発光ダイオード 材料

発光ダイオード

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2022/12/12 23:34 UTC 版)

材料

放出された光の波長(色)は、pn接合を形成する素材のバンドギャップの大きさが関係する。発光ダイオードでは近赤外線や可視光、紫外線に至る波長に対応したバンドギャップを持つ半導体材料が用いられる。一般に発光ダイオードには発光再結合確率の高い直接遷移型の半導体が適する一方、一般的な半導体材料であるケイ素(シリコン)やゲルマニウムなど間接遷移型半導体では、電子と正孔が再結合する際に光は放出され難く、単純に熱に変わり易い。しかし、黄色や黄緑色に長く使われてきたGaAsP系やGaP系などドープした不純物の準位を介して強い発光を示す材料もあり、広く用いられている。

以下の素材を使用する事により、様々な色の発光ダイオードを作り出せる。

以下は基板として利用されている。

青色発光ダイオード

青色発光ダイオード

青色発光ダイオードは、窒化ガリウム (GaN) を材料とする、青色の光を発する発光ダイオードである。青色LEDとも書かれる。日本の化学会社、日亜化学工業株式会社が大きな市場占有率を持っている。他の有力企業としては、豊田合成星和電機がある。GaN系化合物を用いた発光ダイオードの開発と、それに続く青色半導体レーザーの実現により、紫外から純緑色の可視光短波長領域の半導体発光素子が広く実用化されるに至った。

歴史

発光ダイオードは、低電力で駆動可能な光源であるため、ディスプレイへの応用が期待されていた。RGBによるフルカラー表示のためには、光の三原色)の発光素子が必要である。このうち1980年代中頃までに、実用化されていたのは純赤色のみであった。

当時も「青色ダイオード」の名で販売されていた製品は存在したものの、色味ががかっており、純青としての実用的な高い輝度を出す製品は皆無だった。また黄緑色は赤色と共に早くから実用化されていたが、純緑色の実現には結果的に青色と同じくGaN系半導体材料が必要とされ、純緑色LEDの実用化は青色LEDの登場以降である。これらの理由で、発光ダイオードによるフルカラーディスプレイの実現は出来なかった。

純青色発光の実現のため、セレン化亜鉛 (ZnSe) 系化合物や炭化ケイ素 (SiC) を用いての研究が古くから行われ、ZnSe系による青緑 - 緑色発光ダイオードの開発に至った他、SiCの青色発光ダイオードは弱い発光強度ながら市販もされた。しかしその後、GaN系化合物による青色発光ダイオードが急速に普及したため、現在ではこれらの材料系の技術は白色発光素子や基板などの用途に転用されている。

窒化ガリウムを用いた高輝度の青色LED開発に関して、1986年に、赤﨑勇天野浩らが高品質、高純度のGaN結晶の結晶生成に成功した。天野浩は不可能とされていた「PN接合」が可能だと初めて証明した。1993年に中村修二が、世界に先駆け高輝度青色LEDを発明し、実用化した[13]

2001年8月、中村が職務上で1993年11月に発明した(職務発明)「404特許」を巡って元勤務先の日亜化学工業を提訴し、同特許の原告への帰属権確認ないし譲渡対価を巡って係争した(青色LED訴訟)。この訴訟は企業と職務発明者との関係について社会の関心を広く喚起し、裁判所は東京地方裁判所では発明の対価を約604億円と評価し200億円の支払いを命じたが、東京高等裁判所和解へと誘導し1審判決が認定した発明の対価約604億円の1/100 相当の6億円を「対価」として提示した。日亜は、(いずれにせよ対価の支払いが遅れていたので)遅延損害金を含む約8億4千万円を支払うことで和解が成立した。しかし中村はなお納得できず「高裁は山ほど提出した書面をまるで読まず、最初から和解金額を決めていた。高裁の和解案の決め方は正義とは言えない。」と指摘するために、滞在していたアメリカ合衆国から日本を訪れた[14]

2004年12月、東北大学金属材料研究所川崎雅司(薄膜電子材料化学)らの研究チームは、より安価な酸化亜鉛を用いた青色発光ダイオードの開発に成功した。青色LEDの再発明とも言われ、この成果は同年12月19日付の英科学誌ネイチャーマテリアルズ(電子版)にて発表された。

