#KKKKK #WHO #LED #DEW #指向性エネルギー #ξξξξξ #ккк #蛍光 #夜行性 #イエローパウダー
#発光ダイオード
使用に必要な知識[編集]
発する光の強さは電流の量におおよそ比例する。しかし特に大電流域では効率が低下する。
熱に弱く、80℃以上で素子の劣化が始まるため寿命が縮む。
発熱が少ないとはいえ、高出力品では相応に発熱する。
熱に弱いので、放熱の必要性は白熱球や蛍光灯よりむしろ高い。
ヒートシンクなどで適切に放熱しないと効率の低下や寿命の短縮で発光ダイオードの利点が失われる他、発煙・発火などの事故に繋がる事がある。
連続最大電流、瞬間最大電流を超えないこと。
定格電流より大きい電流を流すと高光束が得られるが、寿命が極端に短くなる。
LEDを使用した市販品では、寿命を犠牲にして高輝度を得ている物や価格を抑えるために電流を制限する回路を省いている物もある。
極性があることから、アノードとカソードを間違えて印加した場合発光しない。
また逆方向に対する耐電圧が低く、破壊されやすい。
並列接続してはいけない[5]。
順方向降下電圧 (VF) には個体差があり、並列に繋ぐと最も順方向降下電圧（簡単に言えば、電流が流れ始める電圧）の低い素子のみに電流が集中する。
電流の集中でさらに発熱し電気抵抗とVFの値が減少し、さらに電流の集中が促進されるという悪循環が起こる。
発光量が不均一になるだけでなく、電流が最大定格を超えれば過熱による寿命短縮や焼損の危険もある。
素子の破壊がオープンモードだった場合は、次にVFの低い素子に更に大量の電流が集中し、連鎖的に破壊が進行する。
複数のLEDを同時に点灯する場合は、可能な限り直列に繋いだ上で抵抗や能動素子で定電流制御した回路を1単位とし、この単位回路を並列に電源に繋ぐ。
ただし、複数の素子が内部で並列接続されている製品もある[6]。
GaN系などの発光ダイオードは静電気やサージ電流に弱い。
レンズ付きの発光ダイオードの場合、素子の光軸と実際に放出される光の方向は、製造過程でのばらつきのため通常一致せずわずかにずれている。
他の発光器具にも言えることではあるが直視すると、目に悪影響を与える事がある。
特に紫外線や高出力のものはその傾向が強い。
材料[編集]
放出された光の波長（色）は、pn接合を形成する素材のバンドギャップの大きさが関係する。
発光ダイオードでは近赤外線や可視光、紫外線に至る波長に対応したバンドギャップを持つ半導体材料が用いられる。
一般に発光ダイオードには発光再結合確率の高い直接遷移型の半導体が適する一方、一般的な半導体材料であるケイ素（シリコン）やゲルマニウムなど間接遷移型半導体では、電子と正孔が再結合するときに光は放出されにくい。
しかし、黄色や黄緑色に長く使われてきたGaAsP系やGaP系などドープした不純物の準位を介して強い発光を示す材料もあり、広く用いられている。
以下の素材を使用することにより、さまざまな色の発光ダイオードを作り出すことができる。
アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs) - 赤外線・赤
ガリウムヒ素リン (GaAsP) - 赤・橙・黄
インジウム窒化ガリウム (InGaN) /窒化ガリウム(GaN) /アルミニウム窒化ガリウム (AlGaN) - （橙・黄・）緑・青・紫・紫外線
リン化ガリウム (GaP) - 赤・黄・緑
セレン化亜鉛(ZnSe) - 緑・青
アルミニウムインジウムガリウムリン (AlGaInP) - 橙・黄橙・黄・緑
ダイヤモンド(C) - 紫外線
酸化亜鉛(ZnO) - 青・紫・近紫外線（開発中）
以下は基板として利用されている。
炭化珪素基板 (SiC) - 青
サファイア基板 (Al2O3) - 青
