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第126回 ますます需要が高まるLEDで、ライフスタイルも快適に!

ここ数年の間で、身の周りにLEDを利用した製品が一気に増えてきた印象がありませんか? 代表的なものは、交通信号機、自動車の灯火類、電光掲示板などですが、昨年あたりから液晶ディスプレイのバックライトや、一般的な照明器具などの分野でも、LED化が急激に進んでいます。つい先日は、大手電器メーカーも本格的にLED照明の市場に参入を始めました。

環境にやさしいLEDの誕生
 LEDの特徴は、エネルギー効率の高さと、寿命*が長いことです。60Wの白熱電球と比べると、同等の明るさを持つLED電球は、消費電力が約1/5以下、寿命は約40倍長いとされています。電球は社会全体で大量に使われているものですから、照明器具のLED化は、省資源・省エネルギー社会の実現に大きく貢献できると目されています。

*LED照明器具の「寿命」は、輝度が新品時の70%に低下した時点とするのが一般的です。

 LEDは「Light Emitting Diode」の略です。日本語では「発光ダイオード」と呼ばれる通り、通電すると発光する半導体の総称として用いられています。そのルーツをたどると、1907年、真空管の開発者を務めていたイギリスのHenry Joseph Roundが、炭化珪素に電圧をかけると発光するエレクトロ・ルミネッセンス現象を発見したことに遡ります。Roundの実験では、10Vの電圧をかけたときに炭化珪素が黄色く光り、また固体によって青、緑などさまざまな色にも光ったと記録されています。
 1924年には、ロシアのOleg Vladimirovich Losevがダイオードに電圧をかけると発光することを発見しました。その後、トランジスタの発明(1947年)などを通じて半導体の研究が進んだことで、p型(positive型:正孔*が多い)と、n型(negative:電子が多い)物質を半導体の中に入れると発光することがわかりました。
 発光原理の解明によって開発が進み、1962年にはアメリカのNick Holonyakによって、現在、一般的となっている人工的な結晶を利用したLEDの構造が考案されます。これをベースにGEが製品化した世界初のLEDは、ガリウム、ヒ素、リンの化合物半導体によるもので、赤色に光りました。ただし、その明るさは白熱電球の1/100程度で、用途はごく限られていました。

*正孔とは?:固体の結晶構造の中の電子が欠落した部分で、正の電荷を持った電子のようにふるまう。半導体などでは、自由電子とともに電荷の移動を担う「キャリア」として働く。p型半導体は、正孔の移動によって電荷の移動を行なう。n型半導体では電子がキャリアとなる。

長く輝く秘訣と今後も伸びるその市場
 では、LEDはなぜ、省電力で長寿命なのでしょうか? まずは、その構造と、発光のしくみを見てみましょう。

 ダイオードは、電極の間に電圧をかけると、一方向にだけ電流を流す半導体です。LEDチップの整流方向に電圧をかけると、内部の正孔と電子が移動して電流が流れます。移動の途中で正孔と電子がぶつかると、正孔の欠落部分に電子が結合する「再結合」という現象が起こりますが、再結合した状態のエネルギーは、もともと正孔と電子が持っていたエネルギーよりも小さくなります。この差分のエネルギーが光のエネルギーに変換され、発光するのです。また、半導体に用いる物質や結晶の構造によって、電子と正孔のエネルギーの差が変わり、これによって発光の波長帯域(スペクトル)が決まります。

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