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#発光ダイオード
擬似白色発光ダイオード[編集]
現在の白色発光ダイオードの主流であり、一般に青黄色系擬似白色発光ダイオードと呼ばれている。
視感度の高い波長である黄色に蛍光する蛍光体と青色発光ダイオードとを組み合わせることによって、視覚上で大変に明るい白色発光ダイオードを実現している。
青色発光ダイオードの製造を行っている日亜化学は元々蛍光体の製造メーカーであるためこの方式を得意としている。
豊田合成も同方式を用いている。
この方式により作成された白色発光ダイオードが、世界初の白色発光ダイオードとされている。
擬似白色発光ダイオードの実現は、世界的にインパクトを与えた青色発光ダイオードの発表の後だったため報道は控えめだったが、業界内では大きなニュースとなった。
擬似白色発光ダイオードは非常に高いランプ効率(lm/W) 値が得られることが特徴である。その理由には視感度が関連しており、視感度の高い波長にスペクトルを集中させた蛍光体の黄色と発光ダイオードの青色とを組み合わせることによって実現されている。
一般に、人間の網膜にて光の強度や色を識別する細胞組織である錐体は黄緑色の波長（約555nm付近）に高い分光感度を持つ（視感度が高い）。
このため、この黄緑色の波長のスペクトルに蛍光体の発光を集中させるとエネルギーの割に人は明るく感じ、視覚上大変に明るい白色発光ダイオードが実現できる。
100lm/Wを超えるような白色発光ダイオードでは、ランプ効率が高い擬似白色発光ダイオードを実現するために、全光束に対するエネルギー効率が高くなるように視感度を考慮した最適化がなされている。
なお、物理的なエネルギー効率は、物理エネルギー量を示す放射束を投入電力（ワット）で除算して計算されるため、光として取り出すことのできる光（光子数）を増すことにより高めることができるが、それのみでは視感度に対して効率の高くない波長域の光が多い場合もある。
ランプ効率を高めるには、物理的に効率が良く、かつ、視感度に適したスペクトルが得られる必要がある。
その引き替えに、特にランプ効率を優先した設計の擬似白色発光ダイオードでは演色性が低下しやすい。
一般には擬似白色発光ダイオードの平均演色評価数 (Ra) は76程度となり、一般型蛍光灯(Ra67) と三波長型蛍光灯（同85）の中間に当たる。
ただし現行の演色性の評価法は白熱灯や蛍光灯を前提としたもののため、発光ダイオードのように急峻なスペクトルを持つ光源の場合に、演色性が見た目の印象より低く評価される傾向がある。
このため、前述のような特性をもつ光源について平均演色評価数がもっと高くなるように評価法を見直す議論もある[9]。
高演色白色発光ダイオード[編集]
を組合わせた構成での白色光は、緑や赤のスペクトル成分が少ないため演色性が低い。
赤色や深紅色の発色が悪いという性質を改善するために黄色以外の蛍光体を混ぜて演色性を改善しようとすると、ランプ効率 (lm/W) が低くなる。
これは、白色発光ダイオード開発初期には青色で励起して緑や赤を発する適切な蛍光体が無く蛍光灯用の紫外線で励起される蛍光体が主体だったことと、赤色系の蛍光体を多く配合して赤色領域で多くの光エネルギーを発生させてもこの領域の人間の目の視感度が低いことからランプ効率上の評価が低くなってしまうという理由による（上述）。
また、透過して出力される青色光の割合を正確に揃えることが難しく、製造時の色温度の個体差が大きい欠点もある。
これらの点について、近年は、蛍光体と発光波長の点で進展が見られる。
蛍光体については、独立行政法人物質・材料研究機構がβサイアロン蛍光体の開発に成功し、これを用いることで大幅なランプ効率の向上が得られるとともに赤色や深紅色の発色の問題も解決されつつある。
発光波長の点では、紫 -紫外線を発光する発光ダイオードが開発されている（ただし、紫色発光ダイオードは紫外領域に近いため暗く見える比視感度の問題がある）。