ケイ素基板 (Si) - 青（研究段階）
青色発光ダイオード[編集]
青色発光ダイオード
青色発光ダイオードは主に窒化ガリウム(GaN) を材料とする、青色の光を発する発光ダイオードである。
青色LEDとも書かれる。
日本の化学会社、日亜化学工業株式会社が大きなシェアを占めている。
他の有力メーカーとしては、豊田合成、星和電機などがある。
GaN系化合物を用いた発光ダイオードの開発とそれに続く青色半導体レーザーの実現により、紫外から純緑色の可視光短波長領域の半導体発光素子が広く実用化されるに至った。
歴史[編集]
発光ダイオードは低電力で駆動することができる光源のため、ディスプレイへの応用が期待されていた。
RGBによるフルカラー表示のためには光の三原色（赤・緑・青）の発光素子が必要であるが、このうち1980年代中頃までに純赤色は実用化されていたものの、青色は実用的な高い輝度を出す製品が無かった。
また黄緑色は早くから実用化されていたが、純緑色は青色と同じくGaN系半導体材料が用いられるため、純緑色LEDの実用化は青色LEDの登場以降である。
これらのことから、発光ダイオードによるフルカラーディスプレイの実現は困難だった。
純青色発光の実現のためセレン化亜鉛(ZnSe) 系化合物や炭化ケイ素(SiC) を用いての研究が古くから行われ、ZnSe系による青緑 - 緑色発光ダイオードの開発に至った他、SiCの青色発光ダイオードは弱い発光強度ながら市販もされた。
しかしその後、GaN系化合物による青色発光ダイオードが急速に普及したため、現在ではこれらの材料系の技術は白色発光素子や基板などの用途に転用されている。
窒化ガリウムを用いた高輝度の青色LED開発に関して、基礎技術の大部分（単結晶窒化ガリウム (GaN) やp型結晶、n型結晶の作製技術やpn接合のGaN LED）は赤崎勇、天野浩らにより実現されている。
また発光層に用いられているInGaNはNTTの松岡隆志（現・東北大学教授）らによって実現されている。
それらの技術を使って製品化したのが日亜化学工業である[7]。
2001年8月、中村修二が職務上で1993年11月に発明した（職務発明）「404特許」を巡って元勤務先の日亜化学工業を提訴し、同特許の原告への帰属権確認ないし譲渡対価を巡って係争した（青色LED訴訟）。
この訴訟は企業と職務発明者との関係について社会の関心を広く喚起し、裁判所は一審では発明の対価を約604億円と評価し200億円の支払いを命じたが、東京高裁は和解へと誘導し１審判決が認定した発明の対価約604億円の1/100 相当の6億円を「対価」として提示。
日亜は、（いずれにせよ対価の支払いが遅れていたので）遅延損害金を含む約8億4千万円を支払うことで和解が成立した。
しかし中村修二はなお納得できず、「高裁は山ほど提出した書面をまるで読まず、最初から和解金額を決めていた。
高裁の和解案の決め方は正義とは言えない」と指摘するために、滞在していたアメリカより日本に訪れるという出来事もあった[8]。
2004年12月、東北大学金属材料研究所の川崎雅司（薄膜電子材料化学）らの研究チームはより安価な酸化亜鉛を用いた青色発光ダイオードの開発に成功した。
青色LEDの再発明ともいわれている。
この成果は同年12月19日付の英科学誌ネイチャーマテリアルズ（電子版）にて発表している。
高コストの窒化ガリウムに取って代わる可能性もある。
赤崎、天野、中村の三名は青色発光ダイオードに関する業績が評価され、2014年のノーベル物理学賞を受賞した。
白色発光ダイオード[編集]
白色発光ダイオード（点灯時）
白色LEDとも書かれる。
白色光とは、一般には可視光線の全スペクトル域に渡り強度が連続している光(連続スペクトルの光)を指す用語である。
