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青色発光ダイオード(LED)への期待
2014.10.08

先日のニュースにて、青色発光ダイオード(LED)の貢献にて日本人3名がノーベル物理学賞を受賞しました。
臨床工学技士の国家試験にもダイオードについての出題もあります。

そこで、今回はこのLEDについて少し説明したいと思います。

写真は三重県にある「なばなの里」ウンターイルミネーションの光景です。
ここは毎年、テーマのある国内最大級のLEDで彩られたイルミネーションをみることができます。

なばなの里イルミネーション01  なばなの里イルミネーション02

現在ほとんどのイルミネーションの光には「発光ダイオード(LED)」という照明が使われています。発光ダイオード(LED ; Light Emitting Diode)を直訳すると、「光を発生する半導体(ダイオード)」で、電気を流すと発光する半導体の一種です。


<第4世代の輝き>
発光ダイオード(LED)は蛍光灯に続く、人類が手に入れた第4世代のあかりとして期待されています。
あかりの歴史を振り返ると、1810年ごろ各国にガス灯が普及し始めました。
1879年には白熱灯が、1938年には蛍光灯が普及し始めています。
そして、1996年には現在の発光ダイオード(LED)照明の原型となる白色発光LEDが誕生しました。

なばなの里イルミネーション03  なばなの里イルミネーション04

発光ダイオード(LED)単体でみると、1960年頃に赤色と黄緑色のLEDが開発されて以来、表示用途で実用化されていました(1907年にはLEDの現象は発見されていました)。その後、赤などのLEDは前東北大学総長の西澤潤一の手によって高輝度化され、照明、表示用用途が広がっていきました。

さらに1993年に発光ダイオード(LED)の現在の発展につながったと言われる青色LEDが登場しました。当時日亜化学工業株式会社に勤めていた中村修二さんが実用レベルに至る青色発光LED用GaN基板製造技術を開発しました。

そして最近ではわずか、数十年で蛍光灯の効率に追いつき追い越すまでに達した白色LED。今後の第4世代のあかりとして期待できます。

なばなの里イルミネーション05  なばなの里イルミネーション06

<発光ダイオード(LED)の利用例>
LEDは日常生活においては、必要不可欠な存在となっています。
最近では以下の様に様々な所で使用されています。
・照明機器
・信号・街灯・イルミネーション・点字ブロック
・バックライト
・ネオンサイン、街頭表示モニター
・大型ビジョン
・液晶テレビ
・医療機器
・漁業での照明
・レーザプリンターの感光用光源
 

なばなの里イルミネーション07  なばなの里イルミネーション08

<発光ダイオード(LED)が光る仕組み>
現在、照明は白熱電球や蛍光灯がほとんどです。
白熱電球は、熱に強い金属でできたフィラメントに電気を流し、高温にして発光させています。また、蛍光灯は、菅のはしについたフィラメントに電気を流し、菅の中で発生した紫外線が、蛍光物質にぶつかることで光ります。
ところが、発光ダイオード(LED)の発光のしくみは、白熱電球や蛍光灯とまったく異なります。

発光ダイオード(LED)チップに順方向に電圧をかけると、LEDチップの中を電子と正孔が移動し電流が流れます。移動の途中で電子と正孔がぶつかると結合します。その時に生じた余分なエネルギーが光のエネルギーに変換されて発光します。これが、発光ダイオード(LED)の発光原理です。

つまり、発光ダイオード(LED)は、白熱電球や蛍光灯とちがって、電気を直接、光に変えるため効率よく光に変えられるので、消費電力が少なくて済みます。

なばなの里イルミネーション09  なばなの里イルミネーション10

<発光ダイオード(LED)の発光色>
LEDの光には赤や青、緑などの光を発光します。
その違いはLEDに使われている化合物にあります。
化合物にはP(リン)、N(窒素)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Al(アルミニウム)、As(砒素)など、半導体を構成する化合物によって、放出される光の波長が違ってきます。