これにより、蛍光灯同様に紫光または紫外光の励起により多色を発光させ、演色性を向上させた白色発光ダイオードも登場している[10]。
3色LED方式による白色発光[編集]
その他の白色発光の実現方法として、光の三原色である赤色・緑色・青色の発光ダイオードのチップを用いて1つの発光源として白色を得る方法もある[11]。
この方式は各LEDの光量を調節することで任意の色彩を得られるため、大型映像表示装置やカラー電光掲示板の発光素子として使用されている。
ただし、照明用には適さないとされる。
照明として用いることを考えた場合、蛍光体方式はある程度幅のあるスペクトルなのに対して3色LED方式は赤・緑・青の鋭い三つのピークがあるのみで黄およびシアンのスペクトルが大きく欠落している。
3色LED方式の白色発光は光自体は白く見えても自然光（太陽光）の白色光とはほど遠いため、それで照らされた物の色合いは太陽光の場合と異なってくる。
照らされた物の色合いが違って見える理由を説明する。
「演色性」も参照
可視光線のうち、
赤色と緑色の光を反射し他を吸収する物体
黄色の光のみを反射し他を吸収する物体
があったとする。
太陽や白熱電球の光はあらゆる波長の可視光線を含むのでその下では、1は赤色と緑色の光が反射され網膜の赤錐体と緑錐体を刺激して黄色に見える。
2は黄色の光が反射され、その光が網膜の赤錐体と緑錐体の両方を刺激して黄色に見える。つまり両者とも黄色に見える。
ところが光の三原色の混合で照らした場合、1は赤と緑の光が反射され黄色に見えるが2は赤・緑・青いずれも物体に吸収されてしまい、理論上は黒く見えることになる。
実際には完全に黄色の光のみを反射して他の光を一切反射しないという物体はないので黄色いはずのものが黒く見えるほどの極端なことにはならないが、多少色合いが異なって見える。
蛍光灯ではこの問題を解決するために5色発光や7色発光のものがあるが、それでも演色性は白熱灯に一歩譲る。
この方式は3つのチップが必要で、見る角度に依存しない均一な発光色を得ることは難しい。
さらにそれぞれのチップの要求する電圧が異なるので点灯回路も3系統必要である。
しかし蛍光体が発光ダイオードのチップからの発熱で劣化する問題を回避できるメリットがある。
また液晶バックライトなど表示用に用いる場合は赤・緑・青の3つの成分しか持たないことが逆に利点になり、色純度の高い鮮やかな表示色を得ることができる。
ガリウムの資源問題[編集]
インジウムと比較してガリウムの資源は逼迫していない。しかしその産地が主に中国、カザフスタン、ウクライナに偏在し、これら各国のカントリーリスクから半導体材料をガリウムに依存し過ぎることに懸念が広がっている。
このため酸化亜鉛やシリコン、炭化ケイ素といった材料による実用的な青色発光ダイオードの実現が急務となっている。
製造[編集]
発光ダイオードの基本はPN接合であるが、実際には発光効率を上げるためにダブルヘテロ接合構造や量子井戸接合構造などが用いられ、技術的には半導体レーザとの共通点が非常に多い。
製造法としては、基板の上に化学気相成長法によって、薄膜を積み重ねていく方式などが用いられる。
製品の外観[編集]
7セグメント2連表示素子
最も単純なものは、発光部を内包する透明樹脂部分と2本の端子からなる。多色のLEDを内蔵したものは、3本以上の端子を持つ。
砲弾型
チップ型
多セグメント形
7セグメント形
14セグメント形
マトリックス形
反射型
応用[編集]
3色LED方式（種別部分はフルカラーLED方式）を用いた駅の発車標
東京メトロ有楽町線市ケ谷駅
日本初の超高輝度LED前照灯
JR東海313系電車
動作インジケータにLEDを用いた機器
LEDを利用した信号機。太陽光などの影響を受けにくい
フルカラーLED方式を用いたJRN700系電車のLED式側面行先表示装置
白熱電球の代替として開発されたLED電球
低消費電力、長寿命、小型であるため数多くの電子機器に利用されている。
特に、携帯電話のボタン照明などその特性をフルに活かして採用されているといえる。
