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発光ダイオード（LED）は、半導体に電流が流れると光を発する電子部品です。半導体中の電子は正孔と再結合し、光子の形でエネルギーを放出します。光の色（光子のエネルギーに対応）は、電子が半導体のバンドギャップを越えるのに必要なエネルギーによって決まります。[ 5 ]白色光は、複数の半導体を使用するか、半導体デバイス上に発光性蛍光体の層を設けることによって得られます。 [ 6 ]
1962年に実用的な電子部品として登場した初期のLEDは、低強度の赤外線（IR）光を発していた。[ 7 ]赤外線LEDは、さまざまな民生用電子機器で使用されているようなリモコン回路に使用されている。最初の可視光LEDは低強度で、赤色に限られていた。
初期のLEDは、小型の白熱電球の代替として表示灯として、また7セグメントディスプレイによく使用されていました。その後の開発により、可視光、紫外線（UV）、赤外線の波長で、高、低、または中間の光出力を持つLEDが開発されました。たとえば、室内照明や屋外照明に適した白色LEDなどです。LEDはまた、新しいタイプのディスプレイやセンサーを生み出し、その高いスイッチング速度は高度な通信技術にも利用されています。LEDは、航空照明、イルミネーションライト、ストリップライト、自動車用ヘッドランプ、広告、舞台照明、一般照明、交通信号、カメラのフラッシュ、発光壁紙、園芸用育成ライト、医療機器など、さまざまな用途で使用されています。[ 8 ]
LEDは、消費電力の低減、発熱量の削減、長寿命、耐久性の向上、小型化、高速スイッチングなど、白熱灯に比べて多くの利点があります。しかし、これらの利点と引き換えに、LEDには低電圧、一般的に直流（交流ではない）電源への電気的制限、脈動直流または交流電源からの安定した照明の提供の困難さ、動作温度および保管温度の制限といった欠点があります。
LEDは電気を光に変換する装置である。
固体ダイオードからのエレクトロルミネセンスは、1906年にマルコーニ研究所のヘンリー・ジョセフ・ラウンドによって発見され、1907年2月にElectrical World誌に掲載された。ラウンドは、さまざまな炭化ケイ素結晶に電圧をかけると、黄色、薄緑色、オレンジ色、または青色の光を発することを観察した。[ 9 ]
炭化ケイ素LEDは、 1927年にソビエトの発明家オレグ・ロセフによって作られた。[ 10 ]
商業的に実用的なLEDが利用可能になったのは、 1962年にテキサス・インスツルメンツのエンジニアがGaAsベースのダイオードからの効率的な近赤外線放射の特許を取得した後だった。 [ 11 ]商用LEDは非常に高価で、 1970年代にモンサントとヒューレット・パッカードが1個5セント未満になるまで開発するまで実用化されなかった。[ 12 ]
1990年代初頭、中村修司、天野浩、赤崎勇は青色発光ダイオードを開発し、白色照明やフルカラーLEDディスプレイを実用化した。この功績により、彼らは2014年のノーベル物理学賞を受賞した。[ 13 ] [ 14 ]
発光ダイオードでは、半導体中の電子と正孔の再結合によって光（赤外線、可視光、または紫外線）が発生します。このプロセスはエレクトロルミネセンスと呼ばれます。光の波長は、使用される半導体のエネルギーバンドギャップに依存します。これらの材料は屈折率が高いため、光を効率的に放出するには、特殊な光学コーティングやダイ形状などのデバイスの設計上の特徴が必要です。[ 15 ]
レーザーとは異なり、LEDから放出される光は、スペクトル的にも空間的にもコヒーレントではなく、高度に単色でもありません。そのスペクトルは十分に狭いため、人間の目には純粋な（飽和した）色として見えます。[ 16 ] [ 17 ]また、レーザーの特徴である非常に高い強度に近づくことはできません。
異なる半導体材料を選択することで、近赤外線から可視光、そして紫外線領域まで、狭い波長帯の光を発する単色LEDを作製することができる。発光波長が短くなる（エネルギーが高くなる、赤色から青色へ）につれて半導体のバンドギャップが大きくなるため、LEDに必要な動作電圧は上昇する。
青色LEDは、クラッド層と呼ばれる厚いGaN層に挟まれた1つ以上のInGaN量子井戸からなる活性領域を備えています。InGaN量子井戸におけるInとGaの比率を変化させることで、理論的には発光色を紫色から琥珀色まで変化させることができます。
Al/Ga比率が異なるアルミニウムガリウム窒化物（AlGaN）は、紫外線LEDのクラッド層および量子井戸層の製造に使用できますが、これらのデバイスはまだInGaN/GaN青色/緑色デバイスの効率と技術的成熟度には達していません。この場合、非合金GaNを使用して活性量子井戸層を形成すると、デバイスはピーク波長が365 nm付近を中心とする近紫外 光を発光します。InGaN/GaNシステムから製造された緑色LEDは、非窒化物材料システムで製造された緑色LEDよりもはるかに効率的で明るいですが、実用的なデバイスは依然として高輝度用途には効率が低すぎます。[ 18 ]