赤﨑、天野、中村の3名は青色発光ダイオードに関する業績が評価され、2014年ノーベル物理学賞を受賞した[15][16]

白色発光ダイオード

白色発光ダイオード(点灯時)

白色LEDとも書かれる。白色光とは、一般には可視光線の全波長域に亘り強度が連続している光(連続スペクトルの光)を指す用語である。発光ダイオードで得られる発光は、レーザーほどではないものの狭い波長範囲のみに限られるため、この意味での白色光は生成できない。しかし、白色のような多色光に対しては、それを構成する光の波長、すなわち、スペクトルが異なっていても、白色とヒトの視覚で認知されるように、発光スペクトルを設計する事は可能である。典型的には、テレビのように光の三原色を混合したり、補色関係にある2色を混合して、適切な強度比に設計すれば、白色だとヒトに認知される光が生成できる。白色発光ダイオードではこの原理が利用され、具体的な手法が幾つか考案された。この結果、低電圧でのDC駆動などダイオードの持つ電気的な扱い易さのみならず、光源としても高効率(低消費電力)であり、しかも寿命も既存の光源以上に長いため、LED照明として白色発光ダイオードが利用されてきたなど、気体を使わない固体光源として普及が進んだ。

蛍光体方式

青またはそれよりも波長の短い光を放つ発光ダイオードのチップに、その発光ダイオードの光により励起されて長波長の光を放つ蛍光体フォトルミネセンス)を組み合わせた方式である。発光ダイオードのチップは蛍光体で覆われており、点灯させると、発光ダイオードチップからの光の一部または全部が蛍光体に吸収され、蛍光はそれよりも長波長の光を放つ。発光ダイオードのチップが青発光であれば、チップからの青色の光に蛍光体の光が混合されて、一緒に出力される。蛍光波長や蛍光体の厚さなどを調整すれば、白色光を得られる。この蛍光体には、例えばYAG系の物が用いられる。この方式には、単一のチップとパッケージだけで、白色発光が実現可能だという利点を有する。

白色にヒトに認識される光を放つような白色発光ダイオードの実現には、青色発光ダイオードの存在が不可欠であった。蛍光体による発光では、蛍光体が受けた光より短い波長の光は得られないため、赤や緑のLEDでは短波長の成分が不足し、白色とヒトには認識されないからである。

この蛍光体方式の開発により、固体光源である白色発光ダイオードが本格的に普及した。

擬似白色発光ダイオード

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方法で、ヒトの視覚上で大変に明るく感じられる白色発光ダイオードを実現した。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だった。

擬似白色発光ダイオードは非常に高いランプ効率 (lm/W) 値を得られる点が特徴である。その理由にはヒトの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て実現した。一般に、ヒト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555 nm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ヒトは明るく感じ、視覚上大変に明るい白色発光ダイオードが実現できる。100 (lm/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、ヒトの視感度を考慮して最適化されている。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、光として取り出せる光(光子数)を増す事により高められるが、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易い。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程度に留まり、一般型蛍光灯 (Ra67) と三波長型蛍光灯(同85)の中間に当たる[17]。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物であるため、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持つ光源について、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[18]

高演色白色発光ダイオード

青色発光ダイオードと黄色の蛍光体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) が低下する[注 3]。これは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、この領域のヒトの視感度が低いため、ランプ効率の評価が低下するためである。また、透過して出力される青色光の割合を正確に揃える事が難しく、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、独立行政法人の物質・材料研究機構がβサイアロン蛍光体の開発に成功し、これを用いて大幅なランプ効率の向上が得られ、赤色や深紅色の発色の問題も解決されるとされていたが、赤色波長を多く発色させるとランプ効率は低くなる現象は物理的限界であって、改善は不可能だと確認された。発光波長の点では、紫色光 - 紫外線を発光する発光ダイオードが開発された[注 4]。これにより、蛍光灯と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た[19]

3色LED方式による白色発光

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、これを1つの発光源として白色を得る方法もある[20]。この方式は各LEDの光量を調節すれば、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。照明として用いる場合、蛍光体方式はある程度幅を有するスペクトルなのに対して、3色LED方式は赤・緑・青の鋭い3つのピークを有するのみで黄およびシアンのスペクトルが欠落している。このため、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。

