LEDランプの製品原理

LED（Light Emitting Diode）は発光ダイオードの略で、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。チップの一端はブラケットに固定され、一端は負極、もう一端は電源の正極に接続され、チップ全体がエポキシ樹脂で封止されています。

半導体チップは2つの部分で構成されています。片方は正孔が優勢なP型半導体で、もう片方は電子が優勢なN型半導体です。この2つの半導体を接続すると、PN接合が形成されます。電流が配線を通してチップに作用すると、電子はP領域に押し出され、そこで正孔と再結合して光子の形でエネルギーを放出します。これがLEDの発光原理です。光の波長、つまり光の色は、PN接合を形成する材料によって決まります。

LED は、赤、黄、青、緑、緑、オレンジ、紫、白の光を直接放射します。

当初、LEDは計器やメーターの表示光源として使われていました。その後、様々な色のLEDが信号機や大面積ディスプレイに広く使用され、良好な経済的・社会的効果を生み出しました。12インチの赤色信号灯を例に挙げましょう。米国では当初、長寿命で発光効率が低い140ワットの白熱電球が光源として使用され、2000ルーメンの白色光を発していました。赤色フィルターを通過すると光量は90％減少し、赤色光はわずか200ルーメンしか残りません。ルミレッズ社が新たに設計したランプでは、回路損失を含めて18個の赤色LED光源を採用しています。総消費電力は14ワットで、同等の発光効果を生み出すことができます。自動車信号灯もLED光源の重要な応用分野です。

一般照明には、より多くの白色光源が必要です。1998年に白色LEDの開発に成功しました。この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）をパッケージングして作られています。GaNチップは青色光（λP = 465nm、Wd = 30nm）を放射し、高温で焼結したCe3+を含むYAG蛍光体は、この青色光で励起された後に黄色光を放射します。ピーク値はLEDランプmで550nです。青色LED基板は、約200〜500nmのYAGを混合した樹脂の薄い層で覆われたボウル型の反射キャビティに設置されています。LED基板からの青色光の一部は蛍光体によって吸収され、青色光の残りの一部は蛍光体からの黄色光と混合されて白色光が得られます。

InGaN/YAG白色LEDは、YAG蛍光体の化学組成を変化させ、蛍光体層の厚さを調整することで、色温度3500～10000Kの様々な白色光を得ることができます。青色LEDから白色光を得るこの方法は、構造がシンプルでコストが低く、技術的成熟度が高いため、広く利用されています。