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 5 mm 拡散ケースに入った青、緑、赤の LED。LED にはさまざまなバリエーションがあります。 | |
| 動作 | エレクトロルミネセンス |
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| 発明家 |
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| 最初の生産 | 1962年10月 |
| ピン名 | 陽極と陰極 |
| 電子シンボル | |
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発光ダイオード（LED ）は、電流が流れると光を発する半導体デバイスです。半導体内の電子は正 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通過す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、複数の半導体または半導体デバイス上の発光蛍光体の層を使用することで得られます。 [6]
1962年に実用的な電子部品として登場した最初のLEDは、低強度の赤外線（IR）光を発しました。[7]赤外線LEDは、さまざまな民生用電子機器で使用されるリモコン回路などで使用されています。最初の可視光LEDは強度が低く、赤色に限られていました。
初期のLEDは、小型の白熱電球に代わる表示灯や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、可視光線、紫外線（UV）、赤外線の波長で高、低、または中程度の光出力を持つLEDが開発され、たとえば室内や屋外の照明に適した白色LEDが生まれました。LEDは新しいタイプのディスプレイやセンサーも生み出しており、その高いスイッチング速度は高度な通信技術にも役立っています。LEDは、航空照明、フェアリーライト、ストリップライト、自動車のヘッドランプ、広告、一般照明、交通信号、カメラのフラッシュ、照明付き壁紙、園芸用植物育成ライト、医療機器など、さまざまな用途に使用されています。[8]
LED には、白熱光源に比べて、消費電力が低い、寿命が長い、物理的堅牢性が向上している、サイズが小さい、スイッチングが速いなど、多くの利点があります。これらの一般的に好ましい特性と引き換えに、LED の欠点としては、低電圧および一般的には DC (AC ではない) 電源に対する電気的な制限、パルス DC または AC 電源から安定した照明を提供できない、最大動作温度と保管温度が低いことなどが挙げられます。
LED は電気を光に変換する装置です。光を電気に変換するフォトダイオードとは逆に動作します。
歴史
最初のLEDは1927年にソ連の発明家オレグ・ロセフ[9]によって開発されましたが、電界発光はすでに20年前から知られており、シリコンカーバイド製のダイオードに依存していました。
商業的に実現可能な LED が利用可能になったのは、テキサス インスツルメンツ社のエンジニアが1962 年に 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のことでした。
1968年以降、市販のLEDは非常に高価で実用化されていませんでした。モンサント社とヒューレット・パッカード社がLEDの開発をリードし、1970年代には1個あたりのコストが5セント未満になりました。[10]
光の生成と放出の物理学
発光ダイオードでは、半導体内の電子と電子正孔の再結合により光（赤外線、可視光線、紫外線）が生成されます。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、効率的に光を放射するには、特殊な光学コーティングやダイ形状などのデバイス設計上の特徴が必要です。[11]
レーザーとは異なり、LEDから放射される光はスペクトル的に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。[12] [13]また、ほとんどのレーザーとは異なり、その放射は空間的にコヒーレントではないため、レーザーの非常に高い強度特性に近づくことはできません。
単色LED
| 外部ビデオ | |
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 「オリジナルの青色 LED」、科学史研究所 |
さまざまな半導体材料を選択することにより、近赤外線から可視スペクトル、紫外線領域までの狭い波長帯域で光を発する単色 LED を作成できます。LED の必要な動作電圧は、半導体バンドギャップが増加するため、発光波長が短くなるにつれて (エネルギーが高くなり、赤から青に) 増加します。
青色 LED には、クラッド層と呼ばれる厚い GaN 層の間に挟まれた 1 つ以上の InGaN量子井戸で構成されるアクティブ領域があります。InGaN 量子井戸の相対的な In/Ga 比率を変えることで、理論的には発光を紫色から琥珀色まで変えることができます。
さまざまな Al/Ga 比率の窒化アルミニウムガリウム(AlGaN) は、紫外線LEDのクラッド層と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、InGaN/GaN 青/緑デバイスの効率と技術的成熟度にはまだ達していません。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 付近にある近紫外線を放射します。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、実際のデバイスは、高輝度アプリケーションには効率が低すぎます。[引用が必要]
AlGaNおよびAlGaInNでは、さらに短い波長を実現できます。約360〜395 nmの波長の近紫外線エミッターはすでに安価で、たとえば、文書や紙幣の偽造防止用UV透かしの検査やUV硬化用のブラックライトランプの代替品としてよく使用されています。かなり高価で波長の短いダイオードは、240 nmまでの波長で市販されています。[14]微生物の光感受性は、約260 nmでピークを迎える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、将来の消毒および殺菌装置に使用されると期待されています。最近の研究では、市販のUVA LED（365 nm）がすでに効果的な消毒および殺菌装置であることが示されています。[15] UV-C波長は、窒化アルミニウム（210nm）[16] 、窒化ホウ素（215nm）[17] [18]、ダイヤモンド（235nm）[19] を用いて実験室で得られた。
白色LED
白色発光ダイオードを製造するには、主に 2 つの方法があります。1 つは、赤、緑、青の 3 つの原色を発する個別の LED を使用し、すべての色を混合して白色光を作る方法です。もう 1 つは、蛍光体材料を使用して、青色または UV LED からの単色光を、蛍光灯に似た広帯域スペクトルの白色光に変換する方法です。黄色蛍光体は、パッケージ内に浮遊している、または LED にコーティングされているセリウムをドープしたYAG結晶です。この YAG蛍光体により、白色 LED はオフのときに黄色に見え、結晶間の空間により、部分的に蛍光体に変換された LED 内で青色光がいくらか透過します。あるいは、白色 LED では、マンガン (IV) ドープのフッ化ケイ酸カリウム(PFS) などの他の蛍光体やその他の人工蛍光体を使用することもできます。PFS は赤色光の生成を補助し、従来の Ce:YAG 蛍光体と組み合わせて使用されます。