連続スペクトルの白色光下と、3色LED方式による白色発光下において、照らされた物の色合いが違って見える理由を説明する。

可視光線のうち、

  1. 赤色と緑色の光を反射し他を吸収する物体
  2. 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広い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はずである。ただ実際には、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存在しないため、黄色いはずの物が黒く見えるほどの極端な結果にはならないものの、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色発光の物も作られたが、それでも演色性は連続スペクトルの白色光に劣る。

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事も難しい。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、発光ダイオードのチップからの発熱のせいで、蛍光体が劣化する問題を回避できるメリットはある。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事が逆に利点になり、色純度の高い鮮やかな表示色を得られる。


注釈

  1. ^ ダイオードのように電流の流れる向きによって電気抵抗の値が異なる部品、つまり、方向性が有る回路素子に,順方向の電圧を加えた際に、流れる電流のこと。
  2. ^ 英語: organic light-emitting diodes
  3. ^ 東芝(高演色) キレイ色の例では540lm/8.8W=63lm/Wと公称されており、高演色LEDのランプ効率はそれほど高くない。
  4. ^ 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、ヒトの比視感度の問題がある。
  5. ^ 7セグメントは、ちょうど「日」の形にLEDなどを並べて、1桁の算用数字を表示できるようにしたディスプレイを意味する。
  6. ^ JR西日本221系電車など。
  7. ^ これが原因で、赤信号を黄色信号と誤認した結果、例えば、ラッドブルック・グローブ列車衝突事故が発生した。
  8. ^ ただ、従来の方向幕方式だった名残りで、日本では「LED方向幕」と呼ばれることもある。
  9. ^ 通常の半導体加工のように、1回の加工で数千から数万個を並べる。
  10. ^ 製品例(タミヤ純正):GP.384 N-03・T-03バンパーレス LED(赤)ユニット
    過去にはLEDのみの製品もあった(レッド:No.081 グリーン:No.224)が、2017年3月現在絶版品。

