LEDライトの原理

LED（発光ダイオード）電気エネルギーを可視光に変換できる固体半導体デバイスです。電気を直接光に変換することができます。 LEDの心臓部は半導体チップです。チップの一端をブラケットに取り付け、一端をマイナス電極、もう一端を電源のプラス電極に接続し、チップ全体をエポキシ樹脂で封止します。

半導体ウェーハは 2 つの部分から構成されます。一方の端は正孔が優勢な P 型半導体、もう一方の端は電子が主に存在する N 型半導体です。しかし、これら 2 つの半導体を接続すると、それらの間に P-N 接合が形成されます。電流がワイヤを通じてウェーハに作用すると、電子は P 領域に押し込まれ、そこで電子は正孔と再結合し、その後エネルギーが光子の形で放出されます。これがLEDの発光原理です。光の波長、つまり光の色は、P-N接合を形成する材料によって決まります。

LEDは、赤、黄、青、緑、シアン、オレンジ、紫、白の光を直接放射できます。

当初、LED は計器の表示光源として使用されていました。その後、さまざまな光色の LED が信号機や大面積のディスプレイ画面に広く使用され、経済的および社会的に良好な利益を生み出しました。 12 インチの赤信号機を例に挙げます。米国では、長寿命で低照度視覚効率の 140 ワットの白熱灯が光源として使用され、2,000 ルーメンの白色光を生成します。赤色フィルターを通過すると、光の 90% が失われ、200 ルーメンの赤色光のみが残ります。新設計のランプでは、Lumileds は 18 個の赤色 LED 光源を使用しており、同じ光効果を生み出すために回路損失を含めて合計 14 ワットの電力を消費します。自動車信号灯も LED 光源アプリケーションの重要な分野です。

一般的な照明には白色光源が必要です。 1998年には白色発光LEDの開発に成功した。この種の LED は、GaN チップとイットリウム アルミニウム ガーネット (YAG) をパッケージ化して製造されます。 GaNチップは青色光（λp=465nm、Wd=30nm）を発し、高温焼結で作られたCe3+を含むYAG蛍光体は青色光で励起された後、ピーク値550nLEDランプmの黄色光を発します。青色 LED 基板はボウル型の反射キャビティ内に設置され、YAG を混合した約 200 ～ 500nm の樹脂の薄い層で覆われています。 LED基板が発する青色光の一部は蛍光体に吸収され、青色光の残りの部分は蛍光体が発する黄色光と混合されて白色光が得られます。

InGaN/YAG白色LEDでは、YAG蛍光体の化学組成を変え、蛍光体層の厚さを調整することで、色温度3500～10000Kのさまざまな色の白色光が得られます。青色LEDで白色光を得るこの方法は、構造が簡単でコストが安く、技術の成熟度も高いため、最もよく使われています。