LED照明は、白熱電球のように細い線を高温にして光らせるのではありません。半導体の中で電気エネルギーを直接光へ変える発光ダイオードを使っています。
ただし、LED照明はLED素子だけで完成するわけではありません。家庭の交流電源をLEDに適した電流へ変えるドライバ回路、発生した熱を逃がす放熱構造、白い光をつくる蛍光体、光を必要な方向へ広げるレンズやカバーなどが組み合わさって、一つの照明として働きます。
LEDの仕組みを知ると、なぜ少ない電力で明るくできるのか、なぜ白色化に蛍光体が使われるのか、なぜ熱対策や電源回路が寿命や光の品質へ影響するのかがつながって見えてきます。
LEDは電気を光へ変える半導体素子
LEDはLight Emitting Diodeの略で、日本語では発光ダイオードと呼ばれます。基本となるのは、p型半導体とn型半導体を接合したpn接合です。
p型半導体では正孔、n型半導体では電子が電流を運ぶ主な担い手になります。pn接合へ順方向の電圧を加えると、電子と正孔が接合部付近へ注入されます。
国内のLED基礎解説では、このpn接合でのキャリア注入と再結合が発光の中心になると説明されています。
電子と正孔が再結合するときに光が出る
n型側から来た電子とp型側から来た正孔が出会うと、再結合が起こります。そのとき、電子が持っていたエネルギーの一部が光として放出されます。
この光のエネルギーは、使われる半導体材料のバンドギャップと深く関係しています。そのため、材料の組成を変えることで、赤、緑、青など異なる波長の光をつくることができます。
LEDは「電気で金属を熱して光らせる」のではなく、「半導体内の電子状態の変化で光を生む」光源です。これが白熱電球との大きな違いです。
発光した光を外へ取り出す構造も重要
半導体内部で光が生まれても、そのすべてが照明として外へ出るわけではありません。半導体と空気では屈折率が大きく異なるため、内部で反射して外へ出にくい光もあります。
そのため、LEDでは素子形状、封止材料、レンズ、反射構造などを工夫して、内部で生じた光をできるだけ外へ取り出します。
国内の発光ダイオード解説でも、LED全体の効率には、pn接合での発光効率だけでなく、素子形状や電極構造などによる光取り出し効率が大きく関わるとされています。
LEDはもともと白色を出す素子ではない
一般照明では白い光が必要ですが、LED素子は基本的に特定の波長域を中心とした光を出します。
米国エネルギー省は、LEDは本来ほぼ単色の光を出す光源であり、一般照明用の白色光には別の工夫が必要だと説明しています。
白色LEDをつくる代表的な方法は、青色LEDの光を蛍光体へ当て、青色の一部を黄色や赤・緑などの長い波長の光へ変換し、それらを混ぜる方法です。
青色LEDと蛍光体を組み合わせて白色をつくる
現在広く使われる方式の一つが、青色LEDと蛍光体を組み合わせる方法です。
青色LEDから出た光の一部はそのまま外へ出ます。別の一部は蛍光体へ吸収され、黄色など別の波長の光として再放出されます。人の目には、それらの光が混ざって白色に見えます。
国内の白色LED用蛍光体の解説でも、青色LEDと蛍光体の組み合わせが一般照明用白色LEDの主要な仕組みとして説明されています。
蛍光体の種類や量を変えると、暖かみのある電球色から白っぽい昼白色まで、光の色や色の見え方を調整できます。
複数色のLEDを混ぜて白色をつくる方法もある
白色光は、赤・緑・青など複数色のLEDを同時に点灯し、光を混ぜてつくることもできます。
米国エネルギー省は、白色LEDの方法として、蛍光体変換方式のほか、複数の単色LEDを混色する方式や、両者を組み合わせる方式を挙げています。
複数色LED方式では、各色の出力を変えることで色を細かく調整しやすい一方、温度や経年変化で色ごとの出力が変わるため、安定した白色を保つ制御が重要になります。
家庭の交流電源をLED用の電流へ変えるドライバが必要
家庭のコンセントから来る電気は交流ですが、LEDは適切な直流電流で駆動する必要があります。
そのためLED照明には、交流を整流し、LEDへ流す電流を制御するドライバ回路が組み込まれています。
米国エネルギー省は、LEDランプがLED光源だけでなく、LEDドライバ、口金、光学・熱・機械・電気部品から構成されると説明しています。
つまり、LED照明の性能はLEDチップだけでなく、電源回路を含む器具全体で決まります。
ドライバは明るさの安定や調光にも関わる
LEDは流れる電流が変わると光出力もすばやく変わります。そのため、ドライバが安定した電流を供給できるかどうかは、明るさの安定に直接関係します。