AlGaNとAlGaInNでは、さらに短い波長が実現可能です。波長 360～395 nm 付近の近紫外エミッターは 既に安価で、例えば、文書や紙幣の偽造防止用 UV 透かしの検査や UV 硬化のためのブラックライトランプの代替品としてよく見られます。波長が 240 nm まで短くなる、かなり高価なダイオードが市販されています。[ 19 ]微生物の光感受性は、ピークが約 260 nm であるDNAの吸収スペクトルとほぼ一致するため、250～270 nm で発光する UV LED は、将来の消毒および滅菌装置で期待されています。最近の研究では、市販の UVA LED (365 nm) が既に効果的な消毒および滅菌装置であることが示されています。 [ 20 ] UV-C波長は、窒化アルミニウム（210 nm）、[ 21 ]窒化ホウ素（215 nm）[ 22 ] [ 23 ]およびダイヤモンド（235 nm） [ 24 ] を使用して実験室で得られました。
白色発光ダイオード（WLED ）を製造する主な方法は2つあります。1つは、赤、緑、青の3原色を発光する個々のLEDを使用し、それらを混合して白色光を生成する方法です。もう1つの、より一般的な方法は、蛍光体材料を使用して、青色またはUV LEDからの単色光を蛍光灯と同様に広帯域の白色光に変換する方法です。黄色の蛍光体は、パッケージ内に懸架されているか、LED上にコーティングされたセリウム添加YAG結晶でできています。このYAG蛍光体により、白色LEDは消灯時に黄色に見え、部分的な蛍光体変換を行うLEDでは、結晶間の隙間から青色光が透過します。あるいは、白色LEDには、マンガン(IV)添加フッ化ケイ酸カリウム（PFS）などの他の蛍光体を使用することもできます。PFSは赤色光の生成を助け、従来のCe:YAG蛍光体と組み合わせて使用されます。
PFS蛍光体を用いたLEDでは、青色光の一部が蛍光体を透過し、Ce:YAG蛍光体は青色光を緑色光と赤色（黄色）光に変換し、PFS蛍光体は青色光を赤色光に変換します。白色蛍光体変換型LEDやその他の蛍光体変換型LEDの色発光スペクトルまたは色温度は、LEDパッケージで使用される蛍光体混合物を構成する複数の蛍光体の濃度を変更することによって制御できます。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
生成される光の「白色度」は、人間の目に合うように設計されている。メタメリズム（色相の反転）のため、白く見えるスペクトルは大きく異なる場合がある。スペクトルが変化すると、その光で照らされた物体の見え方も変わる可能性がある。これは演色性の問題であり、色温度とは全く別物である。オレンジ色やシアン色の物体は、LEDや蛍光体が反射する波長を発光しないため、実際よりも暗い色に見えることがある。最高の演色性を持つLEDは、複数の蛍光体を混合して使用することで、効率は低下するものの、演色性を向上させる。
最初の白色発光ダイオード（LED）は1996年の秋に販売開始されました。[ 29 ]日亜化学工業は、 Ce:YAG蛍光体を使用した青色LEDをベースにした最初の白色LEDをいくつか製造しました。[ 30 ] Ce:YAGは、チョクラルスキー法を使用して成長されることが多いです。[ 31 ]
赤、緑、青の光源を混合して白色光を生成するには、色の混合を制御する電子回路が必要です。LEDは発光パターンがわずかに異なるため、RGB光源が単一のパッケージに入っていても、視角によって色のバランスが変わる可能性があります。そのため、RGBダイオードは白色照明の生成にはほとんど使用されません。しかしながら、この方法はさまざまな色を柔軟に混合できるため多くの用途があり、[ 32 ]原理的には、このメカニズムは白色光の生成においてより高い量子効率も有しています。[ 33 ]
多色白色LEDには、二色、三色、四色白色LEDなど、いくつかの種類があります。これらの異なる方式に共通する重要な要素として、色の安定性、演色性、発光効率が挙げられます。多くの場合、効率が高いほど演色性は低くなり、発光効率と演色性の間にトレードオフが生じます。例えば、二色白色LEDは最高の発光効率（120 lm/W）を持ちますが、演色性は最も低くなります。四色白色LEDは優れた演色性を持ちますが、発光効率が低い場合が多いです。三色白色LEDはその中間で、良好な発光効率（>70 lm/W）とまずまずの演色性の両方を備えています。[ 34 ]
課題の一つは、より効率的な緑色LEDの開発である。緑色LEDの理論上の最大効率は1ワットあたり683ルーメンだが、2010年時点では、1ワットあたり100ルーメンを超える緑色LEDはほとんど存在しない。青色と赤色のLEDは、理論上の限界に近づいている。
マルチカラーLEDは、さまざまな色の光を生成する手段を提供します。知覚できるほとんどの色は、 3つの原色をさまざまな割合で混合することによって生成できます。これにより、正確な動的な色制御が可能になります。発光パワーは温度の上昇とともに指数関数的に減衰し、 [ 35 ] 色の安定性が大幅に変化します。このような問題は、産業用途を妨げます。蛍光体のないマルチカラーLEDは、各LEDが狭帯域光源であるため、良好な演色性を提供できません。蛍光体のないLEDは、一般的な照明には劣るソリューションですが、LCDバックライトまたは直接LEDベースのピクセルのいずれであっても、ディスプレイには最適なソリューションです。
多色LED光源を白熱電球の特性に合わせるように調光することは、製造上のばらつき、経年劣化、温度変化によって実際の色値が変化するため困難です。白熱電球の調光の様子を再現するには、LEDに色センサーを備えたフィードバックシステムが必要となり、色を積極的に監視および制御する必要があります。[ 36 ]
