそこそこのものもラインナップされています。

いったいLEDを選ぶ際に、どうやって製品ごとの効率を見極めれば良いのか・・・その答えは「消費電力」と思いがちですが、実は「発光効率」です。

白熱電球や蛍光灯とLEDを比較する時、しばしば消費電力が取沙汰されます。

しかしながらLEDの規格には「発光効率」を見て取ることができますね。

「発光効率」とはランプ効率とも呼ばれます。

これを簡単に言うと、電気エネルギーを明るさに変換できる効率のことです。

1W(ワット)あたりの光の量によってこの効率は決まり、lm(ルーメン：全光束。光源から、あらゆる方向に放射される光束の総和のこと)/Wで求めることができるため、単位もこのように表します。

ここの数値が高ければ高いほど、そのLEDの発光効率がよく、省エネな製品であることを示唆しています。

ただし、LEDはあくまで素子であり、機器・器具として用いられます。

そのためLED自体の純粋な光束のみならず、器具の電気的効率も視野に入れる必要があります。

なお、全ての規格の数値に言えることですが、LEDは製造工程の中で特性にバラつきが出る素子でもあります。

メーカーによってはランクを設け、同一ランク内ではバラつきが少なくなるよう選定していますが、あくまで数値は代表値となります。

そのためLEDの規格の中には「最小値・標準値・最大値」の三種が並んでいることがあります。