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LEDの発光原理とは?白色LEDの仕組みも解説します

2022年6月14日 【ブログ

LED照明

 

・LED照明はどのような原理で光っているのだろう

・他の照明と比較して、なぜLEDは発光効率が高いのだろう

 

上記のようなお悩みにお応えします。

 

本記事をご一読していただくと、以下のポイントが理解できる内容となっております。

 

  • LED照明が光る仕組み
  • 白色LEDの発色の仕組み
  • LEDの特徴

 

本記事では、LED・白熱電球・蛍光灯の発光原理の違いをお伝えした後、LEDの特徴をご紹介します。

 

各照明の発光原理

 

LEDと他の照明の最も大きな違いはその発電効率の高さです。白熱電球は電気エネルギーを1度熱に変換する一方で、LEDは電気エネルギーを直接光に変換します。

 

LEDの発光原理

 

LEDの正式名称は発光ダイオード(Light Emitting Diode)といいます。まずは、その構造から見ていきましょう。

 

LEDの構造

LEDの構造

LEDを発光させるLEDチップは、p型半導体n型半導体の2種類の半導体で構成されています。

 

半導体とは、絶縁体(電気をほとんど通さない物質)と導体(電気を通しやすい物質)の中間の性質を持つ物質のこと。

 

p(positive)型半導体とは、プラスの電荷を持つ半導体のことをいいます。電子が抜けた穴「正孔」を多く持っています。

 

またn(negative)型半導体とは、マイナスの電荷を持つnegativeな半導体のことをいいます。こちらには電子が多く余っています。

 

LEDが光る仕組み

LEDの発光原理

P型半導体とn型半導体で構成されるLEDチップに電流を流すと、以下の原理で発光します。

 

  1. 電圧を受けて、プラスの「正孔」とマイナスの「電子」が勢いよくぶつかる
  2. 「正孔」と「電子」が結合し、両者が持っていたエネルギーがより小さなエネルギーになる
  3. 2で余ったエネルギーが光として放出される

 

以上のように電気エネルギーを直接光に変換するため、LEDの発電効率はとても高いのです。

 

他照明の発光原理

 

それでは、白熱電球・蛍光灯の発光原理を見ていきましょう。

 

白熱電球の発光原理

 

白熱電球

 

白熱電球はガラス球の中にあるフィラメントと呼ばれる部位に電流が流れることで発光します。

 

フィラメントに電流が流れると、電気抵抗が生じます。これにより、フィラメントが高温になり光るという仕組みです。

 

高温化を繰り返すとフィラメントは徐々に小さくなり、最終的には白熱電球は「切れて」しまいます。

 

以上のように電気エネルギーを一旦熱に変換する発光原理であるため、白熱電球の発光効率はLEDよりも低くなっています。

 

蛍光灯の発光原理

蛍光灯の発光原理

蛍光灯は、電気エネルギーだけではなく、紫外線・化学反応・圧力など様々なエネルギーを使って発光しています。

 

  1. フィラメントに電圧をかけると電子が勢いよく飛び出す
  2. 飛び出した電子がガラス管の中の水銀にぶつかり、紫外線が発生する
  3. 2で発生した紫外線が、ガラス管の内側の蛍光物質に当たる
  4. 3によって、白っぽい可視光線が発生する

 

蛍光灯は白熱電球に比べて発光効率がよいものの、水銀を使用しているため環境に悪影響を与えるリスクがあります。

 

弊社が独自開発した陽光LED照明「明王Myo-Ou」は、安全安心な環境の創出をお手伝いするため、3年保証をお付けしています。

 

陽光LED「明王」

白色LEDの発色の仕組み

 

私たちの身の周りにある白色LED。実は単色で白色を再現しているわけではありません。

 

光の三原色

出典:キヤノンサイエンスラボ・キッズ「光はRGBでできている」

様々な種類の色の光が混ざると、私たち人間の目はその色を白色だと判断します。

 

この性質を利用して複数の種類の色の光を混ぜ合わせることで、白色LED照明の白色は再現されています。

 

しかし多くの一般的な白色LED照明では、【青色LED+黄色蛍光体】という健康リスクにつながる方法で疑似白色が作られています。

ブルーライトの比較

上の画像は、【青色LED+黄色蛍光体】の方法を使用している白色LED照明の光と太陽光の色別の波長を比較したもの。

 

この白色LED照明には青色LEDが使用されているため、太陽光と比べて強烈なブルーライトが含まれていることがわかります。

 

強烈なブルーライトは体内時計の乱れ睡眠障害眼病につながる恐れがあるため、【青色LED+黄色蛍光体】の方法を使用している白色LED照明の使用は避けるとよいでしょう。

 

陽光LED照明「明王Myo-Ou」は、ブルーライトを抑制するだけでなく、電磁波抑制/太陽の色合いの再現/生体リズムとの調和で、あなたの大事な人の健康を守ります。

 

陽光LED「明王」

LEDの特徴

 

ここからは、環境に優しく長寿命なLEDの特徴をご紹介していきます。

 

高い省エネ効果/電気代節約

 

LEDの最も大きな特徴は、省エネ効果が高く電気代節約ができることです。

 

LED電球の消費電力は白熱電球の6分の1・蛍光灯の4分の3であり、1年間使用した場合、白熱電球とLED電球にかかる電気代の差は4,453円となります。

 

 

長寿命

 

LEDの特徴の2つ目は、長寿命だということ。

 

  • 白熱電球1000~2000時間(1日8時間つけっぱなしの場合125~250日)
  • 蛍光灯6000~12000時間(1日8時間つけっぱなしの場合2~4年)
  • LED電球40000~50000時間(1日8時間つけっぱなしの場合13~17年)

 

LED照明は、白熱電球の約20倍以上・蛍光灯の約3倍以上の寿命があります。

 

 

導入コストが高い

 

LEDにもデメリットはあります。それは導入コストが高いということ。

 

購入価格の比較

出典:経済産業省「LED照明産業を取り巻く現状」

LED電球の価格は、白熱電球の約10倍・蛍光灯の約3倍です。

 

しかし、LED照明は長寿命。したがって10年間で比較した場合、白熱電球は約35回、蛍光灯は約4回交換が必要なのに対して、LED電球は交換が1回しか必要ありません。

 

トータルでの比較

出典:経済産業省「LED照明産業を取り巻く現状」

合計のコストで見れば、LED電球と白熱電球の価格差は約5倍です。

 

陽光LED照明「明王Myo-Ou」は、ブルーライトを抑制するだけでなく、電磁波抑制/太陽の色合いの再現/生体リズムとの調和で、あなたの大事な人の健康を守ります。

 

陽光LED「明王」

まとめ

 

今回は、LEDの発光原理・白色LEDの発色の仕組み・LEDの特徴についてご紹介しました。

 

まとめ

  • LEDは電気エネルギーを直接光に変換する独自の原理で光っている
  • 【青色LED+黄色蛍光体】の方法を使用している白色LED照明の使用は避けるほうがよい
  • LEDの導入コストは高いが、トータルで見るとコストは低い

 

陽光LED照明「明王Myo-Ou」は、ブルーライトを抑制するだけでなく、電磁波抑制/太陽の色合いの再現/生体リズムとの調和で、あなたの大事な人の健康を守ります。

 

陽光LED「明王」

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