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LEDとは、そもそも何なのか?



LEDとは、そもそも何なのか?そんな素朴な疑問を持った事があるでしょうか。
今まで何となく使っていた「LED」について、意味や呼び方から、 構造や光る仕組みなど根本的なことを出来るだけ分かりやすく触れるとともに、その歴史についてもご紹介してまいります。

[ 1 ] LEDとは?

LEDとは、「Light Emitting Diode」という英語の略で、直訳すると、光を放つダイオードという意味。
LEDは、電気を流すと光る性質を持つ半導体(※)です。日本語で発光ダイオードとも呼ばれます。

※半導体とは
物質には銅やアルミニウムのように電気を通す「導体」と、ゴムやガラスのように電気を通さない「絶縁体」とがあり、半導体とはその中間の性質を備えた物質です。 半導体は、人間が与える条件によって、電気を通したり、通さなかったりします。
今まさに皆さんが見ているパソコンやスマートフォンの中にも、半導体がたくさん使われているわけですが、LEDはそれらの仲間で、 「電気を流すと光る」という特別な性質を持っています。

LED(発光ダイオード)は、Ga(ガリウム)、N(窒素)、 In(インジウム)、Al(アルミニウム)、P(リン)、As(ヒ素)などを合成して作られます。 LEDは、これらの元素により構成された化合物で、これがLEDと呼ばれる半導体です。 この半導体を構成する材料によって、放出する光の波長(発光色)が決まります。

※半導体には、一種類の元素(si(シリコン)、ge(ゲルマニウム)等)からなる「単元素半導体」と、 複数の異なる元素からなる「化合物半導体」(GaAs(ガリウムヒ素)、InP(インジウムリン)、アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)等)に分類されますが、 LEDには、ほとんど化合物半導体が使われています。 LEDの発光色と波長については、こちらで詳しく解説しています。

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[ 2 ] LEDを機能させる(光るようにする) <LEDパッケージ>

半導体として作られたLED素子は、そのままでは機能することができません。
電気を流せるようにするために、LED素子に電極をワイヤーでつないで取り付け、樹脂で包むように封をして成型されます。

このように、「LEDパッケージ」にして仕上げることで始めて、LEDとして機能できるようになります。
そして、これがLEDとして機能する最小単位の部品です。



秋葉原の電子部品屋さんなどで、こういった部品単位のLEDを購入する事ができます。
これらのLED電子部品に、リード線をハンダ付けして、電池につないで点灯させる事ができますので、個人でも電子工作に利用されています。

LEDパッケージには、大きく分けて、表面実装型(SMD)と、砲弾型(リードフレーム型) の2種類の形態があり、よく、「チップLED」、「砲弾型LED(3mmLED、5mmLED)」などと呼ばれて販売されています。

LEDパッケージの仕組みや構造について詳しく知りたい方はこちら

身の回りの様々なLED製品には、このようにパッケージして生産された小さなLED電子部品が内部に組み込まれていて、それが光っているというわけです。

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[ 3 ] 白熱電球や蛍光灯との違い

LEDは、なぜ従来の光源より効率が良く、消費電力の少ない光源と言われるのか。
他の光源との発光原理の違いから、その理由が分かってきます。

●白熱電球の光る仕組み
白熱電球の発光原理は、フィラメント(※)と呼ばれる細い金属線を熱することによって光を発生させる仕組み。

※フィラメントとは
もともとは「細い糸」という意味で、電気を通すと抵抗体となる細い金属線です。
白熱電球のガラス球の中をのぞいて見ると、ぐるぐると巻かれたバネのような形状のものがありますが、これがフィラメントです。 非常に高温に強いタングステンという金属の線で、電流を流すと2000℃以上の高温になって光を発します。
●蛍光灯の光る仕組み
蛍光灯は、蛍光管の両端の電極にフィラメントが付いており、これを熱すると、電子が反対側の電極へ放出される仕組みになっていて、 これがガラス管の中に充填されている水銀ガスにぶつかると紫外線を発生させます。 さらに発生した紫外線がガラス管の内側に塗られている蛍光塗料に当たることで、白色などの可視光(人の目に見える光)が発生するという仕組み(複雑ですね)。


