発光ダイオード
発光ダイオード
5mmの拡散ケースに入った青、緑、赤のLED。LEDには様々なバリエーションがあります。
動作原理エレクトロルミネッセンス
発明家
初生産1962年10月 （1962-10）
ピン名陽極と陰極
電子シンボル
従来のLED部品。エポキシ樹脂に埋め込まれたアンビルとポストの平らな底面がアンカーとして機能し、機械的な歪みや振動によって導体が無理に引き抜かれるのを防ぎます。
電圧を増減させて LED の動作を詳細に示すクローズアップ画像
表面実装LEDのクローズアップ画像
E27ねじ込み口金のモダンなLEDレトロフィット
アルミヒートシンク、光拡散ドーム、E27ネジ口金を備えた電球型レトロフィットLEDランプ。主電源で動作する内蔵電源を使用。

発光ダイオード（LED）は、半導体を用いて電流を流すことで光を発する電子部品です。半導体中の電子は正孔と再結合し、光子の形でエネルギーを放出します。光の色（光子のエネルギーに対応）は、電子が半導体のバンドギャップを通過するのに必要なエネルギーによって決まります。[ 5 ]白色光は、複数の半導体、または半導体デバイス上に発光蛍光体層を用いることで得られます。 [ 6 ]

1962年に実用的な電子部品として登場した初期のLEDは、低強度の赤外線（IR）光を発していました。[ 7 ]赤外線LEDは、様々な民生用電子機器に使用されているリモコン回路などに使用されています。初期の可視光LEDは強度が低く、赤色に限られていました。

初期のLEDは、小型の白熱電球の代わりとして表示灯や7セグメントディスプレイによく使われていました。その後の開発により、可視光線、紫外線（UV）、赤外線の波長で高、低、中程度の光出力を持つLEDが作られました。例えば、室内や屋外の照明に適した白色LEDなどです。LEDは新しいタイプのディスプレイやセンサーも生み出しており、その高いスイッチング速度は高度な通信技術にも利用されています。LEDは、航空照明、フェアリーライト、ストリップライト、自動車のヘッドランプ、広告、舞台照明、一般照明、交通信号、カメラのフラッシュ、光る壁紙、園芸用育成灯、医療機器など、多様な用途に使われてきました。[ 8 ]

LEDは白熱光源に比べて、消費電力の低減、長寿命、物理的堅牢性の向上、小型化、スイッチング速度の高速化など、多くの利点があります。これらの好ましい特性と引き換えに、LEDの欠点としては、低電圧（一般的には直流電源（交流電源ではない））への電気的制限、パルス直流電源または交流電源からの安定した照明の提供が不可能、そして動作温度と保管温度の上限が低いことが挙げられます。

LED は電気を光に 変換する装置です。

歴史

固体ダイオードからの電界発光は、1906年にマルコーニ研究所のヘンリー・ジョセフ・ラウンドによって発見され、1907年2月に『Electrical World』誌に発表されました。ラウンドは、様々なカーボランダム（炭化ケイ素）結晶が、極間に電圧を流すと黄色、薄緑、オレンジ色、または青色の光を発することを観察しました。[ 9 ]

シリコンカーバイドLEDは1927年にソ連の発明家オレグ・ロセフによって開発されました。[ 10 ]

商業的に実現可能なLEDが利用可能になったのは、テキサス・インスツルメンツのエンジニアが1962年にGaAsベースのダイオードから効率的な近赤外線放射の特許を取得した後のことでした。商業用LEDは非常に高価で、モンサントとヒューレット・パッカードが1970年代に1個あたり5セント未満まで開発するまで実用化されませんでした。[ 11 ]

1990年代初頭、中村修二、天野浩、赤﨑勇は青色発光ダイオードを開発し、白色照明とフルカラーLEDディスプレイの実用化に貢献しました。この功績により、彼らは2014年のノーベル物理学賞を受賞しました。[ 12 ] [ 13 ]