PFS蛍光体を使用したLEDでは、青色光の一部が蛍光体を通過し、Ce:YAG蛍光体が青色光を緑色と赤色（黄色）の光に変換し、PFS蛍光体が青色光を赤色の光に変換します。白色蛍光体変換LEDやその他の蛍光体変換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ブレンドを形成するいくつかの蛍光体の濃度を変えることによって制御できます。[20] [21] [22] [23]
生成される光の「白さ」は、人間の目に合うように設計されている。メタメリズムのため、白く見えるスペクトルがまったく異なる可能性がある。その光で照らされた物体の外観は、スペクトルが変化すると変化する可能性がある。これは色温度とはまったく別の、色の表現の問題である。オレンジやシアンの物体は、LED または蛍光体が反射する波長を放射しないため、間違った色で暗く見える可能性がある。最も色の表現が優れた LED は、蛍光体の混合物を使用しているため、効率は低く、色の表現は優れている。[要出典]
最初の白色発光ダイオード（LED）は1996年秋に販売されました。 [24]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のいくつかを製造しました。[25] Ce:YAGは、多くの場合、チョクラルスキー法を使用して成長します。[26]
RGBシステム
赤、緑、青の光源を混ぜて白色光を作るには、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1つのパッケージに入っていても、見る角度によって色のバランスが変わることがあります。そのため、RGBダイオードは白色照明を作るのにはあまり使われません。しかし、この方法は異なる色を混ぜる柔軟性があるため多くの用途があり、[27]原理的には、このメカニズムは白色光を作る際の量子効率も高くなります。[28]
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。これらの異なる方法の間で作用するいくつかの重要な要素には、色の安定性、演色性、および発光効率があります。多くの場合、効率が高いほど演色性が低くなるため、発光効率と演色性の間にはトレードオフがあります。たとえば、二色白色 LED は最高の発光効率 (120 lm/W) を備えていますが、演色性は最も低くなっています。四色白色 LED は演色性に優れていますが、発光効率が低いことがよくあります。三色白色 LED はその中間で、優れた発光効率 (>70 lm/W) と妥当な演色性を備えています。[29]
課題の 1 つは、より効率的な緑色 LED の開発です。緑色 LED の理論上の最大値は 1 ワットあたり 683 ルーメンですが、2010 年現在、1 ワットあたり 100 ルーメンを超える緑色 LED はほとんどありません。青色 LED と赤色 LED は理論上の限界に近づいています。[引用が必要]
マルチカラーLEDは、異なる色の光を形成する手段を提供します。ほとんどの知覚可能な色は、 3つの原色を異なる量で混合することによって形成されます。これにより、正確で動的な色制御が可能になります。その発光パワーは温度上昇とともに指数関数的に低下し、 [30] 色の安定性が大幅に変化します。このような問題により、産業用途での使用が妨げられています。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、良好な色再現性を提供できません。蛍光体のないLEDは、一般照明には適していませんが、LCDのバックライトや直接LEDベースのピクセルなどの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て調光することは、製造上のばらつき、経年変化、温度によって実際の色値の出力が変化するため困難です。調光した白熱電球の外観をエミュレートするには、色を積極的に監視および制御する色センサーを備えたフィードバックシステムが必要になる場合があります。[31]
蛍光体ベースのLED
この方法では、 1色のLED（主にInGaN製の青色LED ）を異なる色の蛍光体でコーティングして白色光を形成します。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。 [32]青色光の一部はストークスシフトを起こし、短い波長から長い波長に変換されます。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、放射スペクトルが広がり、演色評価数（CRI）が効果的に高まります。[33]
リン光体ベースの LED は、ストークス シフトによる熱損失や、その他のリン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、結果として生じる光出力のスペクトル分布と LED 自体の元の波長によって決まります。たとえば、一般的な YAG 黄色リン光体ベースの白色 LED の発光効率は、元の青色 LED の発光効率の 3 ～ 5 倍になります。これは、人間の目は青色よりも黄色に敏感であるためです (輝度関数でモデル化されているように)。
製造が簡単なため、蛍光体法は今でも高輝度白色 LED を製造する最も一般的な方法です。蛍光体変換によるモノクロエミッター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。[引用が必要]
LED ベースの白色光源の効率を改善するために直面する課題の 1 つは、より効率的な蛍光体の開発です。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% 未満です。LED チップおよび LED パッケージ自体の再吸収による内部光学損失に起因する損失は、通常、効率損失のさらに 10% ～ 30% を占めます。現在、蛍光体 LED 開発の分野では、これらのデバイスをより高い光出力とより高い動作温度に最適化することに多大な努力が費やされています。たとえば、より優れたパッケージ デザインを採用するか、より適切なタイプの蛍光体を使用することで、効率を上げることができます。蛍光体の厚さが変化する問題に対処するために、コンフォーマル コーティング プロセスが頻繁に使用されます。[引用が必要]
一部の蛍光体ベースの白色 LED は、蛍光体でコーティングされたエポキシ内に InGaN 青色 LED を封入しています。あるいは、LED をリモート蛍光体 (蛍光体材料でコーティングされたあらかじめ形成されたポリカーボネート片) と組み合わせることもできます。リモート蛍光体は、多くの用途に適した、より拡散した光を提供します。リモート蛍光体設計は、LED の発光スペクトルの変動に対する耐性も高くなります。一般的な黄色蛍光体材料は、セリウム添加イットリウム アルミニウムガーネット(Ce 3+ :YAG) です。[引用が必要]