光の波長は、青色(約450nm)、緑色(約520nm)、赤色(約660nm)です。この波長の違いが、LEDの発光色を決めています。

最近注目されている白色LEDは2色以上の光をまぜて表現します。主流としては、青色LED+蛍光体方式であり、青色LEDの光を蛍光体に通して白色発光させます。それに、加え補色光(黄色など)を加えることにより、より自然な白に見えるようになっています。
その他の方式として、光の3原色(赤色、青色、緑色)を組み合わせる方法もあります。一般的にはディスプレイや大型映像装置などに使われます。

なばなの里イルミネーション11  なばなの里イルミネーション12

<発光ダイオード(LED)の種類>
LEDの発光原理は基本的に同じですが、形状で分類できます。

1.砲弾型発光ダイオード(LED)
リードフレームと一体化したカップ内にLEDチップを実装し、カップ内に蛍光体を分散させた樹脂を封入して、その周りを砲弾型に樹脂で固定したものです。

2.表面実装型(SMD)発光ダイオード(LED)
セラミックや樹脂などで成型したキャビティ(製品の成形のために,金型を彫り込んで凹ませた部分,という意味)の中にLEDチップを実装し、キャビティに蛍光体を分散させたエポキシやシリコーンなどの樹脂を封入します。
キャビティー内側の面には反射板の機能があり、多くの光が取り出せる構造です。

なばなの里イルミネーション13  なばなの里イルミネーション14

<発光ダイオード(LED)の利点(特徴)>
1.長寿命
LEDの平均寿命(硬度が50%に半減する時間数)は、メーカー指定条件下で、35000時間〜100000時間といわれています。LEDの色種・使用方法及び条件によって、耐用時間数は大きく変わりますが半導体が発光するLEDは、通常の住宅で使われている蛍光灯に比べ寿命が5倍位長いのが特徴です。その為、取替えがし難い交通信号などにいち早く利用されてきました。

2.低消費電力(省エネ)
LEDは、蛍光灯に比べると発光効率(1W当の光の量)が良いため、消費電力が少なくなります。従来の40W蛍光灯と比べると、実質消費電力45Wを19Wに削減と、かなりの省エネと言えます。また、発熱が少ない為、夏の暑い室内での冷房効果が上がります。

白熱電球は消費電力の90%以上が熱にかわるので発光効率は10%ほどです。蛍光灯は同様に25%の発光効率です。LEDは現在30%以上の発光効率をもっており、さらに効率アップの研究が行われています。

3.視認性
LEDは電球やネオンに比べ輝度が高く、屋内外を問わずに視認性が非常に優れているため昼夜関わらず幅広く使用できます。

4.省資源
LEDは、光源自体が小型化・薄型化が可能なため、器具のデザインがコンパクトにでき、器具の小型化が容易で照明器具としても自由な設計が可能となるため、結果的に省資源となります。また、寿命が長いことも省資源につながる要素と言えます。

5.地球環境保護
蛍光灯と比べ、熱線量・紫外線が少ない為、照射面に触っても熱くなく安心です。
また、光による劣化を防いだり、目にも優しい為、幅広く利用できる光源です。
そして、水銀などの有害化学物質を含んでいません。

6.低紫外線・赤外線
紫外線をほとんど出さない為、色あせ予防や防虫に効果があります。そのため美術館の絵の額縁に埋め込んで光らせても、絵を傷めることがありません。
また、調光・点滅が自在です。

7.安全性
LEDはガラスではなくプラスチックでつくられています。だから、万が一落としても割れる心配がありません。

なばなの里イルミネーション15  なばなの里イルミネーション16

<発光ダイオード(LED)の欠点>
1.熱に弱い
LEDは高温になれば成る程、寿命が短くなります。日亜化学工業の調べによると、35℃で50000時間、80℃で8000時間と言われています。