また、1つの素子で複数の色を出せるような構造のものもある。
機器の動作モードによって色を変えることができるなど、機器の小型化に貢献している。
当初は輝度が小さかったため電子機器の動作表示灯などの屋内用途に限られていたが、赤色や黄緑色の高輝度タイプのものが実用化されてからは屋外でも電球式に変わり電光掲示板に採用され、さらには駅の発車標などにも使用されるようになった。
高輝度の青色や緑色、それを応用した白色の発光ダイオードが出回るようになってからは競技場のビジョンなどのフルカラーの大型ディスプレイ、電球の代わりとして懐中電灯や信号機、自動車のウィンカーやブレーキランプ、各種の照明にも利用されている。
特にブレーキランプに使用した場合、電球よりブレーキペダルを踏んでから点灯するまでのタイムラグが短いため安全性が向上する。
2006年には日本初となる超高輝度LEDを用いた前照灯が、JR東海313系電車で採用された。
2012年5月開業の東京スカイツリーでは、夜のライトアップ照明を全てLEDで行っている。
なお、発光ダイオード自体の寿命は長いが使用目的によっては樹脂の劣化による光束低下の進行が早くなることもあり、LED交換が必要となる程度まで光束が落ちた場合に基板の交換も含む大規模なメンテナンスが必要とされるのが今後の課題となる。
鉄道車両では、駅での行き先表示としての役目を果たせば良いという考えから、走行中には側面表示が一定の速度に達すると消灯するなど、きめ細かい制御で表示装置の長寿命化を図っているものも存在する。
なお、編成前後の前面表示は表示のままであることが多い。
ちなみに側面表示は、ドットマトリックスの制御方法から、高速移動中は表示し続けていたとしても表示文字の視認が難しい。
色覚異常によって発光ダイオードの色の見分けが困難となる場合がある。
例えば1型2型の色弱の人には赤・橙・黄色・黄緑・緑のLEDは同じ色に見えてしまう。
交通信号機では緑を青緑色とすることで色覚異常でも判別できるようにしているが、交通信号機以外でも色覚障害者向けの対策が必要とされる。
光通信[編集]
現代の高速通信とコンピュータを支えているのは、LEDである。
サーバ内通信から家庭への通信までLEDを使った光ケーブルで行われている。
また国内拠点間や海外とつなぐバックボーン（基幹）回線もほとんど光ファイバー（LED使用）によるケーブルが使われている。
周波数の高い青色発光ダイオードを使うことにより、簡単に通信容量を約2倍にすることができる。
信号機[編集]
近年は、鉄道用および道路交通用信号機での利用も拡大している。
省エネルギーで耐久性が高く、また従来白熱電球にカラーレンズを組み合わせて色を表現していた従来のものと違って、反射を最小限に抑えるクリアレンズを採用しているため太陽の反射光であたかも点灯しているかのような錯覚を見手に感じさせる疑似点灯現象の防止がなされ太陽光などの影響を受けにくいとされている。
しかしながら反面、従来の白熱電球式の信号機と違い、交流電源もしくは直流でも半波整流で駆動した場合、発光原理が白熱電球と違い熱慣性がないため電源周波数に合わせて点滅してしまう。
そのためタクシーなどに交通事故の証拠撮影用として搭載されているドライブレコーダーの録画周期とLEDの消灯している周期が同期してしまうと信号表示の状態が写らず、全部消灯しているように写るなどの問題が発生している。
これを防ぐために国内向けの製品ではドライブレコーダーの周波数を、信号機の電源の60もしくは50Hzととずらす必要がある。
また、色によっては色覚異常（色弱・色盲）の人達には見えにくい事があるため、様々な対策・研究が行われている。
積雪のある地方では、LED信号機の点灯面に雪が付着して信号が見えなくなる問題が発生している。
従来は白熱電球の発熱によって融けていた着雪が、発熱の少ないLEDでは融けずに溜まってしまうためである。
着雪の対策として、点灯面が凹凸の無い平面で下向きに傾けてある「フラット型」や、点灯面にアクリル樹脂製フードをかぶせた「フード型」などの着雪防止型LED信号機が開発されている。