発光ダイオードで得られる発光は、レーザーほどではないものの狭い波長範囲のみに限られるため、この意味での白色光を生成することはできない。
しかし、白色のような多色光に対しては、スペクトルが異なっていても同一の色と人間の眼に認知させるようにスペクトルを設計することが可能である。
典型的には、テレビのように光の三原色を混合したり、補色関係にある2色を混合して、適切な強度比に設計すれば白色に認知される光が生成できる。
白色発光ダイオードではこの原理が利用され、具体的な手法がいくつか考案されている。
この結果、低電圧でのDC駆動などダイオードの持つ電気的な扱いやすさのみならず、光源としても高効率（低消費電力）であり、しかも寿命も既存の光源以上に長いことから、LED照明として白色発光ダイオードが利用されるなど、気体を使わない固体光源として普及が進んでいる。
蛍光体方式[編集]
青またはそれよりも波長の短い光を放つ発光ダイオードのチップに、その発光ダイオードの光により励起されて長波長の光を放つ蛍光体を組み合わせた方式。
発光ダイオードのチップは蛍光体で覆われており、点灯させると、発光ダイオードチップからの光の一部または全部が蛍光体に吸収され、蛍光はそれよりも長波長の光を放つ。
発光ダイオードのチップが青発光であれば、チップからの青色の光に蛍光体の光が混合されてともに出力される。
蛍光波長や蛍光体の厚さなどを調整すれば白色光を得ることができる。
この蛍光体には、例えばYAG系のものが用いられる。
この方式には、単一のチップとパッケージだけで白色発光が実現可能だという利点がある。
白色に認識される光を放つような白色発光ダイオードの実現には、青色発光ダイオードの存在が不可欠であった。
蛍光体による発光では、蛍光体が受けた光より短い波長の光は得られないため、赤や緑のLEDでは短波長の成分が不足し白色に認識されないからである。
そして蛍光体方式の開発により、固体光源である白色発光ダイオードが本格的に普及することとなった。
#発光ダイオード
使用に必要な知識[編集]
発する光の強さは電流の量におおよそ比例する。しかし特に大電流域では効率が低下する。
熱に弱く、80℃以上で素子の劣化が始まるため寿命が縮む。
発熱が少ないとはいえ、高出力品では相応に発熱する。
熱に弱いので、放熱の必要性は白熱球や蛍光灯よりむしろ高い。
ヒートシンクなどで適切に放熱しないと効率の低下や寿命の短縮で発光ダイオードの利点が失われる他、発煙・発火などの事故に繋がる事がある。
連続最大電流、瞬間最大電流を超えないこと。
定格電流より大きい電流を流すと高光束が得られるが、寿命が極端に短くなる。
LEDを使用した市販品では、寿命を犠牲にして高輝度を得ている物や価格を抑えるために電流を制限する回路を省いている物もある。
極性があることから、アノードとカソードを間違えて印加した場合発光しない。
また逆方向に対する耐電圧が低く、破壊されやすい。
並列接続してはいけない[5]。
順方向降下電圧 (VF) には個体差があり、並列に繋ぐと最も順方向降下電圧（簡単に言えば、電流が流れ始める電圧）の低い素子のみに電流が集中する。
電流の集中でさらに発熱し電気抵抗とVFの値が減少し、さらに電流の集中が促進されるという悪循環が起こる。
発光量が不均一になるだけでなく、電流が最大定格を超えれば過熱による寿命短縮や焼損の危険もある。
素子の破壊がオープンモードだった場合は、次にVFの低い素子に更に大量の電流が集中し、連鎖的に破壊が進行する。
複数のLEDを同時に点灯する場合は、可能な限り直列に繋いだ上で抵抗や能動素子で定電流制御した回路を1単位とし、この単位回路を並列に電源に繋ぐ。
ただし、複数の素子が内部で並列接続されている製品もある[6]。
GaN系などの発光ダイオードは静電気やサージ電流に弱い。