2.価格が高い
これからの普及により価格の低下を期待しますが、現在の価格は約5,000〜20,000円ほどします。

3.規格の問題
統一規格がないので、優秀な商品と粗悪品が混在している。現在世界規格を検討中。

なばなの里イルミネーション17  なばなの里イルミネーション18

<信号機に発光ダイオード(LED)を利用する利点>
すでにいろいろな分野で利用されているLED。従来(現在も)信号機の明かりには電球が使われています。しかし、最近ではLEDを使った信号機をよく見かけるようになりました。従来の電球では光が広がりやすいのに対して、LEDは光の広がりが小さく、直進する性質を持っているので、遠くからでも確認しやすく、ドライバーから見やすいという長所もあります。

また、長く使えるLEDにかえることで、1年に1回の割合で行われていた点検が、数年に1回で済むとも言われています。

省エネの面からも、LED交通信号機は従来の電球式信号灯器に比べてエネルギー効率が格段に高く、消費電力量は車両用で70Wから12Wと1/6程度、歩行者用で60Wから12Wと1/5に削減されます。

さらに、2002年に警視庁から公表された試算によると、全国の信号機が消費する年間総電力量は、車両用の場合、LED式は電球式より4億9000万kw少ない、1億3000万kw、歩行者用では3億500万kw減の1億100kwに抑えられることがわかっています。

その結果、環境省のCO2排出係数で試算すると、日本全国の従来の交通信号灯器を全てLED式信号灯器へ交換することにより、年間9.35億kWhの節電となり、原油に換算すると約22.8万キロリットル、植樹に換算すると約2,500万本の樹木を植林したのと同じCO2削減効果が得られることになります。

なばなの里イルミネーション19  なばなの里イルミネーション20

LEDを利用した技術の中で、期待されているのが白色LEDを利用した照明です。消費電力が少なく、長持ちするLEDは、白熱電球や蛍光灯に代わる照明として注目されています。まだ照明器具としては蛍光灯などと比較すると高価であること、また、発光効率が低いことなどの課題はありますが、第4世代のあかりとして大いに期待できます。

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〒450-0003 名古屋市中村区名駅南2-7-2(名古屋駅・伏見駅から徒歩12分)
TEL:052-588-2977(学校代表) FAX:052-588-2978

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青色発光ダイオード(LED)への期待

先日のニュースにて、青色発光ダイオード(LED)の貢献にて日本人3名がノーベル物理学賞を受賞しました。
臨床工学技士の国家試験にもダイオードについての出題もあります。

そこで、今回はこのLEDについて少し説明したいと思います。

写真は三重県にある「なばなの里」ウンターイルミネーションの光景です。
ここは毎年、テーマのある国内最大級のLEDで彩られたイルミネーションをみることができます。

なばなの里イルミネーション01  なばなの里イルミネーション02

現在ほとんどのイルミネーションの光には「発光ダイオード(LED)」という照明が使われています。発光ダイオード(LED ; Light Emitting Diode)を直訳すると、「光を発生する半導体(ダイオード)」で、電気を流すと発光する半導体の一種です。


<第4世代の輝き>
発光ダイオード(LED)は蛍光灯に続く、人類が手に入れた第4世代のあかりとして期待されています。
あかりの歴史を振り返ると、1810年ごろ各国にガス灯が普及し始めました。
1879年には白熱灯が、1938年には蛍光灯が普及し始めています。
そして、1996年には現在の発光ダイオード(LED)照明の原型となる白色発光LEDが誕生しました。

なばなの里イルミネーション03  なばなの里イルミネーション04

発光ダイオード(LED)単体でみると、1960年頃に赤色と黄緑色のLEDが開発されて以来、表示用途で実用化されていました(1907年にはLEDの現象は発見されていました)。その後、赤などのLEDは前東北大学総長の西澤潤一の手によって高輝度化され、照明、表示用用途が広がっていきました。

さらに1993年に発光ダイオード(LED)の現在の発展につながったと言われる青色LEDが登場しました。当時日亜化学工業株式会社に勤めていた中村修二さんが実用レベルに至る青色発光LED用GaN基板製造技術を開発しました。