出典

  1. ^ “The life and times of the LED — a 100-year history”. The Optoelectronics Research Centre, University of Southampton. (2007年4月). http://holly.orc.soton.ac.uk/fileadmin/downloads/100_years_of_optoelectronics__2_.pdf 2012年9月4日閲覧。 
  2. ^ US Patent 3293513, "Semiconductor Radiant Diode", James R. Biard and Gary Pittman, Filed on Aug. 8th, 1962, Issued on Dec. 20th, 1966.
  3. ^ “Inventor of Long-Lasting, Low-Heat Light Source Awarded $500,000 Lemelson-MIT Prize for Invention”. Massachusetts Institute of Technology. Washington, D.C.. (2004年4月21日). http://web.mit.edu/invent/n-pressreleases/n-press-04LMP.html 2011年12月21日閲覧。 [リンク切れ]
  4. ^ エジソンに続く物語:GEのエンジニア、ニック・ホロニアックのLED発明から50年GE imagination at work / 原文(英語):2012年8月15日公開)
  5. ^ 伊藤 尚未 『ゼロから理解する世界一簡単なLEDのきほん』 p.68 誠文堂新光社 2008年9月30日発行 ISBN 978-4-416-10813-0
  6. ^ 青色LED訴訟、全面和解 豊田合成株式会社、日亜化学工業株式会社
  7. ^ 日亜化学工業 NV3W470A
  8. ^ 伊藤 尚未 『ゼロから理解する世界一簡単なLEDのきほん』 p.48、p.49、p.76、p.77、p.80、p.81 誠文堂新光社 2008年9月30日発行 ISBN 978-4-416-10813-0
  9. ^ 伊藤 尚未 『ゼロから理解する世界一簡単なLEDのきほん』 p.76、p.77 誠文堂新光社 2008年9月30日発行 ISBN 978-4-416-10813-0
  10. ^ 伊藤 尚未 『ゼロから理解する世界一簡単なLEDのきほん』 p.46 誠文堂新光社 2008年9月30日発行 ISBN 978-4-416-10813-0
  11. ^ 日亜化学工業 LEDテクニカルデータ GaN系LEDの並列接続回路について (PDF)
  12. ^ Z-Power LED P7 Series - Seoul Semiconductor Co., Ltd.
  13. ^ 文部科学省平成28年版科学技術白書のp20とp28に記載されている。
  14. ^ 「腐った司法に怒り心頭」 中村教授、帰国し批判会見”. 共同通信 (2005年1月12日). 2012年1月2日閲覧。
  15. ^ 日本の3氏に2014年度ノーベル物理学賞—青色LEDの開発で nippon.com 2014年10月8日
  16. ^ 青色LEDがノーベル賞に値する理由 WIRED 2014年10月9日
  17. ^ 財団法人光産業技術振興協会光技術動向調査報告書 (PDF) (リンク切れ)
  18. ^ <研究2部報>照明用光源(LEDを含む)の演色性評価方法に関する調査研究”. 一般財団法人 日本色彩研究所. 2015年10月19日閲覧。
  19. ^ 豊田合成/ニュース/プレスリリース「高演色性 ハイパワー白色LEDランプの開発・販売」”. 豊田合成株式会社 (2003年10月7日). 2012年1月1日閲覧。
  20. ^ 製品例
  21. ^ a b 伊藤 尚未 『ゼロから理解する世界一簡単なLEDのきほん』 p.40 誠文堂新光社 2008年9月30日発行 ISBN 978-4-416-10813-0
  22. ^ 液晶ディスプレイの構造と作り方
  23. ^ 液晶、有機ELに続く!? 第3の新世代テレビ「マイクロLED」とは? - 価格.comマガジン” (日本語). kakaku.com. 2019年6月2日閲覧。
  24. ^ 世界初、1.1インチQVGA高輝度LEDディスプレイの開発に成功|2009年|ニュースリリース情報|OKIデータ”. 株式会社沖データ (2009年11月26日). 2012年1月1日閲覧。
  25. ^ http://eneken.ieej.or.jp/data/3862.pdf
  26. ^ 例 パナソニック社のLED電球
  27. ^ 12社の概要 (PDF)
  28. ^ LED電球販売業者12社に対する景品表示法に基づく措置命令文 (PDF)
  29. ^ 光量=全光束ルーメン対比表 (PDF)
  30. ^ 世界初 LEDヘッドランプの開発、実用化 株式会社小糸製作所 (PDF)
  31. ^ 次世代ヘッドライトはLEDに! All About
  32. ^ 新型「レクサスIS」のLEDヘッドランプは第4世代、消費電力は第1世代の半分以下
  33. ^ 甲子園球場の照明がついにLED化! 何が変わったのか見てきた(家電watch)
  34. ^ 伊藤 尚未 『ゼロから理解する世界一簡単なLEDのきほん』 p.66 誠文堂新光社 2008年9月30日発行 ISBN 978-4-416-10813-0
  35. ^ 伊藤 尚未 『ゼロから理解する世界一簡単なLEDのきほん』 p.66、p.67 誠文堂新光社 2008年9月30日発行 ISBN 978-4-416-10813-0
  36. ^ 伊藤 尚未 『ゼロから理解する世界一簡単なLEDのきほん』 p.62、p.63 誠文堂新光社 2008年9月30日発行 ISBN 978-4-416-10813-0
  37. ^ 風で光ゆらぐLED照明 和ろうそくの風情再現 神奈川工科大など開発『日本経済新聞』夕刊2018年3月31日(1面)
  38. ^ 産経ニュース 【水を殺菌】深紫外LED「未来の光」






発光ダイオードと同じ種類の言葉


英和和英テキスト翻訳>> Weblio翻訳
英語⇒日本語日本語⇒英語
  

辞書ショートカット

すべての辞書の索引

「発光ダイオード」の関連用語

発光ダイオードのお隣キーワード
検索ランキング

   

英語⇒日本語
日本語⇒英語
   



発光ダイオードのページの著作権
Weblio 辞書 情報提供元は 参加元一覧 にて確認できます。

   
ウィキペディアウィキペディア
All text is available under the terms of the GNU Free Documentation License.
この記事は、ウィキペディアの発光ダイオード (改訂履歴)の記事を複製、再配布したものにあたり、GNU Free Documentation Licenseというライセンスの下で提供されています。 Weblio辞書に掲載されているウィキペディアの記事も、全てGNU Free Documentation Licenseの元に提供されております。

©2023 GRAS Group, Inc.RSS