白色 LED は、近紫外線 (NUV) LED を、赤と青を発する高効率ユーロピウムベースの蛍光体と、緑を発する銅とアルミニウムをドープした硫化亜鉛 (ZnS:Cu、Al) の混合物でコーティングすることによっても作ることができます。これは蛍光灯の動作に類似した方法です。この方法は、YAG:Ce 蛍光体を使用した青色 LED よりも効率が低くなります。ストークス シフトが大きいため、より多くのエネルギーが熱に変換されますが、より優れたスペクトル特性を持つ光が生成され、色をより良く表現します。紫外線 LED の放射出力は青色 LED よりも高いため、どちらの方法でも同等の明るさが得られます。懸念されるのは、故障した光源から紫外線が漏れ、人間の目や皮膚に害を及ぼす可能性があることです。[引用が必要]
200 mm シリコン ウェーハを使用した白色 LED の製造には、シリコン上の窒化ガリウム (GaN-on-Si) で構成された新しいタイプのウェーハが使用されています。これにより、比較的小さな 100 mm または 150 mm ウェーハ サイズで一般的な高価なサファイア 基板を回避できます。 [34]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ーと結合する必要があります。2020 年以降、すべての GaN LED の 40% が GaN-on-Si で製造されると予測されています。大型のサファイア材料の製造は困難ですが、大型のシリコン材料は安価で豊富です。LED 企業がサファイアからシリコンの使用に移行するには、最小限の投資で済むはずです。[35]
混合白色LED
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があります。これにより、RGB LEDの非常に調整可能な色を維持しながら、白色に近い色を選択すると、色の演色性と効率を最適化することができます。[36]
一部の蛍光体白色 LED ユニットは「調整可能な白色」で、2 つの極端な色温度 (通常は 2700K と 6500K) を混合して中間値を生成します。この機能により、ユーザーは多機能ルームの現在の使用状況に合わせて照明を変更できます。[37]色度図の直線で示されているように、単純な 2 つの白色の混合ではピンク色の偏りがあり、中央で最も顕著になります。別の LED から供給される少量の緑色の光で、この問題を修正できます。[38]一部の製品は RGBWW、つまり調整可能な白色を備えた RGBW です。[39]
混合光を持つ白色LEDの最後のクラスは、薄暗い色から暖色系の色までです。これらは通常の2700Kの白色LED電球で、電球を暗くすると小さな赤色LEDが点灯します。これにより色が暖かくなり、白熱電球を模倣します。[39]
その他の白色LED
実験的な白色LEDを製造するために使用された別の方法は、蛍光体を全く使用せず、活性領域から青色光、基板から黄色光を同時に放射するZnSe基板上にホモエピタキシャル成長したセレン化亜鉛（ZnSe）をベースにしていた。[40]
有機発光ダイオード（OLED）
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発光材料は有機化合物です。有機材料は、分子全体または一部の共役によって引き起こされるπ電子の非局在化により導電性を持ち、そのため有機半導体として機能します。[41]有機材料は、結晶相の小さな有機分子、またはポリマーです。[42]
OLEDの潜在的な利点としては、駆動電圧が低く、視野角が広く、コントラストと色域が広く、薄くて低コストのディスプレイが挙げられます。 [ 43]ポリマーLEDには、印刷可能でフレキシブルなディスプレイという利点もあります。[44] [45] [46] OLEDは、携帯電話、デジタルカメラ、照明、テレビなどのポータブル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。[42] [43]
種類
- 赤、650 – 625nm
- オレンジ、600 – 610nm
- 黄色、587 – 591nm
- 緑、570 – 575nm
- 青、465 – 467nm
- 紫、395 – 400nm
LED は、さまざまな用途に応じてさまざまなパッケージで製造されています。1 個または数個の LED 接合部を 1 つの小型デバイスに詰め込んで、インジケータまたはパイロット ランプとして使用できます。LED アレイには、同じパッケージ内に制御回路が含まれている場合があり、これには単純な抵抗器、点滅または色変更制御、RGB デバイス用のアドレス指定可能なコントローラなどがあります。より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、照明に使用されます。ドット マトリックスまたはバー形式の英数字ディスプレイは広く入手可能です。特殊なパッケージを使用すると、高速データ通信リンク用の光ファイバーに LED を接続できます。
ミニチュア
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であり、1.8mmから10mmの様々なサイズ、スルーホールおよび表面実装パッケージで提供されています。[47]一般的な電流定格は約1mAから20mA以上です。LEDはフレキシブルPCBストリップにはんだ付けして、装飾によく使用されるLEDテープを形成することができます。
一般的なパッケージの形状には、ドーム型または平らな上部を持つ円形、平らな上部を持つ長方形（棒グラフディスプレイで使用される）、平らな上部を持つ三角形または正方形などがあります。また、コントラストと視野角を向上させるために、カプセルは透明または着色されている場合があります。赤外線デバイスには、オスラムSFH 4546のように、赤外線を通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。[48]
5Vおよび12Vの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。[49]
ハイパワー
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高出力LED（HP-LED）または高出力LED（HO-LED）は、他のLEDの数十mAと比較して、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ルーメンを超える明るさのものもあります。[50] [51]最大300W/cm 2のLED電力密度が達成されています。過熱は破壊的なので、HP-LEDは放熱のためにヒートシンクに取り付ける必要があります。HP-LED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、多くの場合、懐中電灯の白熱電球を置き換えたり、アレイにして強力なLEDランプを形成したりできます。
このカテゴリーのHP-LEDには、日亜化学の19シリーズ、ルミレッズ・レブル・レッド、オスラム・オプト・セミコンダクターズのゴールデンドラゴン、クリーのX-ランプなどがある。2009年9月現在、クリー社が製造するHP-LEDの中には105 lm/Wを超えるものもある。[52]
ハイツの法則（LEDの光出力と効率は時間の経過とともに指数関数的に上昇すると予測）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 [52] や、 2010年に発売され典型的な効率が140 lm/WのNichia 19シリーズが挙げられます。 [53]
AC駆動