また、調光対応のLED照明では、ドライバが電流を調整したり、高速な制御を行ったりして明るさを変えます。
ドライバと調光器の相性が悪いと、ちらつき、点灯不良、調光範囲の不足などが起こることがあります。LED照明では、光源と電源制御を一体として考える必要があります。
LEDは高効率でも熱を出さないわけではない
LEDは白熱電球に比べて、入力した電力を効率よく可視光へ変えられます。しかし、電力のすべてが光になるわけではなく、半導体やドライバでは熱も発生します。
この熱が素子周辺へたまると、光出力の低下、色の変化、部品の劣化につながることがあります。
そのため、LED照明には放熱板、金属基板、器具本体などを使って、熱を外へ逃がす構造が組み込まれています。
放熱構造は寿命と性能を支える
LEDは発光面から強い赤外線を出して周囲を暖める光源ではありませんが、内部で生じた熱を適切に逃がす必要があります。
放熱が不十分だと、LED接合部の温度が上がり、光束低下が早くなったり、電源回路の部品寿命が短くなったりする可能性があります。
このため、同じLED素子を使っていても、器具の放熱設計によって長期的な性能が変わります。
レンズやカバーは光を必要な方向へ届ける
LEDは小さな発光部から強い光を出せるため、レンズや反射板で光の方向を制御しやすい特徴があります。
スポットライトでは狭い方向へ集中させ、シーリングライトでは広い範囲へ拡散させるなど、用途に応じて配光を変えられます。
米国エネルギー省も、LEDの小さな発光面と高い輝度は光学制御に有利で、必要な場所へ効率よく光を届けやすいと説明しています。
つまりLED照明の役割は、単に光を発生させるだけでなく、その光を必要な方向へ届けるところまで含まれます。
LED照明は複数の部品が役割分担している
一般的なLED照明は、次のような部分が協力して働きます。
- LED素子：電子と正孔の再結合によって光を生む。
- 蛍光体：青色などの光を別の波長へ変換し、白色光をつくる。
- ドライバ回路：交流電源をLEDに適した電流へ変換・制御する。
- 放熱部品：LEDや回路で生じた熱を外へ逃がす。
- レンズ・カバー：光を広げたり集中させたりし、まぶしさや配光を調整する。
どれか一つだけ優れていても、照明器具全体の性能が自動的に高くなるわけではありません。効率、寿命、色、配光、ちらつきなどは、これらの組み合わせで決まります。
LEDが照明で広く使われるのは構造上の特徴を活かせるから
LEDは、電気から光への変換効率が高く、小型で、瞬時に点灯し、光量制御もしやすい光源です。
さらに、小さな発光部を光学部品と組み合わせることで、必要な方向へ光を送りやすく、センサーや調光制御とも組み合わせやすい特徴があります。
米国エネルギー省は、LED照明の利点として、高効率だけでなく、小型、瞬時点灯、調光・色制御、光学制御のしやすさなどを挙げています。
つまり、LEDの役割は「省エネな電球の代わり」だけではありません。半導体という性質を利用して、光の量・色・方向・時間を細かく制御できる照明プラットフォームになっています。
まとめ：LED照明は半導体・蛍光体・電源・放熱・光学の組み合わせ
LEDが光る基本原理は、pn接合へ順方向電圧を加え、電子と正孔が再結合するときに光を放出することです。発光する色は半導体材料の性質によって決まり、一般照明の白色光は青色LEDと蛍光体などを組み合わせてつくられます。
一方、実際のLED照明には、家庭の交流電源を制御するドライバ、熱を逃がす放熱構造、光を必要な方向へ届けるレンズやカバーも必要です。
そのためLED照明は、一つの半導体素子だけではなく、複数の部品が役割を分担するシステムです。この仕組みを理解すると、省エネ、長寿命、色制御、調光、配光といったLED照明の特徴を、ばらばらの性能ではなく一つの構造として理解できます。
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参考資料
- 応用物理「今さら聞けない？ 若手会員のためのLED基礎」
- 応用物理「白色LED照明の用途に向けた蛍光体」
- U.S. Department of Energy「LED Basics」
- U.S. Department of Energy「Light Emitting Diode Lamps」
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