レンズ付きの発光ダイオードの場合、素子の光軸と実際に放出される光の方向は、製造過程でのばらつきのため通常一致せずわずかにずれている。
他の発光器具にも言えることではあるが直視すると、目に悪影響を与える事がある。
特に紫外線や高出力のものはその傾向が強い。
材料[編集]
放出された光の波長（色）は、pn接合を形成する素材のバンドギャップの大きさが関係する。
発光ダイオードでは近赤外線や可視光、紫外線に至る波長に対応したバンドギャップを持つ半導体材料が用いられる。
一般に発光ダイオードには発光再結合確率の高い直接遷移型の半導体が適する一方、一般的な半導体材料であるケイ素（シリコン）やゲルマニウムなど間接遷移型半導体では、電子と正孔が再結合するときに光は放出されにくい。
しかし、黄色や黄緑色に長く使われてきたGaAsP系やGaP系などドープした不純物の準位を介して強い発光を示す材料もあり、広く用いられている。
以下の素材を使用することにより、さまざまな色の発光ダイオードを作り出すことができる。
アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs) - 赤外線・赤
ガリウムヒ素リン (GaAsP) - 赤・橙・黄
インジウム窒化ガリウム (InGaN) /窒化ガリウム(GaN) /アルミニウム窒化ガリウム (AlGaN) - （橙・黄・）緑・青・紫・紫外線
リン化ガリウム (GaP) - 赤・黄・緑
セレン化亜鉛(ZnSe) - 緑・青
アルミニウムインジウムガリウムリン (AlGaInP) - 橙・黄橙・黄・緑
ダイヤモンド(C) - 紫外線
酸化亜鉛(ZnO) - 青・紫・近紫外線（開発中）
以下は基板として利用されている。
炭化珪素基板 (SiC) - 青
サファイア基板 (Al2O3) - 青
ケイ素基板 (Si) - 青（研究段階）
青色発光ダイオード[編集]
青色発光ダイオード
青色発光ダイオードは主に窒化ガリウム(GaN) を材料とする、青色の光を発する発光ダイオードである。
青色LEDとも書かれる。
日本の化学会社、日亜化学工業株式会社が大きなシェアを占めている。
他の有力メーカーとしては、豊田合成、星和電機などがある。
GaN系化合物を用いた発光ダイオードの開発とそれに続く青色半導体レーザーの実現により、紫外から純緑色の可視光短波長領域の半導体発光素子が広く実用化されるに至った。
歴史[編集]
発光ダイオードは低電力で駆動することができる光源のため、ディスプレイへの応用が期待されていた。
RGBによるフルカラー表示のためには光の三原色（赤・緑・青）の発光素子が必要であるが、このうち1980年代中頃までに純赤色は実用化されていたものの、青色は実用的な高い輝度を出す製品が無かった。
また黄緑色は早くから実用化されていたが、純緑色は青色と同じくGaN系半導体材料が用いられるため、純緑色LEDの実用化は青色LEDの登場以降である。
これらのことから、発光ダイオードによるフルカラーディスプレイの実現は困難だった。
純青色発光の実現のためセレン化亜鉛(ZnSe) 系化合物や炭化ケイ素(SiC) を用いての研究が古くから行われ、ZnSe系による青緑 - 緑色発光ダイオードの開発に至った他、SiCの青色発光ダイオードは弱い発光強度ながら市販もされた。
しかしその後、GaN系化合物による青色発光ダイオードが急速に普及したため、現在ではこれらの材料系の技術は白色発光素子や基板などの用途に転用されている。
窒化ガリウムを用いた高輝度の青色LED開発に関して、基礎技術の大部分（単結晶窒化ガリウム (GaN) やp型結晶、n型結晶の作製技術やpn接合のGaN LED）は赤崎勇、天野浩らにより実現されている。
また発光層に用いられているInGaNはNTTの松岡隆志（現・東北大学教授）らによって実現されている。