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。半サイクルごとに、LEDの一部が発光し、一部が暗くなり、次の半サイクルではこれが反転します。このタイプのHP-LEDの効率は通常40 lm/Wです。[54]多数のLED素子を直列に接続すると、ライン電圧から直接動作できる場合があります。2009年にソウル半導体は、「Acrich MJT」という高DC電圧LEDをリリースしました。これは、簡単な制御回路でAC電源から駆動できます。これらのLEDは消費電力が低いため、元のAC LED設計よりも柔軟性があります。[55]
ストリップ
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LED ストリップ、テープ、またはリボン ライトは、表面実装型発光ダイオード (SMD LED) とその他のコンポーネントが実装されたフレキシブル回路基板で、通常は粘着性の裏地が付いています。従来、ストリップ ライトは、アクセント照明、バックライト、タスク照明、および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 年代初頭に誕生しました。それ以来、発光効率の向上と SMD の高出力化により、高輝度タスク照明、蛍光灯やハロゲン照明器具の交換、間接照明、製造工程中の紫外線検査、舞台装置や衣装のデザイン、植物の栽培などの用途で LED ストリップ ライトが使用されるようになりました。アプリケーション固有
- 点滅
- 点滅 LED は、外部電子機器を必要とせず、注意を引くためのインジケーターとして使用されます。点滅 LED は標準 LED に似ていますが、統合電圧レギュレータとマルチバイブレータ回路が組み込まれており、LED が通常 1 秒の周期で点滅します。拡散レンズ LED では、この回路は小さな黒い点として見えます。ほとんどの点滅 LED は 1 色の光を発しますが、より高度なデバイスでは、複数の色を点滅させたり、RGB 色混合を使用して色シーケンスをフェードさせたりすることもできます。0805 およびその他のサイズの形式の点滅 SMD LED は、2019 年初頭から入手可能です。
- ちらつき
- 統合電子機器 LEDパッケージに統合されたシンプルな電子回路は、少なくとも2011年から存在しており、ちらつくろうそくを思わせるランダムなLED強度パターンを生成します。[56] 2024年の リバースエンジニアリングでは、自動スリープおよびウェイクモードを備えた一部のちらつきLEDは、そのような機能のために統合された8ビット マイクロコントローラを使用している可能性があることが示唆されています。[57]
- バイカラー
- 2 色 LED には、1 つのケースに 2 つの異なる LED エミッターが含まれています。2 種類あります。1 つは、互いに平行でない同じ 2 本のリードに接続された 2 つのダイで構成されています。一方向に流れる電流は 1 つの色を発し、反対方向に流れる電流は別の色を発します。もう 1 つは、2 つのダイで構成され、両方のダイに別々のリードがあり、もう 1 つのリードは共通の陽極または陰極用であるため、個別に制御できます。最も一般的な 2 色の組み合わせは、赤/従来の緑です。他には、アンバー/従来の緑、赤/純粋な緑、赤/青、青/純粋な緑などがあります。
- RGB 3色
- 3色LEDは、1つのケースに3つの異なるLEDエミッターを内蔵しています。各エミッターは別々のリード線に接続されているため、独立して制御できます。4リード線配置は、1つの共通リード線（アノードまたはカソード）と各色用の追加リード線を備えた一般的なものです。その他のLEDには2つのリード線（プラスとマイナス）しかなく、電子コントローラーが内蔵されています。RGB LEDは、赤、緑、青のLEDが1つずつあります。[58] RGB LEDは、3つのLEDをそれぞれ独立して調整することで、広い色域を生成できます。専用カラーLEDとは異なり、純粋な波長は生成されません。モジュールは、スムーズな色混合のために最適化されていない可能性があります。
- 装飾的多色
- 装飾用マルチカラー LED には、わずか 2 本のリード線から供給される、異なる色の複数のエミッターが組み込まれています。色は、供給電圧を変化させることによって内部で切り替えられます。
- 英数字
- 英数字 LED には、7 セグメント、スターバースト、およびドット マトリックス形式があります。7 セグメント ディスプレイは、すべての数字と限られた文字セットを処理できます。スターバースト ディスプレイはすべての文字を表示できます。ドット マトリックス ディスプレイは通常、1 文字あたり 5×7 ピクセルを使用します。7 セグメント LED ディスプレイは 1970 年代と 1980 年代に広く使用されていましたが、消費電力が少なく表示の柔軟性が高い液晶ディスプレイの使用が増えたため、数字および英数字 LED ディスプレイの人気は低下しました。
- デジタルRGB
- デジタル RGB アドレス指定可能な LED には、独自の「スマート」制御電子機器が搭載されています。電源とグランドに加えて、データ入力、データ出力、クロック、場合によってはストロボ信号用の接続も用意されています。これらはデイジー チェーンで接続されており、長いLED ストリップ ライト内の個々の LEDをマイクロコントローラで簡単に制御できます。チェーンの最初の LED に送信されたデータは、各 LED の明るさと色を他の LED とは独立して制御できます。これらは、クリスマス用のストリングや LED マトリックスなど、最大限の制御と最小限の目に見える電子機器の組み合わせが必要な場合に使用されます。中には、基本的なビデオ アプリケーションを可能にする kHz 範囲のリフレッシュ レートを持つものもあります。これらのデバイスは、部品番号 (WS2812 が一般的) またはNeoPixelなどのブランド名で知られています。
- フィラメント
- LEDフィラメントは、共通の縦方向の基板上に直列に接続された複数のLEDチップで構成され、従来の白熱フィラメントを思わせる細い棒を形成します。[59]これらは、多くの国で段階的に廃止されつつある従来の電球の低コストの装飾的な代替品として使用されています。フィラメントはかなり高い電圧を使用するため、主電圧で効率的に動作します。多くの場合、単純な整流器と容量性電流制限が採用されており、単一ダイのLEDに必要な低電圧、高電流コンバータの複雑さがなく、従来の電球の低コストの代替品が作成されます。[60]通常、それらは交換するように設計されたランプに似た電球にパッケージ化され、熱を効率的に除去して腐食を防ぐために、周囲圧力よりわずかに低い圧力の不活性ガスで満たされています。
- チップオンボードアレイ
- 表面実装型LEDはチップオンボード（COB）アレイで製造されることが多く、同等の光出力を持つ単一のLEDよりも優れた放熱性を実現します。[61] LEDは円筒の周りに配置することができ、黄色のLEDの列から「コーンコブライト」と呼ばれています。[62]
使用上の注意
- 効率：LEDは白熱電球よりもワットあたりのルーメンが多く放射されます。[63] LED照明器具の効率は、蛍光灯や蛍光管とは異なり、形状やサイズの影響を受けません。
- サイズ：LEDは非常に小さく（ 2mm2未満[64]）、プリント基板に簡単に取り付けることができます。
電源