この方法は、 1色のLED（主にInGaN製の青色LED ）に異なる色の蛍光体をコーティングして白色光を生成するもので、結果として得られるLEDは蛍光体ベースまたは蛍光体変換白色LED（pcLED）と呼ばれます。 [ 37 ]青色光の一部はストークスシフトを起こし、波長が短いものから長いものへと変化します。元のLEDの色に応じて、さまざまな色の蛍光体が使用されます。異なる色の蛍光体層を複数使用することで、発光スペクトルが広がり、演色評価数（CRI）が効果的に向上します。[ 38 ]
蛍光体ベースのLEDは、ストークスシフトによる熱損失やその他の蛍光体関連の問題により効率が低下します。通常のLEDと比較した発光効率は、結果として得られる光出力のスペクトル分布とLED自体の元の波長に依存します。たとえば、一般的なYAG黄色蛍光体ベースの白色LEDの発光効率は、人間の目が青色よりも黄色に対して感度が高いため（輝度関数でモデル化されているように）、元の青色LEDの発光効率の3～5倍になります。
製造が簡単なため、蛍光体法は依然として高輝度白色LEDを製造する最も一般的な方法です。蛍光体変換を用いた単色発光体を使用した光源または照明器具の設計と製造は、複雑なRGBシステムよりも簡単で安価であり、現在市場に出回っている高輝度白色LEDの大部分は蛍光体光変換を使用して製造されています。[ 39 ]
LEDベースの白色光源の効率向上において直面している課題の一つは、より効率的な蛍光体の開発である。2010年現在、最も効率的な黄色蛍光体は依然としてYAG蛍光体であり、ストークスシフト損失は10%未満である。LEDチップ内およびLEDパッケージ自体での再吸収による内部光学損失に起因する損失は、通常、さらに10%から30%の損失となる。現在、蛍光体LEDの開発分野では、これらのデバイスの光出力と動作温度の最適化に多大な努力が注がれている。例えば、より優れたパッケージ設計を採用したり、より適切な種類の蛍光体を使用したりすることで効率を向上させることができる。蛍光体の厚さのばらつきという問題に対処するために、コンフォーマルコーティングプロセスが頻繁に用いられている。
蛍光体ベースの白色LEDの中には、蛍光体コーティングされたエポキシ樹脂の中にInGaN青色LEDを封入しているものがある。あるいは、LEDは、蛍光体材料でコーティングされた成形済みのポリカーボネート片であるリモート蛍光体と組み合わせられることもある。リモート蛍光体はより拡散した光を提供するため、多くの用途で望ましい。リモート蛍光体設計は、LEDの発光スペクトルの変動に対してもより寛容である。一般的な黄色蛍光体材料は、セリウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ce 3+ :YAG）である。[ 40 ]
白色LEDは、近紫外線（NUV）LEDに、赤色と青色を発光する高効率ユーロピウム系蛍光体と、緑色を発光する銅およびアルミニウム添加硫化亜鉛（ZnS:Cu, Al）の混合物をコーティングすることによっても作製できます。これは蛍光灯の動作原理に類似した方法です。この方法は、ストークスシフトが大きいため、YAG:Ce蛍光体を用いた青色LEDよりも効率は劣りますが、スペクトル特性が優れており、色再現性が向上します。紫外線LEDは青色LEDよりも放射出力が高いため、どちらの方法も同程度の明るさを提供します。懸念されるのは、故障した光源から紫外線が漏れ出し、人間の目や皮膚に害を及ぼす可能性があることです。[ 41 ]
200 mmシリコンウェハを使用して白色LEDを製造するために、窒化ガリウムオンシリコン（GaN-on-Si）で構成された新しいタイプのウェハが使用されています。これにより、比較的小さい100 mmまたは150 mmウェハサイズで通常使用される高価なサファイア基板が不要になります。 [ 42 ]サファイア装置は、そうでなければ無駄になる光を反射するために、鏡のようなコレクタと組み合わせる必要があります。2020年には、すべてのGaN LEDの40%がGaN-on-Siで作られると予測されました。[ 43 ]
市場には、RGBユニットと蛍光体白色LEDを組み合わせたRGBW LEDが存在する。これにより、RGB LEDの極めて調整可能な色を維持しつつ、白色に近い色を選択した場合の色再現性と効率を最適化できる。[ 44 ]
一部の蛍光体白色LEDユニットは「色温度調整可能白色」で、2つの極端な色温度（一般的に2700Kと6500K）をブレンドして中間値を生成します。この機能により、ユーザーは多目的室の現在の用途に合わせて照明を変更できます。[ 45 ]色度図上の直線で示されているように、単純な2つの白色のブレンドはピンクに偏り、中央で最も顕著になります。別のLEDから提供される少量の緑色の光で問題を修正できます。[ 46 ]一部の製品はRGBWW、つまり色温度調整可能なRGBWです。[ 47 ]
混合光を備えた白色LEDの最後の種類は、調光して暖色に変化させるものです。これらは、通常の2700K白色LED電球に、調光時に点灯する小さな赤色LEDが組み込まれています。これにより色が暖色になり、白熱電球を模倣します。[ 47 ]
実験的な白色LEDは、ZnSe基板上にホモエピタキシャル成長させたセレン化亜鉛（ZnSe）を用いて開発されました。これらのLEDには、従来の白色LEDに見られる黄色の蛍光体がありません。[ 48 ] ZnSe LEDでは、活性領域が青色の光を発し、導電性のZnSe基板が黄色の光を発するため、白色光が出力されます。研究者らは、これらのLEDは従来の白色LEDよりも低い動作電圧と広い色温度範囲を提供すると示唆しています。[ 49 ]
