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物理と化学

LEDが発光する原理を解説! 他光源との消費電力・寿命も比較!

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今や多くの家庭にも普及したLEDではありますが、そのLEDがどんな仕組みで発光するかご存知でしょうか?

簡単に言いますと、LEDライトの発光の原理は半導体ダイオードのpn接合という技術が関係しています。ダイオードといえば、青色発光ダイオードの発明で2014年に3人の日本人科学者がノーベル物理学賞を受賞したことでも有名です。

今回はLEDライトの発光の原理に関わる基本バンド構造、エネルギーキャップ、さらに白熱灯や蛍光灯との消費電力・寿命の比較について図を使ってわかりやすく解説していきます、ぜひご覧ください!




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従来の光源の仕組み

フィラメント電球

LEDライトが普及する前の一般的な照明技術と言えば白熱電球ハロゲンランプなどの光源です。

これらの光源が光る仕組みは、熱を持つ物体から光が放射される黒体輻射と言う物理現象が関係しています。一般の人工光源の中では演色性に特に優れていて、写真や映画、テレビの撮影光源として広く利用されています。

ただし電力の多くが赤外線や熱として放出されるため発光効率が低いのがデメリットです。下の図では約3000℃の物体から放射される光の波長と強度の関係を示していますが、可視光線となるのはごく一部ということがわかります。
(日常用いられている100Wガス入り白熱電球では可視放射10%、赤外放射72%、残りが熱伝導による放射となっています。)

黒体輻射のグラフ

またLEDには及びませんが、同じく低消費電力が売りの光源としては蛍光灯も普及しています。

蛍光灯はガラスの中に少量のアルゴンガスと水銀が封入されています。

両端に配置されたフィラメントから放出された電子が水銀原子と高速で衝突することで水銀原子が高エネルギー状態(励起状態)になって、この状態から元の低いエネルギー状態に戻る時に紫外線が放出されて、その紫外線を蛍光物質に吸収させて代わりに可視光線を放出させることで光るようになっています。

可視光への変換効率が高いので点灯中は同じ明るさの白熱電球に比べて消費電力を約8分の1に抑えることが可能です。




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発光ダイオードって何? 光る仕組みを解説!

LEDライトの発光の原理

発光ダイオードとは、名前にダイオードとついているので半導体の仲間です。これを英語に言い換えたのがLight Emitting Diode、すなわちLEDとなります。

 
発光ダイオードの基本構造はpn接合ではありますが、実際には発光効率を上げるためにダブルヘテロ接合や量子井戸接合という技術も使われています。これらの技術について解説しますと凄く長くなるので、ここでは省略して基本的な構造についてのみ触れることにします。

半導体にはn型とp型の2種類がありますが、このn型とp型の2種類を接合させたものが半導体ダイオードとなるわけです。これに関しては以前記事にしているのでそちらをどうぞ!
半導体のn型・p型の違いとは? それぞれの電子の動きを解説!

上の記事でも触れていますが、半導体ダイオードの順方向に電圧をかけると順バイアスとなって電流が流れます。この時接合面付近ではp型とn型が再結合することになりますが、その際にエネルギーの一部が光となって外に放出されるということになります。

aapng-396

基本バンド構造

この時放出される光の波長はバンドキャップと呼ばれるエネルギーの大きさに比例し、電気エネルギーを直接光に変換しているので消費電力を抑制するのです。

 
放出される光の種類は基本的に1種類で単色光になります。発光ダイオードの研究自体は1960年代から行われていましたが、唯一純粋な青色の光を発するダイオードの発明だけできない時代が続いていました。

その壁を乗り越えたのが3人の日本人科学者です。赤崎勇さん、天野浩さん、中村修二さんの3人の科学者が1999年代初めに窒化ガリウムと言う物質を用いて発明することに成功しました。特に中村修二さんは当時日亜化学工業に在籍していて、青色発光ダイオードの製品化に大きく貢献しました。

この時に中村さんが発明した特許を巡って日亜化学工業と裁判で争ったことが2001年頃に話題となりましたが、日本ではいまだに科学者への待遇が悪いと不満のようです。

 

他光源との消費電力・寿命を比較!

最後にLEDとその他主な光源と消費電力・寿命を比較してみました。

  1. LED
    • 消費電力:7~10(W)
    • 寿命:約40000(時間)
  2. 白熱灯
    • 消費電力:60(W)
    • 寿命:1000~2000(時間)
  3. 蛍光灯
    • 消費電力:約11(W)
    • 寿命:約10000(時間)

ご覧のようにLEDライトが消費電力の低さ、寿命において他光源と圧倒しているのがわかると思います。

LEDに買い替えたくてもは値段が高いのがネックですね。しかし他の電球だと交換の頻度も高くなります。特に白熱灯に関してはLEDの40分の1くらいしか寿命がないですが、LEDと同じ時間で白熱灯は40回も交換する必要になるのです。

最初の出費こそ高いもののトータル的に見れば比較的安く抑えられるかもしれません、これを機にLEDライトへの移行を考えてみてはどうでしょうか♪

 

こちらの記事もどうぞ!

メモリのRAMとROMの違いをわかりやすく解説! 知らないと損?

コピー機の仕組みを静電気を用いて解説!

 

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-物理と化学

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