LED や他のダイオードの電流は、印加電圧に応じて指数関数的に増加するため (ショックレーのダイオード方程式を参照)、電圧の小さ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調整する必要があります。一般的な電源のほとんどは (ほぼ) 定電圧源であるため、LED 器具には電力コンバータ、または少なくとも電流制限抵抗器が含まれている必要があります。一部のアプリケーションでは、小型バッテリーの内部抵抗で電流を LED 定格内に抑えることができます。[引用が必要]
LEDは電圧に敏感です。LEDには閾値電圧以上の電圧と定格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、電流と寿命は大きく変化します。そのため、LEDには電流制御電源（通常はインジケータLEDの場合は直列抵抗器）が必要です。[65]
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。また、電流が増加すると発熱も増加し、LEDの寿命が短くなります。これらの影響により、高出力アプリケーションではLEDを流れる電流に実質的な制限が課せられます。[66]
電気極性
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ときのみ点灯します。逆方向に電圧が印加されると、電流は流れず、光も放射されません。逆電圧がブレークダウン電圧(通常約 5 ボルト) を超えると、大電流が流れ、LED が損傷します。逆電流が損傷を回避するのに十分に制限されている場合、逆導通 LED は有用なノイズ ダイオードです。[要出典]
定義により、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ほうが高くなります。バンド ギャップ エネルギーによって発光波長が決まるため、逆方向バイアス時の色は同じにはなりません。逆方向ブレークダウン電圧が十分に高いため、発光波長は可視光になるほど似ることはありません。各方向に異なる色の LED を含むデュアル LED パッケージは存在しますが、逆方向バイアス時に単一の LED 要素が可視光を発光することは期待できません。[引用が必要]
逆バイアス モードでのみ光を発するツェナー ダイオードが存在するかどうかは不明です。このタイプの LED は、逆接続すると導通するというユニークな特徴があります。
外観
- 色: LED は、従来の照明方法で必要なカラー フィルターを使用せずに、意図した色の光を発することができます。これにより効率が向上し、初期コストを削減できます。
- クールライト: ほとんどの光源とは対照的に、LED は敏感な物体や布地に損傷を与える可能性のある IR の形での熱をほとんど放射しません。無駄なエネルギーは LED のベースを通して熱として分散されます。
- 色再現性: ほとんどのクールホワイトLEDのスペクトルは、太陽や白熱灯のような黒体放射体とは大きく異なります。460nmの急上昇と500nmの急降下により、クールホワイトLED照明下では、物体の色が太陽光や白熱光源とは異なって見えることがあります。これはメタメリズムによるもので、[67]典型的なリン光体ベースのクールホワイトLEDでは、赤い表面の再現性が特に悪いためです。緑の表面でも同じことが言えます。LEDの色再現性は、演色評価数（CRI）で測定されます。
- 調光：LEDはパルス幅変調または順方向電流の低下によって調光できます。 [68]このパルス幅変調により、LEDライト、特に車のヘッドライトは、カメラで見たり、人から見たりすると、点滅したりちらついたりして見えるのです。これはストロボ効果の一種です。
光の特性
- スイッチオン時間：LEDは非常に速く点灯します。典型的な赤色インジケータLEDは1マイクロ秒未満で最大の明るさに達します。[69]通信機器に使用されるLEDはさらに速い応答時間を持つことができます。
- フォーカス: LED の固体パッケージは、光を集中するように設計できます。白熱灯や蛍光灯では、光を集めて使用可能な方向に向けるために、外部反射板が必要になることがよくあります。大型の LED パッケージでは、同じ効果を得るために全反射(TIR) レンズがよく使用されます。大量の光が必要な場合は、通常、LED チップなどの光源が多数使用されますが、同じターゲットに焦点を合わせたり、コリメートしたりするのは困難です。
- 面光源: 単一の LED は、球状の光分布を与える点光源に近似せず、むしろランバート分布を与えます。そのため、球状の光場を必要とする用途に LED を適用するのは困難です。異なる光学系または「レンズ」を適用することで、異なる光場を操作できます。LED は、数度未満の発散を提供することはできません。[70]
信頼性
- 耐衝撃性：LEDは固体部品であるため、壊れやすい蛍光灯や白熱電球とは異なり、外部からの衝撃で損傷を受けにくい。[71]
- 熱暴走: 並列接続されたLEDは、順方向電圧の製造公差により電流が均等に分配されません。単一の電流源から2つ以上のLEDを駆動すると、デバイスが温まるとLEDが故障する可能性があります。順方向電圧のビニングが不可能な場合は、並列接続されたLED間で電流が均等に分配されるように回路が必要です。[72]
- ゆっくりとした故障：LEDは白熱電球のように突然故障するのではなく、時間の経過とともに暗くなることによって故障します。[73]
- 寿命: LED の耐用年数は比較的長い。ある報告書では、耐用年数は 35,000 ～ 50,000 時間と推定されているが、完全に故障するまでの時間はこれより短くなる場合も長くなる場合もある。[74]蛍光灯の耐用年数は、使用条件にもよりますが、通常約 10,000 ～ 25,000 時間、白熱電球の耐用年数は 1,000 ～ 2,000 時間である。DOEのいくつかの実証実験では、エネルギー節約ではなく、この長寿命によるメンテナンス費用の削減が LED 製品の回収期間を決定する主な要因であることがわかっている。[75]
- サイクリング: LED は、頻繁にオン/オフを繰り返す用途に最適です。これに対し、頻繁にオン/オフを繰り返すと早く故障する白熱灯や蛍光灯、または再起動すると再び点灯できるようになるまでにフル出力まで暖まるのに長い時間がかかり、また冷却するのにも長い時間を要する高輝度放電ランプ(HID ランプ) とは異なります。
- 温度依存性: LED のパフォーマンスは、動作環境の周囲温度、つまり熱管理特性に大きく依存します。周囲温度が高い状態で LED を過剰に駆動すると、LED パッケージが過熱し、最終的にデバイスの故障につながる可能性があります。長寿命を維持するには、適切なヒートシンクが必要です。これは、デバイスが幅広い温度範囲で動作し、低い故障率を必要とする自動車、医療、軍事用途では特に重要です。
製造業
LEDの製造には、エピタキシー、チップ処理、チップ分離、パッケージングなど、複数のステップが含まれます。[76]
典型的なLED製造工程では、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転送、ワイヤボンディングまたはフリップチップ実装の後に、透明導電体であるインジウムスズ酸化物を使用してカプセル化が行われます。 [77]この場合、ボンドワイヤは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基板（COB）はLEDの製造に使用できる技術です。[78]
