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白色発光ダイオード

10.18

白色発光ダイオード

白色LEDとも呼ばれる。白色光とは、一般的に可視光線の全スペクトル域に渡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光は、レーザーほどではないもののかなり狭い波長範囲に限られるため、この意味での白色光を生成することはできない。しかし、白色のような多色光に対しては、スペクトルが違うが同一の色と人間の眼に認知させるようにスペクトル設計することが可能である。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、具体的な手法がいくつか考案されている。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やすさのみならず、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ことから、LED照明として白色発光ダイオードが利用されるなど、気体を使わない固体光源として普及が進んでいる。

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を組み合わせた方式。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ともに出力される。蛍光波長や蛍光体の厚さなどを調整すれば白色光を得ることができる。この蛍光体には、例えばYAG系のものが用いられる。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がある。

白色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に認識されないからである。そして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することとなった。

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ことによって、視覚上で大変に明るい白色発光ダイオードを実現している。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となった。

擬似白色発光ダイオードは非常に高いランプ効率 (lm/W) 値が得られることが特徴である。その理由には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ることによって実現されている。一般に、人間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555nm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人は明るく感じ、視覚上大変に明るい白色発光ダイオードが実現できる。100lm/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視感度を考慮した最適化がなされている。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、光として取り出すことのできる光(光子数)を増すことにより高めることができるが、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。しかし、青色ダイオードが発するスペクトルが人間の目に良くない健康被害をもたらす事が医学的に証明されているので、この先どのように解決されるかが課題である。

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やすい。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程度となり、一般型蛍光灯 (Ra67) と三波長型蛍光灯(同85)の中間に当たる。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もののため、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も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。

高演色白色発光ダイオード

青色発光ダイオードと黄色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) が低くなる。これは、白色発光ダイオード開発初期には青色で励起して緑や赤を発する適切な蛍光体が無く蛍光灯用の紫外線で励起される蛍光体が主体だったことと、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人間の目の視感度が低いことからランプ効率上の評価が低くなってしまうという理由による(上述)。また、透過して出力される青色光の割合を正確に揃えることが難しく、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、これを用いることで大幅なランプ効率の向上が得られるとともに赤色や深紅色の発色の問題も解決されつつある。発光波長の点では、紫 – 紫外線を発光する発光ダイオードが開発されている(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比視感度の問題がある)。これにより、蛍光灯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ている。

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て1つの発光源として白色を得る方法もある。この方式は各LEDの光量を調節することで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。照明として用いることを考えた場合、蛍光体方式はある程度幅のあるスペクトルなのに対して3色LED方式は赤・緑・青の鋭い三つのピークがあるのみで黄およびシアンのスペクトルが大きく欠落している。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。照らされた物の色合いが違って見える理由を説明する。

 

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