LEDは省エネタイプの照明器具と言われていますが、LEDが何故、省エネになるのを知っている方は少ないでしょう。白熱電球、蛍光灯、LEDの発光の歴史や仕組み、LED照明の利点や、LEDも発熱することなども含めて、分かりやすく紹介しています。
LED照明が省エネルギーの仕組み
LED照明は半導体素材を合わせて、直接、光エネルギーに変えています。直接エネルギー変換できるため、変換に伴う損失は小さくて済みます。
そのためLED照明は、省エネルギーなのです。
白熱電球による照明は、フィラメントに電流を流して2,500℃〜3,000℃に発熱させることで光を得ています。
蛍光灯は複雑な構造のため、製造工程も複雑になって、様々なエネルギーを使います。
白熱電球や、蛍光灯に比べると、LED照明はエネルギーロスが少ないために省エネなのです。
照明の変遷
人類の生活には、照明方法が大きく関わってきました。大雑把な歴史を振り返ると次のようになります。
- 太古の人類は、たき火で外敵から身を守り、たき火を暗い夜を照らす灯りとしても使ってきました。近世になると鯨の脂や石油を使ったランプやガス灯が開発されます。
- 1870年代には電気を使った白熱電球の時代になります。
- 水銀灯の商用化が可能になると、1950年代には蛍光灯が一般家庭に普及します。
- そして、2010年代は、LED照明の時代と言われるようになりました。
照明エネルギーの仕組み
次に白熱電球、蛍光灯、LED照明について、明かりを発生する仕組みを紹介します。
白熱電球
白熱電球は、電球のフィラメントに電流を流して2,500℃〜3,000℃に発熱させることで光を得ています。
白熱電球は、フィラメントを発熱させるため、大きな抵抗で、かつ、長い時間劣化に耐えるフィラメント素材が必要です。
蛍光灯
蛍光灯は、ガラス管の中に水銀原子を閉じ込めています。ガラス管の電極から電子を放出して水銀原子にぶつけると、紫外線が飛び出します。
この紫外線が、ガラス管の内側に塗られた蛍光塗料を白く光らせることで発光しています。
このような仕組みの蛍光灯は複雑な構造のため、製造工程も複雑です。
LED照明
LEDは、Light Emitting Diode（発光ダイオード）の頭文字です。
LEDは、p型半導体とn型半導体を合せて、順方向電圧（p型に＋、n型に－）を加えることで電子のエネルギーを直接、光エネルギーに変換しています。
印加する電圧が、半導体の素材によって決まっている電圧値を超えると電流が流れ始め、電流値に応じた光を放出し始める仕組みです。
放出される光の波長も、半導体素材によって決まっていて、現在では赤外線領域から紫外線線領域まで発光させることができます。
ただし、1950年代（以降）の実用化段階では白色にできなかったため、インジケータなどの表示用途として使われていました。
1993年に青色LEDが実用化されると、1996年に黄色の蛍光体との組合せで白色に発光するLEDが完成しました。以降LEDは、照明用として使われています。
LED照明のメリット
LEDは、p型とn型の半導体素材を合わせて、順方向電圧を加えることで電気エネルギーを直接、光エネルギーに変換してくれます。
直接エネルギー変換できるため損失が少なく、消費エネルギーを抑えられるのです。
一般的なエネルギーの変換ロスは、熱エネルギーです。発熱量が少ないと、劣化進行性も抑えられて寿命は長くなります。
つまり、LEDは、半導体素材を使用していることと合せて、低温稼働のため寿命は長いのです。
《注意》
LEDは変換ロスが少ないため誤解されますが、発熱はします。そのため、LEDでもワット数の大きな用途の場合には、発熱も考慮して、放熱させることが求められます。
LED照明のその他のメリット
LEDは半導体素材によって、放出する光の波長を変えることができます。この特徴は、LED照明に次のようなメリットを持たせています。
- 有害な紫外線や赤外線を含まない光源を作れるため、美術館や博物館などの展示照明に有効。
- 紫外線領域の光線を使って、滅菌や殺菌効果が生まれる。
- 植物の成長に有益な光波長を選んで照射できる。
- 複雑な構造をしていないため製造工程もシンプルに出来る。
まとめ
LEDは半導体素材を合わせて、順方向電圧を加えることで電気エネルギーを直接、光エネルギーに変換してくれます。
直接エネルギー変換できるため、変換に伴う損失が小さくなって。消エネになります。
その上、変換ロス時に生じる発熱量も小さくなるため、半導体素材を使用していることと合せて、長寿命化を実現しています。