それらの技術を使って製品化したのが日亜化学工業である[7]。
2001年8月、中村修二が職務上で1993年11月に発明した（職務発明）「404特許」を巡って元勤務先の日亜化学工業を提訴し、同特許の原告への帰属権確認ないし譲渡対価を巡って係争した（青色LED訴訟）。
この訴訟は企業と職務発明者との関係について社会の関心を広く喚起し、裁判所は一審では発明の対価を約604億円と評価し200億円の支払いを命じたが、東京高裁は和解へと誘導し１審判決が認定した発明の対価約604億円の1/100 相当の6億円を「対価」として提示。
日亜は、（いずれにせよ対価の支払いが遅れていたので）遅延損害金を含む約8億4千万円を支払うことで和解が成立した。
しかし中村修二はなお納得できず、「高裁は山ほど提出した書面をまるで読まず、最初から和解金額を決めていた。
高裁の和解案の決め方は正義とは言えない」と指摘するために、滞在していたアメリカより日本に訪れるという出来事もあった[8]。
2004年12月、東北大学金属材料研究所の川崎雅司（薄膜電子材料化学）らの研究チームはより安価な酸化亜鉛を用いた青色発光ダイオードの開発に成功した。
青色LEDの再発明ともいわれている。
この成果は同年12月19日付の英科学誌ネイチャーマテリアルズ（電子版）にて発表している。
高コストの窒化ガリウムに取って代わる可能性もある。
赤崎、天野、中村の三名は青色発光ダイオードに関する業績が評価され、2014年のノーベル物理学賞を受賞した。
白色発光ダイオード[編集]
白色発光ダイオード（点灯時）
白色LEDとも書かれる。
白色光とは、一般には可視光線の全スペクトル域に渡り強度が連続している光(連続スペクトルの光)を指す用語である。
発光ダイオードで得られる発光は、レーザーほどではないものの狭い波長範囲のみに限られるため、この意味での白色光を生成することはできない。
しかし、白色のような多色光に対しては、スペクトルが異なっていても同一の色と人間の眼に認知させるようにスペクトルを設計することが可能である。
典型的には、テレビのように光の三原色を混合したり、補色関係にある2色を混合して、適切な強度比に設計すれば白色に認知される光が生成できる。
白色発光ダイオードではこの原理が利用され、具体的な手法がいくつか考案されている。
この結果、低電圧でのDC駆動などダイオードの持つ電気的な扱いやすさのみならず、光源としても高効率（低消費電力）であり、しかも寿命も既存の光源以上に長いことから、LED照明として白色発光ダイオードが利用されるなど、気体を使わない固体光源として普及が進んでいる。
蛍光体方式[編集]
青またはそれよりも波長の短い光を放つ発光ダイオードのチップに、その発光ダイオードの光により励起されて長波長の光を放つ蛍光体を組み合わせた方式。
発光ダイオードのチップは蛍光体で覆われており、点灯させると、発光ダイオードチップからの光の一部または全部が蛍光体に吸収され、蛍光はそれよりも長波長の光を放つ。
発光ダイオードのチップが青発光であれば、チップからの青色の光に蛍光体の光が混合されてともに出力される。
蛍光波長や蛍光体の厚さなどを調整すれば白色光を得ることができる。
この蛍光体には、例えばYAG系のものが用いられる。
この方式には、単一のチップとパッケージだけで白色発光が実現可能だという利点がある。
白色に認識される光を放つような白色発光ダイオードの実現には、青色発光ダイオードの存在が不可欠であった。
蛍光体による発光では、蛍光体が受けた光より短い波長の光は得られないため、赤や緑のLEDでは短波長の成分が不足し白色に認識されないからである。
そして蛍光体方式の開発により、固体光源である白色発光ダイオードが本格的に普及することとなった。