色と素材
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。次の表は、波長範囲、電圧降下、材料とともに使用可能な色を示しています。
アプリケーション
LED の用途は、主に次の 5 つのカテゴリに分類されます。
- 視覚信号は、光が光源から人間の目にほぼ直接伝わり、メッセージや意味を伝えるものである。
- 物体から光が反射され、その物体の視覚的な反応を示す照明
- 人間の視覚を介さないプロセスの測定と相互作用[84]
- LEDが逆バイアスモードで動作し、光を放射するのではなく入射光に反応する狭帯域光センサー[85] [86] [87] [88]
- 大麻を含む屋内栽培。[89]
園芸におけるLEDの応用は、植物の成長と発達を最適化する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、植物栽培に革命をもたらしました。[90] LEDは、光のスペクトル、強度、および光周期を正確に制御できるため、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、作物の収穫量を向上させ、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、二酸化炭素排出量を減らし、制御された環境での生育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。[91]光スペクトルは、 Solanum lycopersicumの苗の成長、代謝プロファイル、および真菌性植物病原体に対する耐性に影響します。[92] LEDは、マイクロプロパゲーションにも使用できます。[93]
指標と兆候
LED はエネルギー消費量が少なく、メンテナンスが簡単で、サイズが小さいため、さまざまな機器や設備のステータス インジケーターやディスプレイとして使用されています。大面積の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 サインとして使用されています。薄くて軽量なメッセージ ディスプレイは、空港や鉄道駅、電車、バス、路面電車、フェリーの 行先表示として使用されています。
単色ライトは、交通信号や信号機、出口標識、緊急車両照明、船舶航行灯、LEDベースのクリスマスライトなどに適しています。
LED は寿命が長く、切り替え時間が速く、出力と焦点が合っているため昼間でも視認性が高いため、自動車のブレーキ ランプや方向指示器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るか、立ち上がり時間が白熱電球よりも約 0.1 秒速い[要出典]ため、安全性が向上します。これにより、後続のドライバーが反応する時間が増えます。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化されていない場合、ファントム アレイが作成され、目がアレイ全体をすばやくスキャンすると LED のゴースト イメージが表示されます。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、放物面反射鏡を備えた白熱電球よりもはるかに細い光を形成できるため、スタイリング上の利点があります。
低出力 LED は比較的安価なため、グロースティックやスローイングなどの一時的な用途にも広く使用されています。アーティストはLED アートにも LED を使用しています。
点灯
高効率で高出力のLEDの開発により、照明や照明器具に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賞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か月に及ぶ徹底的な現場、研究室、製品テストを無事に完了し、2011年8月3日に第1回コンテストで優勝した。[94]
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 を提供し、安価なローエンド モデルでも通常は 50 lm/W を超えているため、6 ワットの LED で標準の 40 ワット白熱電球と同じ結果を得ることができます。LED は発熱量が低いため、空調システムへの需要も減ります。世界中で、白熱灯やCFLなどの効率の悪い光源に代えて LED が急速に採用され、電気エネルギーの消費とそれに伴う排出量が削減されています。太陽光発電 LED は街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街路灯はポールや駐車場に使用されています。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。[95]
最近の[いつ? ] エアバスとボーイングのジェット旅客機の客室照明には LED 照明が使用されています。LED は空港やヘリポートの照明にも使用されています。空港の LED 照明器具には現在、中輝度の滑走路灯、滑走路中心線灯、誘導路中心線および端灯、誘導標識、障害物照明などがあります。
LEDはDLPプロジェクターの光源としても使用され、新しい液晶テレビ（ LEDテレビと呼ばれる）、コンピュータモニター（ラップトップを含む）、携帯機器の液晶のバックライトとしても使用されている。これらは古いCCFLバックライト付き液晶の後継であるが、 OLEDスクリーンに取って代わられつつある。RGB LEDは色域を最大45％拡大する。テレビやコンピュータディスプレイの画面は、バックライトにLEDを使用することで薄くすることができる。[96]
LED は小型で耐久性があり、電力をほとんど必要としないため、懐中電灯などの携帯型デバイスに使用されます。LEDストロボ ライトやカメラ フラッシュは、キセノンフラッシュランプ ベースの照明で一般的に見られる 250 ボルト以上の電圧ではなく、安全な低電圧で動作します。これは、スペースが貴重であり、かさばる電圧上昇回路が望ましくない 携帯電話のカメラで特に役立ちます。
LED は、防犯カメラなどの夜間視力の用途で赤外線照明として使用されます。ビデオカメラの周囲に LED リングを配置し、前方に反射性の背景に向けて照射すると、ビデオ制作でクロマキー合成が可能になります。
LEDは採掘作業において、採掘者に光を供給するキャップランプとして使用されています。採掘用のLEDを改良し、まぶしさを軽減し、照度を高めて採掘者の負傷のリスクを減らすための研究が行われてきました。[97]
LEDは、気分を高めるなどの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ます。[98] NASAは、宇宙飛行士の健康を促進するためにLEDを使用する研究を支援しています。[99]
データ通信およびその他の信号
光はデータやアナログ信号の伝送に使用できます。例えば、白色LEDの照明は、必要な部屋や物体を探しながら閉ざされた空間を移動する人を支援するシステムで使用できます。[100]
多くの劇場や類似の空間にある補聴装置は、赤外線 LED アレイを使用して、リスナーの受信機に音を送信します。発光ダイオード (および半導体レーザー) は、TOSLINKケーブル経由のデジタル オーディオから、インターネット バックボーンを形成する非常に高帯域幅のファイバー リンクまで、さまざまなタイプの光ファイバーケーブル経由でデータを送信するために使用されます。しばらくの間、コンピューターにはIrDAインターフェイスが一般的に装備されており、赤外線経由で近くのマシンとデータを送受信できました。