そして最近ではわずか、数十年で蛍光灯の効率に追いつき追い越すまでに達した白色LED。今後の第4世代のあかりとして期待できます。

なばなの里イルミネーション05  なばなの里イルミネーション06

<発光ダイオード(LED)の利用例>
LEDは日常生活においては、必要不可欠な存在となっています。
最近では以下の様に様々な所で使用されています。
・照明機器
・信号・街灯・イルミネーション・点字ブロック
・バックライト
・ネオンサイン、街頭表示モニター
・大型ビジョン
・液晶テレビ
・医療機器
・漁業での照明
・レーザプリンターの感光用光源
 

なばなの里イルミネーション07  なばなの里イルミネーション08

<発光ダイオード(LED)が光る仕組み>
現在、照明は白熱電球や蛍光灯がほとんどです。
白熱電球は、熱に強い金属でできたフィラメントに電気を流し、高温にして発光させています。また、蛍光灯は、菅のはしについたフィラメントに電気を流し、菅の中で発生した紫外線が、蛍光物質にぶつかることで光ります。
ところが、発光ダイオード(LED)の発光のしくみは、白熱電球や蛍光灯とまったく異なります。

発光ダイオード(LED)チップに順方向に電圧をかけると、LEDチップの中を電子と正孔が移動し電流が流れます。移動の途中で電子と正孔がぶつかると結合します。その時に生じた余分なエネルギーが光のエネルギーに変換されて発光します。これが、発光ダイオード(LED)の発光原理です。

つまり、発光ダイオード(LED)は、白熱電球や蛍光灯とちがって、電気を直接、光に変えるため効率よく光に変えられるので、消費電力が少なくて済みます。

なばなの里イルミネーション09  なばなの里イルミネーション10

<発光ダイオード(LED)の発光色>
LEDの光には赤や青、緑などの光を発光します。
その違いはLEDに使われている化合物にあります。
化合物にはP(リン)、N(窒素)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Al(アルミニウム)、As(砒素)など、半導体を構成する化合物によって、放出される光の波長が違ってきます。

光の波長は、青色(約450nm)、緑色(約520nm)、赤色(約660nm)です。この波長の違いが、LEDの発光色を決めています。

最近注目されている白色LEDは2色以上の光をまぜて表現します。主流としては、青色LED+蛍光体方式であり、青色LEDの光を蛍光体に通して白色発光させます。それに、加え補色光(黄色など)を加えることにより、より自然な白に見えるようになっています。
その他の方式として、光の3原色(赤色、青色、緑色)を組み合わせる方法もあります。一般的にはディスプレイや大型映像装置などに使われます。

なばなの里イルミネーション11  なばなの里イルミネーション12

<発光ダイオード(LED)の種類>
LEDの発光原理は基本的に同じですが、形状で分類できます。

1.砲弾型発光ダイオード(LED)
リードフレームと一体化したカップ内にLEDチップを実装し、カップ内に蛍光体を分散させた樹脂を封入して、その周りを砲弾型に樹脂で固定したものです。

2.表面実装型(SMD)発光ダイオード(LED)
セラミックや樹脂などで成型したキャビティ(製品の成形のために,金型を彫り込んで凹ませた部分,という意味)の中にLEDチップを実装し、キャビティに蛍光体を分散させたエポキシやシリコーンなどの樹脂を封入します。
キャビティー内側の面には反射板の機能があり、多くの光が取り出せる構造です。

なばなの里イルミネーション13  なばなの里イルミネーション14

<発光ダイオード(LED)の利点(特徴)>
1.長寿命
LEDの平均寿命(硬度が50%に半減する時間数)は、メーカー指定条件下で、35000時間〜100000時間といわれています。LEDの色種・使用方法及び条件によって、耐用時間数は大きく変わりますが半導体が発光するLEDは、通常の住宅で使われている蛍光灯に比べ寿命が5倍位長いのが特徴です。その為、取替えがし難い交通信号などにいち早く利用されてきました。