光の生成と放出の物理学

発光ダイオードでは、半導体中の電子と正孔の再結合によって光（赤外線、可視光線、紫外線）が生成されます。この現象はエレクトロルミネッセンスと呼ばれます。光の波長は、使用される半導体のエネルギーバンドギャップに依存します。これらの材料は屈折率が高いため、効率的に光を放出するためには、特殊な光学コーティングやダイ形状などのデバイス設計上の特徴が必要となります。[ 14 ]

レーザーとは異なり、LEDから放射される光はスペクトル的にも空間的にもコヒーレントではなく、高度に単色でもありません。そのスペクトルは非常に狭いため、人間の目には純粋な（飽和した）色として見えます。[ 15 ] [ 16 ]また、レーザーの非常に高い強度特性に近づくことはできません。

単色LED

青色LED
外部ビデオ
ビデオアイコン「最初の青色LED」、科学史研究所

異なる半導体材料を選択することにより、近赤外線から可視光線、そして紫外線領域に至るまでの狭い波長帯域で発光する単色LEDを作製できます。LEDの必要な動作電圧は、発光波長が短くなる（エネルギーが高くなる、赤から青になる）につれて増加します。これは半導体のバンドギャップが大きくなるためです。

青色LEDは、クラッド層と呼ばれるより厚いGaN層に挟まれた1つ以上のInGaN量子井戸からなる活性領域を有しています。InGaN量子井戸におけるIn/Ga比を変化させることで、理論上は発光色を紫色から琥珀色まで変化させることができます。

Al/Ga組成比の異なるアルミニウムガリウム窒化物（AlGaN）は、紫外線LEDのクラッド層および量子井戸層の製造に使用できますが、これらのデバイスは、InGaN/GaN青/緑デバイスの効率および技術的成熟度にはまだ達していません。この場合、非合金GaNを活性量子井戸層の形成に用いると、デバイスはピーク波長が365nm付近の近紫外線を放射します。InGaN/GaN系で製造された緑色LEDは、非窒化物系材料で製造された緑色LEDよりもはるかに高効率で高輝度ですが、実用的なデバイスは依然として高輝度用途には効率が低すぎます。

AlGaNおよびAlGaInNでは、さらに短い波長を実現できます。360～395 nm程度の波長の近紫外線エミッターはすでに安価で、文書や紙幣の偽造防止用UV透かしの検査やUV硬化用のブラックライトランプの代替品としてよく見かけられます。かなり高価で波長の短いダイオードは、240 nmまでの波長で市販されています。[ 17 ]微生物の光感受性は、約260 nmにピークを持つDNAの吸収スペクトルとほぼ一致するため、250～270 nmで発光するUV LEDは、将来の消毒・殺菌装置に使用されると期待されています。最近の研究では、市販のUVA LED（365 nm）がすでに効果的な消毒・殺菌装置であることが示されている。[ 18 ] UV-C波長は、窒化アルミニウム（210 nm）[ 19 ]窒化ホウ素（215 nm）[ 20 ] [ 21 ]およびダイヤモンド（235 nm）[ 22 ] を用いて実験室で得られた。

白色LED

白色発光ダイオード ( WLED )を製造するには、主に 2 つの方法があります。1 つは、赤、緑、青の 3 つの原色を発する個別の LED を使用し、すべての色を混合して白色光を作る方法です。もう 1 つのより一般的な方法は、蛍光体材料を使用して青色または UV LED からの単色光を蛍光灯のような広帯域スペクトルの白色光に変換する方法です。黄色蛍光体は、セリウムをドープしたYAG結晶でできており、パッケージ内に分散されているか、LED 上にコーティングされています。この YAG 蛍光体により、白色 LED はオフのときに黄色に見え、結晶間の空間により、部分的な蛍光体変換によって一部の青色光が LED を透過します。また、白色 LED では、マンガン (IV)をドープしたケイ酸フッ化カリウム(PFS) などの他の蛍光体やその他の人工蛍光体を使用することもできます。PFS は赤色光の生成を補助するもので、従来の Ce:YAG 蛍光体と組み合わせて使用​​されます。