有機発光ダイオード（OLED）では、ダイオードの発光層を構成するエレクトロルミネッセンス材料は有機化合物である。有機材料は、分子全体または一部にわたる共役によって生じるπ電子の非局在化により電気伝導性を持ち、そのため有機半導体として機能する。[ 50 ]有機材料は、結晶相の小さな有機分子、またはポリマーである。[ 51 ]
OLEDの潜在的な利点としては、薄型で低コストのディスプレイ、低駆動電圧、広い視野角、高コントラスト、高色域などが挙げられます。[ 52 ]ポリマーLEDには、印刷可能で柔軟なディスプレイという利点もあります。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] OLEDは、携帯電話、デジタルカメラ、照明、テレビなどの携帯電子機器の視覚ディスプレイの製造に使用されています。[ 51 ] [ 52 ]
LEDは用途に応じて様々なパッケージで製造されています。1つまたは数個のLED接合部を小型デバイスに集積し、表示灯やパイロットランプとして使用することもあります。LEDアレイには、同じパッケージ内に制御回路を内蔵している場合もあり、その制御回路は単純な抵抗器、点滅制御、色変更制御、RGBデバイス用のアドレス指定可能なコントローラなど多岐にわたります。高出力の白色発光デバイスはヒートシンクに取り付けられ、照明として使用されます。ドットマトリクスまたはバー形式の英数字表示器も広く普及しています。特殊なパッケージを使用すれば、LEDを光ファイバーに接続して高速データ通信リンクを実現することも可能です。
これらは主にインジケータとして使用されるシングルダイLEDで、1.8mm から10mmまでのさまざまなサイズがあり 、スルーホールパッケージと表面実装パッケージがあります。[ 56 ]標準的な電流定格は、約1mAから 20mA以上です 。LEDは、装飾によく使用されるLEDテープを形成するために、フレキシブルPCBストリップにはんだ付けできます。
一般的なパッケージ形状には、ドーム型または平らな上面を持つ円形、平らな上面を持つ長方形（棒グラフ表示で使用されるもの）、平らな上面を持つ三角形または正方形などがあります。カプセル化は、コントラストと視野角を改善するために透明または着色されている場合もあります。赤外線デバイスは、Osram SFH 4546 のように、赤外線を透過させながら可視光を遮断するために黒色になっている場合があります。[ 57 ]
5V および12V LEDは、 5Vまたは12V電源 に直接接続するための直列抵抗を備えた通常の小型LEDです。[ 58 ]
高出力LED（HP-LED）または高出力LED（HO-LED）は、他のLEDの数十mAに比べて、数百mAから1アンペアを超える電流で駆動できます。中には1000ルーメンを超える光を発するものもあります。[ 59 ] [ 60 ]最大300W/cm2のLED電力密度が達成されています。過熱は破壊的であるため、HP-LEDは放熱を可能にするためにヒートシンクに取り付ける必要があります。HP-LEDからの熱が除去されないと、デバイスは数秒で故障します。1つのHP-LEDは、懐中電灯の白熱電球の代わりになることが多く、また、アレイ状に配置して強力なLEDランプを形成することもできます。
このカテゴリーのHP-LEDには、日亜化学工業の19シリーズ、ルミレッズのレベルLED、オスラムオプトセミコンダクターのゴールデンドラゴン、クリーのXランプなどがあります。2009年9月現在、クリーが製造するHP-LEDの中には105 lm/Wを超えるものもあります。[ 61 ]
ハイツの法則（LEDの光出力と効率が時間とともに指数関数的に増加すると予測する法則）の例としては、 2009年に105 lm/Wを達成したCREE XP-GシリーズLED [ 61 ] や、 2010年に発売された典型的な効率が140 lm/Wの日亜化学工業19シリーズ[ 62 ]などが挙げられる。
ソウル半導体が開発したLEDは、DCコンバータなしでAC電源で動作できます。各半サイクルで、LEDの一部が発光し、一部が消灯し、次の半サイクルでこれが反転します。このタイプのHP-LEDの効率は通常40 lm/Wです。[ 63 ]多数のLED素子を直列に接続すれば、ライン電圧から直接動作させることができます。2009年、ソウル半導体は、シンプルな制御回路でAC電源から駆動できる高DC電圧LED「Acrich MJT」を発売しました。これらのLEDの低消費電力により、従来のAC LED設計よりも柔軟性が高まります。[ 64 ]
LEDストリップライトは、表面実装型LEDやその他の部品が実装されたフレキシブル回路基板で、通常は粘着テープが付いています。LEDランプは、その美観、機能性、柔軟性から、個人、業務用、趣味の分野で広く採用されています。従来、ストリップライトは、アクセント照明、バックライト、作業照明、コーブ照明などの装飾照明用途にのみ使用されていました。
LEDストリップライトは2000年代初頭に初めて製造されました。それ以来、発光効率の向上と高出力SMDの登場により、高輝度作業照明、蛍光灯やハロゲン照明器具の代替、間接照明、製造工程における紫外線検査、舞台美術や衣装デザイン、植物栽培など、幅広い用途で利用されるようになりました。