LEDは1秒間に何百万回もオンと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。 [101]そのため、競争が激化する無線帯域幅の代替として可視光通信（VLC）が提案されています。[102] VLCは電磁スペクトルの可視部分で動作するため、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
マシン ビジョンシステムでは、関心のある特徴をより簡単に処理できるように、明るく均一な照明が必要になることがよくあります。LED がよく使用されます。
バーコード スキャナーはマシン ビジョン アプリケーションの最も一般的な例であり、これらのスキャナーの多くはレーザーの代わりに赤色 LED を使用します。光学式コンピューター マウスは、マウス内の小型カメラの光源として LED を使用します。
LED はコンパクトで信頼性の高い光源を提供するため、マシン ビジョンに便利です。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はシステムの要件に合わせて調整できます。
生物学的検出
米国陸軍研究所（ARL）による窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）合金の放射再結合の発見は、生物兵器検出用の光誘起蛍光センサーに組み込まれる紫外線発光ダイオード（LED）の概念化につながった。 [103] [ 104] [105] 2004年、エッジウッド化学生物学センター（ECBC）は、 TAC-BIOという生物学的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）によって開発された半導体紫外線光源（SUVOS）を活用した。[105]
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。[105]最初のUVセンサーはレーザーであり、現場での使用には実用的ではありませんでした。これを解決するために、DARPAはSUVOSテクノロジーを組み込んで、低コスト、小型、軽量、低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、生物学的因子を感知してから1分でした。また、検出器は屋内でも屋外でも数週間にわたって無人で操作できることが実証されました。[105]
エアロゾル化した生物学的粒子は紫外線ビームの下で蛍光を発し、光を散乱させる。観察される蛍光は、適用される波長と生物学的因子内の生化学的蛍光体に依存する。紫外線誘起蛍光は、生物学的因子の検出のための迅速で正確、効率的でロジスティック的に実用的な方法を提供する。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せず、消耗品も不要で、化学副産物も生成しないプロセスであるためである。[105]
さらに、TAC-BIOは、脅威となるエアロゾルと脅威とならないエアロゾルを確実に区別することができる。低濃度を検出するのに十分な感度があるが、誤検出を引き起こすほど感度が高いわけではないとされている。この装置で使用されている粒子カウントアルゴリズムは、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た。[106]
オリジナルのTAC-BIOは2010年に導入されましたが、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て2015年に設計されました。小型で軽量な設計により、車両、ロボット、無人航空機に搭載できます。第2世代のデバイスは、病院、飛行機、さらには家庭内の空気の質を監視し、真菌やカビを検出する環境検出器としても利用できます。[107] [108]
その他のアプリケーション
LED から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使用されています。これには、赤外線 LED がよく使用されるテレビなどのリモコンが含まれます。光アイソレータは、フォトダイオードまたはフォトトランジスタと組み合わせた LED を使用し、2 つの回路間を電気的に絶縁した信号パスを提供します。これは、生体と接触する低電圧センサー回路 (通常は電池駆動) からの信号を、潜在的に危険な電圧で動作する記録装置または監視装置のあらゆる電気的障害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。光アイソレータを使用すると、共通の接地電位を共有しない回路間で情報を転送することもできます。
多くのセンサー システムは、信号を信号源として利用しています。センサーの要件により、LED は光源として理想的であることがよくあります。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 オキシメータは、酸素飽和度の測定に赤外線 LED を使用します。フラットベッド スキャナーの中には、一般的な冷陰極蛍光灯ではなく、RGB LED のアレイを光源として使用しているものもあります。3 つの照明色を個別に制御できるため、スキャナーはより正確な色バランスに調整でき、ウォームアップの必要がありません。さらに、スキャン対象のページは常に 1 色の光でのみ照らされるため、センサーは単色で十分です。
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で使用できます。[109]多くの材料と生物系は光に敏感であったり、光に依存しています。成長ライトは植物の光合成を促進するためにLEDを使用し、[110]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することができます。[15]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。[111]
220nm～395nmのスペクトル範囲を持つUV LEDは、水/空気の浄化、表面消毒、接着剤の硬化、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（295nmビタミンD、308nmエキシマランプまたはレーザーの代替）、医療/分析機器、DNA吸収などの用途があります。[104] [112]
LED は、電子回路の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 1.7 V、赤外線の場合は約 1.2 V) は、低電圧レギュレータのツェナー ダイオードの代わりに使用できます。赤色 LED は、膝より上の I/V 曲線が最も平坦です。窒化物ベースの LED は、I/V 曲線がかなり急峻であるため、この用途には役立ちません。LED の順方向電圧はツェナー ダイオードよりもはるかに電流に依存しますが、ブレークダウン電圧が 3 V 未満のツェナー ダイオードは広く入手できません。
薄型素材に組み込むのに適した LED や OLED などの低電圧照明技術の小型化が進むにつれ、光源と室内の壁面カバーを組み合わせたLED 壁紙の実験が促進されました。
研究開発
主な課題