2.低消費電力(省エネ)
LEDは、蛍光灯に比べると発光効率(1W当の光の量)が良いため、消費電力が少なくなります。従来の40W蛍光灯と比べると、実質消費電力45Wを19Wに削減と、かなりの省エネと言えます。また、発熱が少ない為、夏の暑い室内での冷房効果が上がります。

白熱電球は消費電力の90%以上が熱にかわるので発光効率は10%ほどです。蛍光灯は同様に25%の発光効率です。LEDは現在30%以上の発光効率をもっており、さらに効率アップの研究が行われています。

3.視認性
LEDは電球やネオンに比べ輝度が高く、屋内外を問わずに視認性が非常に優れているため昼夜関わらず幅広く使用できます。

4.省資源
LEDは、光源自体が小型化・薄型化が可能なため、器具のデザインがコンパクトにでき、器具の小型化が容易で照明器具としても自由な設計が可能となるため、結果的に省資源となります。また、寿命が長いことも省資源につながる要素と言えます。

5.地球環境保護
蛍光灯と比べ、熱線量・紫外線が少ない為、照射面に触っても熱くなく安心です。
また、光による劣化を防いだり、目にも優しい為、幅広く利用できる光源です。
そして、水銀などの有害化学物質を含んでいません。

6.低紫外線・赤外線
紫外線をほとんど出さない為、色あせ予防や防虫に効果があります。そのため美術館の絵の額縁に埋め込んで光らせても、絵を傷めることがありません。
また、調光・点滅が自在です。

7.安全性
LEDはガラスではなくプラスチックでつくられています。だから、万が一落としても割れる心配がありません。

なばなの里イルミネーション15  なばなの里イルミネーション16

<発光ダイオード(LED)の欠点>
1.熱に弱い
LEDは高温になれば成る程、寿命が短くなります。日亜化学工業の調べによると、35℃で50000時間、80℃で8000時間と言われています。

2.価格が高い
これからの普及により価格の低下を期待しますが、現在の価格は約5,000〜20,000円ほどします。

3.規格の問題
統一規格がないので、優秀な商品と粗悪品が混在している。現在世界規格を検討中。

なばなの里イルミネーション17  なばなの里イルミネーション18

<信号機に発光ダイオード(LED)を利用する利点>
すでにいろいろな分野で利用されているLED。従来(現在も)信号機の明かりには電球が使われています。しかし、最近ではLEDを使った信号機をよく見かけるようになりました。従来の電球では光が広がりやすいのに対して、LEDは光の広がりが小さく、直進する性質を持っているので、遠くからでも確認しやすく、ドライバーから見やすいという長所もあります。

また、長く使えるLEDにかえることで、1年に1回の割合で行われていた点検が、数年に1回で済むとも言われています。

省エネの面からも、LED交通信号機は従来の電球式信号灯器に比べてエネルギー効率が格段に高く、消費電力量は車両用で70Wから12Wと1/6程度、歩行者用で60Wから12Wと1/5に削減されます。

さらに、2002年に警視庁から公表された試算によると、全国の信号機が消費する年間総電力量は、車両用の場合、LED式は電球式より4億9000万kw少ない、1億3000万kw、歩行者用では3億500万kw減の1億100kwに抑えられることがわかっています。

その結果、環境省のCO2排出係数で試算すると、日本全国の従来の交通信号灯器を全てLED式信号灯器へ交換することにより、年間9.35億kWhの節電となり、原油に換算すると約22.8万キロリットル、植樹に換算すると約2,500万本の樹木を植林したのと同じCO2削減効果が得られることになります。

なばなの里イルミネーション19  なばなの里イルミネーション20

LEDを利用した技術の中で、期待されているのが白色LEDを利用した照明です。消費電力が少なく、長持ちするLEDは、白熱電球や蛍光灯に代わる照明として注目されています。まだ照明器具としては蛍光灯などと比較すると高価であること、また、発光効率が低いことなどの課題はありますが、第4世代のあかりとして大いに期待できます。

2014.10.08

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