LEDストリップには様々な種類があり、それぞれ異なるコードネームとLEDの種類があります。入力電力、LEDの間隔、色数など、様々な点で違いがあります。
LEDやその他のダイオードの電流は印加電圧に対して指数関数的に増加するため（ショックレーダイオード方程式を参照）、電圧のわずかな変化が電流の大きな変化を引き起こす可能性があります。LEDを流れる電流は、損傷を防ぐために定電流源などの外部回路によって制御する必要があります。[ 75 ]
LEDは電圧に敏感です。しきい値電圧以上の電圧と定格電流以下の電流を供給する必要があります。印加電圧がわずかに変化すると、電流と寿命が大きく変化します。そのため、電流制御電源（インジケータLEDの場合は通常直列抵抗のみ）が必要です。[ 76 ]
効率低下：LEDの効率は電流が増加するにつれて低下します。電流が増加すると発熱も増加し、LEDの寿命を損ないます。これらの影響により、高出力アプリケーションではLEDを流れる電流に実際的な制限が生じます。[ 77 ]
従来の白熱電球とは異なり、LEDはダイオードの順方向に電圧が印加された場合にのみ点灯します。逆方向に電圧が印加された場合は電流は流れず、光も発せられません。逆方向電圧が降伏電圧（通常約5ボルト）を超えると、大電流が流れてLEDが損傷します。逆方向電流が損傷を防ぐのに十分な程度に制限されていれば、逆方向導通LEDは有用なノイズダイオードとなります。
定義上、ダイオードのエネルギーバンドギャップは、順方向バイアス時よりも逆方向バイアス時の方が高くなります。バンドギャップエネルギーは発光波長を決定するため、逆方向バイアス時には発光色は変化しません。逆方向降伏電圧が非常に高いため、発光波長が順方向バイアス時と十分に近似することはできず、可視光として認識できません。各方向に異なる色のLEDを搭載したデュアルLEDパッケージは存在しますが、単一のLED素子が逆方向バイアス時に可視光を発光することは期待できません。
逆バイアスモードでのみ発光するツェナーダイオードが存在するかどうかは不明である。このタイプのLEDは、逆接続時に導通するという特異な性質を持つ。
LEDの製造には、エピタキシャル成長、チップ処理、チップ分離、パッケージングなど、複数の工程が含まれます。[ 87 ]
一般的なLED製造プロセスでは、プロービング、ダイシング、ウェハからパッケージへのダイの移送、ワイヤボンディングまたはフリップチップマウントの後に、透明な電気伝導体である酸化インジウムスズ（ ITO）を使用して封止が行われます[ 88 ]。この場合、ボンディングワイヤはLEDに堆積されたITOフィルムに接続されます。
フリップチップ回路オンボード（COB）は、LEDの製造に使用できる技術です。[ 89 ]
従来のLEDは、さまざまな無機半導体材料から作られています。以下の表は、波長範囲、電圧降下、材料とともに利用可能な色を示しています。
LEDの用途は大きく5つのカテゴリーに分類されます。
園芸におけるLEDの応用は、エネルギー効率が高くカスタマイズ可能な照明ソリューションを提供することで植物の栽培に革命をもたらし、植物の成長と発達を最適化しました。[ 101 ] LEDは光スペクトル、強度、光周期を精密に制御できるため、栽培者はさまざまな植物種や成長段階の特定のニーズに合わせて照明条件を調整できます。この技術は、従来の照明システムと比較して、光合成を促進し、作物の収量を向上させ、エネルギーコストを削減します。さらに、LEDは発熱量が少ないため、熱による損傷のリスクなしに植物に近づけることができ、制御された環境での炭素排出量を削減し、栽培期間を延長することで、持続可能な農業慣行に貢献します。[ 102 ]光スペクトルは、トマト苗の成長、代謝プロファイル、および真菌性植物病原体に対する抵抗性に影響を与えます。[ 103 ] LEDはマイクロプロパゲーションにも使用できます。[ 104 ]
LEDは低消費電力、低メンテナンス、小型サイズといった特長から、様々な機器や設備における状態表示やディスプレイとして広く利用されています。大型LEDディスプレイは、スタジアムのディスプレイ、ダイナミックな装飾ディスプレイ、高速道路のダイナミックメッセージサインなどに使用されています。薄型軽量のメッセージディスプレイは、空港や鉄道駅、列車、バス、路面電車、フェリーの行き先表示などに活用されています。
単色光は、信号機や交通標識、非常口標識、緊急車両用照明、船舶の航行灯、LEDを使用したクリスマスイルミネーションなどに最適です。
LEDは長寿命で、スイッチング時間が短く、高出力と集光により昼間でも視認性が高いため、自動車のブレーキランプやウインカーに使用されています。ブレーキに使用すると、完全に点灯するまでの時間が大幅に短縮され、白熱電球よりも約200ミリ秒速い立ち上がり時間になるため、安全性が向上します[ 105 ]。これにより、後続車のドライバーは反応する時間が長くなります。デュアルインテンシティ回路（リアマーカーとブレーキ）では、LEDが十分な周波数でパルスされないと、ファントムアレイが発生し、目がアレイを素早くスキャンするとLEDのゴーストイメージが現れることがあります。白色LEDヘッドランプが登場し始めています。LEDを使用すると、放物面反射板を備えた白熱電球よりもはるかに薄いライトを形成できるため、スタイリング上の利点があります。