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て、効率を最適化する必要がある。[113]
ダウンコンバージョン（材料がよりエネルギーの高い光子を異なる、よりエネルギーの低い色に変換する方法）のプロセスも改善が必要です。たとえば、現在使用されている赤色蛍光体は熱に敏感であり、温度による色の変化や効率の低下が起こらないように、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放出し、光子の変換効率を高めることもできます。[114]
さらに、電流効率の低下、色の変化、システムの信頼性、光の分布、調光、熱管理、電源性能の分野でもまだ取り組むべき課題が残っています。[113]
当初、LEDの効率低下は温度上昇によって引き起こされるのではないか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的な原因ではないことを示しました。[115]効率低下を引き起こすメカニズムは、混合反応を伴うオージェ再結合であることが2007年に特定されました。 [66] 2013年の研究では、オージェ再結合が原因であると決定的に特定されました。[116]
潜在的な技術
新しいLEDファミリーは、ペロブスカイトと呼ばれる半導体をベースにしています。2018年、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、すでに最高性能のOLEDに匹敵しました。[117]これらは、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、費用対効果が高く、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。その効率は、非放射損失を排除すること、つまり光子を生成しない再結合経路を排除すること、またはアウトカップリングの問題（薄膜LEDで一般的）を解決すること、または電荷キャリア注入のバランスをとってEQE（外部量子効率）を高めることによって優れています。最新のPLEDデバイスは、EQEを20％以上に引き上げることで、パフォーマンスの壁を打ち破りました。[118]
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、この2つの論文はPLED開発におけるマイルストーンとなりました。彼らのデバイスは同様の平面構造をしており、活性層（ペロブスカイト）が2つの電極に挟まれています。高いEQEを実現するために、彼らは非放射再結合を減らすだけでなく、EQEを向上させるために独自の微妙に異なる方法も利用しました。[118]
Caoらの研究[119]では、研究者らは、薄膜LEDの光学物理学により、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アウトカップリングの問題に焦点を当てました。[120]この目標を達成するために、彼らは、溶液処理されたペロブスカイトがサブミクロンスケールの結晶板を自発的に形成し、デバイスから効率的に光を取り出すことが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不動態化し、非放射再結合を減らすことができます。したがって、Caoと彼の同僚は、光アウトカップリングを改善し、非放射損失を減らすことで、最大20.7％のEQEを備えたPLEDを実現することに成功しました。[119]
リンと彼の同僚は、高い EQE を生成するために別の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することを選択しました。これは、高い発光とバランスのとれた電荷注入を同時に提供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ながら、電荷キャリアを最も効率的に使用できるように、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 CH 3 NH 3 ) によって完全に囲まれています。MABr シェルは、ペロブスカイト結晶に存在する非放射欠陥を不活性化し、非放射再結合を減らします。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、リンと彼の同僚は最大 20.3% の EQE を備えた PLED を開発しました。[121]
健康と安全
特定の青色LEDとクールホワイト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基準」などの目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度を超える可能性があります。 [122]ある研究では、家庭の照度での通常の使用ではリスクの証拠は示されておらず、[123]特定の職業上の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ています。[124] 2006年、国際電気標準会議は、LED光源の分類に関する初期のレーザー指向の基準の適用に代えて、 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発行しました。[125]
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が含まれている可能性がある。[126]
2016年にアメリカ医師会（AMA）は、青みがかった街灯が都市住民の睡眠覚醒サイクルに悪影響を及ぼす可能性があるという声明を発表しました。業界の批評家は、曝露レベルは顕著な影響を与えるほど高くないと主張しています。[127]
環境問題
- 光害：白色LEDは高圧ナトリウムランプなどの光源よりも短波長の光を多く放射するため、暗所視の青と緑の感度が増し、屋外照明に使用される白色LEDは空の輝きを大幅に増加させます。[55]
- 野生生物への影響: LEDはナトリウム灯よりも昆虫を引き寄せやすいため、食物連鎖を乱す可能性が懸念されている。[128] [129]海岸近くのLED照明、特に強い青と白の照明は、孵化したばかりのカメの方向感覚を失わせ、内陸部へと迷い込ませる可能性がある。 [130]保護団体は、カメに危害を与えるのを防ぐために、可視スペクトルの狭い範囲のみを発光する「カメに安全な照明」LEDの使用を推奨している。[131]
- 冬季の使用：白熱灯に比べて熱をあまり放出しないため、交通管制に使用されるLEDライトは雪で見えにくくなり、事故につながる可能性があります。[132] [133]
参照
参考文献
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さらに読む
- David L. Heiserman (1968). 発光ダイオード(PDF) . Electronics World.
- 中村修二、ゲルハルト・ファソル、スティーブン・J・ピアトン（2000年）。『青色レーザーダイオード：完全な物語』Springer Verlag。ISBN 978-3-540-66505-2。
外部リンク
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- 自分で作るLED
- 2ピンパッケージのカラーサイクルLED、
- YouTubeの LED に関する教育ビデオ