●LEDの光る仕組み
LEDにフィラメントはありません。つまり熱を使って光を発生させる仕組みではありません。
LED(発光ダイオード)は、「pn接合」という基本構造を持っていて、「p型」と「n型」と呼ばれる2種類の半導体を接合して造られます。
※正孔とは、電子の抜けた穴のことで、ホールとも呼ばれます。

LEDに順方向の電圧をかけると、電子がP型半導体の方向へ流れます。 この電子が、正孔(ホール)とぶつかると結合します。その時に発生するエネルギーが光となって放出されます。
つまり、プラス(+)とマイナス(−)の電気がくっつくことによって光を発します

白熱電球や蛍光灯は、電気を一旦熱に変えてから光を発生させる仕組みなので、その分多くの電力を必要としますが、 LEDは、流れる電気をそのまま光に変換する仕組みなので、たいへん効率が良いわけです。
また、従来電球のようにフィラメントの寿命で短期間で切れてしまうということがなく、長い間使い続けられる事も大きなメリットです。

LEDの発光原理についての詳細はこちら

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[ 4 ] LEDの歴史と青色発光ダイオード

●LEDの歴史
1907年 イギリスのラウンドが炭化珪素による発光現象を発見
1927年 ソ連のローゼフが世界初のLEDを発表
1962年 アメリカのニック・ホロニアックが赤色LEDを開発
1968年 黄緑色LEDが開発される
1972年 黄色LEDが開発される
1985年 橙色LEDが開発される
1993年 実用的な高輝度青色LEDが開発される
1995年 純粋な緑色LEDが開発される
1996年 青色LED+黄色蛍光体による白色LEDが開発される
2002年 紫外光LED(UV-LED)+RGB蛍光体による白色LEDが開発される

LEDの起源としては、1907年にイギリスのラウンド(H.J.Round)がSiC(カーボランダム:炭化珪素結晶) に電圧を加えた時に発光する現象を初めて発見したと言われています。
1927年には、ソ連のローゼフ(Oleg Losev)が電子の遷移による発光現象を論文にまとめ、世界初のLEDを発表しました。

しかし、実用的なものとしては1960年代以降になって登場します。
1962年に、米国のニック・ホロニアック(Nick Holonyak.Jr:ゼネラル・エレクトリック社研究所)が、 赤色発光ダイオードを発明し、発光ダイオードの父と呼ばれています。
その後、多くの人の研究開発により、黄緑・黄・橙のLEDが開発・実用化されていきます。
これらは電子機器のパイロットランプ(表示灯)やインジケータ、電卓、時計の数字表示器など、かなり限定的な用途で利用されてきました。

LEDで白色光を作る、すなわちすべての発光色を得るためには、光の3原色(RGB)である「赤(Red)・緑(Green)・青(Brue)」 の3種類が揃う必要がありました。

日本の研究者が世界に先駆けて開発した、有名な高輝度青色発光ダイオードの実用化(1993年)により、ついに光の3原色が揃い、 様々な分野へのLED化が実現しました。

こうして、現在の一般家庭用LED電球をはじめ、街のイルミネーション電飾、液晶ディスプレイ、さらには自動車用や模型用LEDに至るまで幅広くLEDの活躍の場が広がりました。

(補足)
緑色LEDは早くからありましたが、この段階では純粋な緑色ではなく黄緑色でした。 また、青色の名で出されていたものも以前からありましたが、とても実用的に使える明るさではなく、色も純粋な青色ではありませんでした。 ノーベル物理学賞を受賞した、日本の研究者の功績により、はじめて鮮やかに光る実用的な純青色LEDが実現し、 さらにこの技術を応用することによって、純粋な緑色LEDも実現しました。
こうして念願の白色LEDの開発が実現し、幅広い分野へのLEDの応用が可能になりました。

※世界初の高輝度青色LED開発に貢献し、ノーベル物理学賞を受賞した日本の研究者 「赤崎勇氏(名城大学教授)、天野浩氏(名古屋大学教授)、中村修二氏(米カリフォルニア大サンタバーバラ校教授)」3氏。

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