低出力LEDは比較的安価であるため、グロースティックやスローイーなど、一時的な用途にも広く使用されています。また、アーティストはLEDアートにもLEDを使用しています。
高効率・高出力LEDの開発により、照明や照明にLEDを使用することが可能になった。LEDランプやその他の高効率照明への移行を促進するため、米国エネルギー省は2008年にLプライズコンテストを創設した。フィリップスライティングノースアメリカのLED電球は、18ヶ月にわたる集中的なフィールドテスト、ラボテスト、製品テストを成功裏に完了した後、2011年8月3日に最初のコンテストで優勝した。[ 106 ]
持続可能な建築には、効率的な照明が必要です。2011年現在、一部のLED電球は最大150 lm/Wの効率を実現しており、安価な低価格モデルでも通常50 lm/Wを超えているため、6ワットのLEDで標準的な40ワットの白熱電球と同等の効果が得られます。LEDは発熱量が少ないため、空調システムの負荷も軽減されます。世界中で、LEDは白熱灯やCFLなどの効率の低い光源に取って代わり、電力消費量とそれに伴う排出量を削減するために急速に普及しています。太陽光発電式のLEDは、街路灯や建築照明に使用されています。
機械的な堅牢性と長寿命は、自動車、オートバイ、自転車のライトなどの自動車照明に使用されています。LED街路灯は、電柱や駐車場で使用されています。2007年、イタリアのトッラカ村は、街路照明をLEDに切り替えた最初の場所となりました。[ 107 ]
最近のエアバスやボーイングのジェット旅客機では、機内照明にLED照明が採用されている。LEDは空港やヘリポートの照明にも使用されている。現在、空港で使用されているLED照明器具には、中強度滑走路灯、滑走路中心線灯、誘導路中心線灯および端灯、誘導標識、障害物灯などがある。
LEDはDLPプロジェクターの光源としても使用され、新しいLCDテレビ（ LEDテレビと呼ばれる）、コンピューターモニター（ノートパソコンを含む）、携帯機器のLCDのバックライトとしても使用されています。これらは古いCCFLバックライトLCDの後継ですが、 OLEDスクリーンに取って代わられつつあります。RGB LEDは色域を最大45%拡大します。テレビやコンピューターディスプレイのスクリーンは、バックライトにLEDを使用することで薄型化できます。[ 108 ]
LEDは小型で耐久性があり、消費電力も少ないため、懐中電灯などの携帯機器に使用されています。LEDストロボライトやカメラのフラッシュは、キセノンランプを用いた照明で一般的に見られる250ボルト以上の高電圧ではなく、安全な低電圧で動作します。これは、スペースが限られており、かさばる昇圧回路が望ましくない携帯電話のカメラにおいて特に有効です。
LEDは、防犯カメラなどの暗視用途における赤外線照明に使用されます。ビデオカメラの周囲に配置されたLEDリングを前方の反射性背景に向けて照射することで、ビデオ制作におけるクロマキー合成が可能になります。
LEDは鉱山作業において、鉱夫に光を提供するキャップランプとして使用されています。鉱業用LEDの改良、グレアの低減、照明の向上、鉱夫の負傷リスクの低減に関する研究が行われています。[ 109 ]
LEDは、気分を高めるなど、医療や教育の分野でますます利用されるようになっている。[ 110 ] NASAは、宇宙飛行士の健康増進のためにLEDを使用する研究を支援したこともある。[ 111 ]
光はデータやアナログ信号の伝送に利用できます。例えば、白色LED照明は、閉鎖空間内で必要な部屋や物体を探す際に、人々の移動を支援するシステムに利用できます。[ 112 ]
多くの劇場や同様の空間で使用されている補聴支援装置は、赤外線LEDアレイを使用して音声を聴取者の受信機に送信します。発光ダイオード（および半導体レーザー）は、 TOSLINKケーブルによるデジタルオーディオから、インターネットの基幹となる超高帯域幅の光ファイバーリンクまで、さまざまな種類の光ファイバーケーブルを介してデータを送信するために使用されます。かつては、コンピュータにはIrDAインターフェースが一般的に搭載されており、赤外線を介して近くのマシンとデータを送受信することができました。
LEDは1秒間に数百万回オンオフを繰り返すことができるため、非常に高いデータ帯域幅を実現できます。 [ 113 ]そのため、可視光通信（VLC）は、ますます競争が激化する無線帯域幅の代替手段として提案されています。[ 114 ] VLCは電磁スペクトルの可視光領域で動作するため、無線通信の周波数を占有することなくデータを送信できます。
マシンビジョンシステムでは、対象とする特徴点の処理を容易にするため、明るく均一な照明が必要となることが多い。そのため、LEDがよく用いられる。
バーコードスキャナーはマシンビジョン応用の最も一般的な例であり、その多くはレーザーの代わりに赤色LEDを使用している。光学式コンピュータマウスは、マウス内部の小型カメラの光源としてLEDを使用している。
LEDは、コンパクトで信頼性の高い光源であるため、マシンビジョンにおいて有用です。LEDランプは、ビジョンシステムのニーズに合わせてオン/オフを切り替えることができ、生成されるビームの形状もシステムの要件に合わせて調整できます。
米国陸軍研究所(ARL)によるアルミニウムガリウム窒化物 (AlGaN) 合金における放射再結合の発見は、生物剤検出に使用される光誘起蛍光センサーに組み込むための紫外線発光ダイオード (LED) の概念化につながった。 [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ] 2004 年、エッジウッド化学生物センター (ECBC) は、 TAC-BIO と呼ばれる生物検出器を作成する取り組みを開始した。このプログラムは、国防高等研究計画局 (DARPA)が開発した半導体紫外線光源 (SUVOS) を活用した。[ 117 ]
UV誘起蛍光は、生物学的エアロゾルの迅速なリアルタイム検出に使用される最も堅牢な技術の1つです。[ 117 ]最初のUVセンサーは、現場での使用に実用性のないレーザーでした。この問題を解決するために、DARPAはSUVOS技術を組み込んで、低コスト、小型、軽量、低消費電力のデバイスを作成しました。TAC-BIO検出器の応答時間は、生物剤を感知してから1分でした。また、この検出器は屋内および屋外で数週間連続して無人で動作できることも実証されました。[ 117 ]
エアロゾル化した生物粒子は、紫外線ビームの下で蛍光を発し、光を散乱します。観測される蛍光は、適用された波長と生物剤内の生化学的蛍光体に依存します。紫外線誘起蛍光は、生物剤の検出において迅速、正確、効率的で、物流的に実用的な方法を提供します。これは、紫外線蛍光の使用が試薬不要、つまり反応を起こすために追加の化学物質を必要としないプロセスであり、消耗品がなく、化学副生成物を生成しないためです。[ 117 ]
さらに、TAC-BIOは脅威エアロゾルと非脅威エアロゾルを確実に識別できます。低濃度を検出するのに十分な感度を持ちながら、偽陽性を引き起こすほど高感度ではないとされています。このデバイスで使用されている粒子計数アルゴリズムは、蛍光検出器と散乱検出器からの単位時間あたりの光子パルスをカウントし、その値を設定された閾値と比較することで、生データを情報に変換します。[ 118 ]
初代TAC-BIOは2010年に発表され、第2世代のTAC-BIO GEN IIは、プラスチック部品を使用することでコスト効率を高めるために2015年に設計されました。小型軽量設計のため、車両、ロボット、無人航空機に取り付けることができます。第2世代デバイスは、病院、航空機、さらには家庭内の空気質を監視してカビや真菌を検出する環境検出器としても使用できます。[ 119 ] [ 120 ]
LEDの光は非常に高速に変調できるため、光ファイバーや自由空間光通信で広く利用されています。これには、テレビなどのリモコンも含まれ、赤外線LEDがよく使用されます。オプトアイソレータは、 LEDとフォトダイオードまたはフォトトランジスタを組み合わせて、2つの回路間の電気的絶縁を備えた信号経路を提供します。これは、生体と接触する低電圧センサー回路（通常はバッテリー駆動）からの信号を、潜在的に危険な電圧で動作する記録装置や監視装置の電気的故障から電気的に絶縁する必要がある医療機器で特に役立ちます。オプトアイソレータは、共通の接地電位を共有しない回路間での情報伝送も可能にします。
多くのセンサーシステムは、信号源として光を利用しています。センサーの要件から、LEDは光源として理想的な場合が多いです。任天堂Wiiのセンサーバーは赤外線LEDを使用しています。パルスオキシメーターは酸素飽和度を測定するためにLEDを使用しています。一部のフラットベッドスキャナーは、光源として一般的な冷陰極蛍光灯ではなく、RGB LEDアレイを使用しています。3色の照明を個別に制御できるため、スキャナーはより正確なカラーバランスに自動的に調整でき、ウォームアップも不要です。さらに、スキャン中のページは常に1色の光で照らされるため、センサーは単色光で十分です。
LEDはフォトダイオードとしても使用できるため、光の放出と検出の両方に使用できます。これは、たとえば、指やスタイラスからの反射光を記録するタッチスクリーンに使用できます。[ 121 ]多くの材料や生物システムは光に敏感であるか、光に依存しています。植物育成ライトは、植物の光合成を促進するためにLEDを使用し、[ 122 ]殺菌のためにUV LEDを使用して、水やその他の物質から細菌やウイルスを除去できます。[ 20 ]特定の波長のLEDは、新生児黄疸やニキビの光線療法にも使用されています。[ 123 ]
220 nm～395 nmのスペクトル範囲を持つUV LEDは、水/空気浄化、表面消毒、接着剤硬化、自由空間非視線通信、高性能液体クロマトグラフィー、UV硬化染料印刷、光線療法（295 nmビタミンD、308 nmエキシマランプまたはレーザーの代替）、医療/分析機器、DNA吸収などの他の用途にも使用されています。[ 116 ] [ 124 ]
LEDは、電子回路において中品質の電圧基準としても使用されています。順方向電圧降下（ 赤色LEDの場合は約1.7V、赤外線LEDの場合は約1.2V）は、低電圧レギュレータにおいてツェナーダイオードの代わりに使用できます。赤色LEDは、ニー以上の領域で最も平坦なI/V特性を示します。窒化物系LEDはI/V特性がかなり急峻なため、この用途には適していません。LEDの順方向電圧はツェナーダイオードよりも電流依存性がはるかに高いものの、降伏電圧が3V未満のツェナーダイオードは 広く入手できません。
LEDやOLEDなどの低電圧照明技術の小型化が進み、薄型素材への組み込みが可能になったことで、LED壁紙という形で、光源と壁面材を組み合わせた内装壁材の開発が進められている。
LEDは、蛍光体材料や量子ドットなどの継続的な改良に依存した最適化された効率を必要とします。[ 125 ]
ダウンコンバージョン（材料が高エネルギーの光子を異なる低エネルギーの色に変換する方法）のプロセスも改善が必要です。例えば、現在使用されている赤色蛍光体は熱に敏感であり、温度変化による色の変化や効率の低下を防ぐために、その点を改善する必要があります。赤色蛍光体は、スペクトル幅を狭くすることで、より多くのルーメンを発光し、光子の変換効率を高めることもできます。[ 126 ]
さらに、電流効率の低下、色ずれ、システムの信頼性、配光、調光、熱管理、電源性能の分野でも作業が残されている。[ 125 ]
当初は、LED の効率低下は高温が原因であると疑われていました。科学者たちは、温度が効率低下の根本原因ではないことを示しました。[ 127 ]効率低下を引き起こすメカニズムは、2007 年にオージェ再結合であると特定されましたが、これは様々な反応を伴いました。[ 77 ] 2013 年の研究では、オージェ再結合が原因であることが決定的に特定されました。[ 128 ]
新しい種類のLEDは、ペロブスカイトと呼ばれる半導体に基づいています。2018年には、発見から4年も経たないうちに、ペロブスカイトLED（PLED）の電子から光を生成する能力は、すでに最高の性能を持つOLEDに匹敵するようになりました。[ 129 ]低コストでローテクな方法である溶液から処理できるため、コスト効率の面で大きな可能性を秘めており、ペロブスカイトベースのデバイスを非常に低コストで製造できる可能性があります。非放射損失を排除することで、つまり光子を生成しない再結合経路を排除することで、効率が向上します。また、（薄膜LEDによく見られる）光子の取り出し問題を解決したり、電荷キャリア注入のバランスを取ってEQE（外部量子効率）を高めたりすることでも効率が向上します。最新のPLEDデバイスは、EQEを20%以上に引き上げ、性能の壁を打ち破りました。[ 130 ]
2018年、CaoらとLinらはそれぞれ独立して、EQEが20%を超えるペロブスカイトLEDの開発に関する2つの論文を発表し、これらの論文はPLED開発におけるマイルストーンとなった。彼らのデバイスは、活性層（ペロブスカイト）が2つの電極の間に挟まれた、同様の平面構造を持っている。高いEQEを達成するために、彼らは非放射再結合を低減しただけでなく、EQEを向上させるための独自の微妙に異なる方法も利用した。[ 130 ]
Caoらの研究[ 131 ]では、研究者らは、薄膜 LED の光学的な物理特性により、半導体によって生成された光の大部分がデバイス内に閉じ込められるという、光取り出しの問題に焦点を当てました。[ 132 ]この目標を達成するために、彼らは、溶液プロセスで製造されたペロブスカイトが、デバイスから効率的に光を抽出できるサブマイクロメートルスケールの結晶板を自発的に形成できることを実証しました。これらのペロブスカイトは、ペロブスカイト前駆体溶液にアミノ酸添加剤を導入することによって形成されます。さらに、彼らの方法は、ペロブスカイト表面の欠陥をパッシベーションし、非放射再結合を低減することができます。したがって、光取り出しを改善し、非放射損失を低減することにより、Cao らは EQE が最大 20.7% の PLED を首尾よく実現しました。[ 131 ]
Lin氏と彼の同僚は、高いEQEを実現するために異なるアプローチを採用しました。ペロブスカイト層の微細構造を変更する代わりに、デバイス内の組成分布を管理するための新しい戦略を採用しました。これは、高い発光性とバランスのとれた電荷注入を同時に実現するアプローチです。言い換えれば、彼らは依然として平坦な発光層を使用していますが、ペロブスカイトに注入される電子と正孔のバランスを最適化し、電荷キャリアを最も効率的に利用しようとしました。さらに、ペロブスカイト層では、結晶はMABr添加剤（MAはCH3NH3）によって完全に覆われています。MABrシェルは、そうでなければペロブスカイト結晶に存在する非放射性欠陥をパッシベーションし、非放射再結合の減少をもたらします。したがって、電荷注入のバランスを取り、非放射損失を減らすことで、Lin氏と彼の同僚はEQEが最大20.3%のPLEDを開発しました。[ 133 ]
特定の青色LEDやクールホワイトLEDは、「ANSI/IESNA RP-27.1–05: ランプおよびランプシステムの光生物学的安全性に関する推奨実施基準」などの眼の安全仕様で定義されている、いわゆる青色光ハザードの安全限界を超える可能性があります。 [ 134 ]ある研究では、家庭用照度での通常の使用ではリスクの証拠はなく、[ 135 ]特定の職業状況または特定の集団に対してのみ注意が必要であることが示されました。[ 136 ] 2006年に、国際電気標準会議は、LED光源の分類に初期のレーザー指向規格を適用していたのに代わり、 IEC 62471 ランプおよびランプシステムの光生物学的安全性を公表しました。[ 137 ]
LEDは蛍光灯に比べて水銀を含まないという利点があるが、鉛やヒ素などの他の有害金属を含む可能性がある。[ 138 ]
2016年、米国医師会（AMA）は、青みがかった街路灯が都市住民の睡眠覚醒サイクルに及ぼす可能性のある悪影響に関する声明を発表した。業界の批評家は、曝露レベルは目立った影響を与えるほど高くないと主張している。[ 139 ]
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