PFS蛍光体を用いたLEDでは、青色光の一部が蛍光体を通過し、Ce:YAG蛍光体が青色光を緑色と赤色（黄色）の光に変換し、PFS蛍光体が青色光を赤色の光に変換します。白色蛍光体変換LEDやその他の蛍光体変換LEDの色発光スペクトルまたは色温度は、LEDパッケージに使用される蛍光体ブレンドを構成する複数の蛍光体の濃度を変化させることによって制御できます。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

生成される光の「白さ」は、人間の目に合うように設計されます。メタメリズム（条件等色）のため、白く​​見えるスペクトルが全く異なる場合もあります。その光で照らされた物体の見え方は、スペクトルの変化に応じて変化する可能性があります。これは色温度とは全く別の、演色性の問題です。オレンジやシアンの物体は、LEDや蛍光体が反射する波長を放射しないため、間違った色で暗く見える可能性があります。最も演色性の高いLEDは、複数の蛍光体を混合して使用しており、効率は低いものの演色性は向上しています。

最初の白色発光ダイオード（LED）は1996年秋に販売が開始されました。[ 27 ]日亜化学工業は、 Ce:YAG蛍光体を使用した青色LEDをベースにした最初の白色LEDをいくつか製造しました。[ 28 ] Ce:YAGはチョクラルスキー法で生成されることが多いです。[ 29 ]

RGBシステム

青色、黄緑色、高輝度赤色固体半導体LEDのスペクトル曲線を組み合わせたもの。3色ともFWHMスペクトル帯域幅は約24～27 nmです。
表面に赤、緑、青を投影するRGB LED

赤、緑、青の光源を混合して白色光を生成するには、色の混合を制御する電子回路が必要です。LEDは発光パターンがわずかに異なるため、RGB光源を単一パッケージに収めていても、見る角度によって色バランスが変化する可能性があります。そのため、RGBダイオードは白色光を生成するためにほとんど使用されません。しかしながら、この方法は異なる色を混合できる柔軟性があるため、多くの用途があります[ 30 ]。また、原理的には、このメカニズムは白色光を生成する際の量子効率も高くなります[ 31 ] 。

多色白色LEDには、二色、三色、四色白色LEDなど、いくつかの種類があります。これらの異なる方式に影響を及ぼす重要な要素として、色の安定性、演色性、発光効率などが挙げられます。多くの場合、効率が高いほど演色性は低下するため、発光効率と演色性の間にはトレードオフの関係があります。例えば、二色白色LEDは発光効率が最も高く（120 lm/W）、演色性は最も低くなります。四色白色LEDは演色性に優れていますが、発光効率が低い場合が多くあります。三色白色LEDはその中間に位置し、良好な発光効率（>70 lm/W）とまずまずの演色性を備えています。[ 32 ]

課題の一つは、より効率的な緑色LEDの開発です。緑色LEDの理論上の最大値は1ワットあたり683ルーメンですが、2010年時点では1ワットあたり100ルーメンを超える緑色LEDはほとんどありません。青色LEDと赤色LEDは理論限界に近づいています。

マルチカラーLEDは、異なる色の光を生成する手段を提供します。知覚できる色のほとんどは、三原色を異なる量で混合することで生成できます。これにより、精密で動的な色制御が可能になります。しかし、その発光パワーは温度上昇とともに指数関数的に減少し、 [ 33 ] 色の安定性に大きな変化をもたらします。こうした問題が産業利用の妨げとなっています。蛍光体を使用しないマルチカラーLEDは、各LEDが狭帯域光源であるため、良好な演色性を提供できません。蛍光体を使用しないLEDは、一般照明には適していませんが、LCDバックライト付きディスプレイや直接LEDベースのピクセルを使用するディスプレイには最適なソリューションです。

多色LED光源を白熱電球の特性に合わせて調光することは困難です。製造上のばらつき、経年変化、温度によって実際の色値の出力が変化するためです。白熱電球の調光のような外観を再現するには、LEDでは色を能動的に監視・制御する色センサーを備えたフィードバックシステムが必要になる場合があります。[ 34 ]

リン光体ベースのLED

GaNベースのLEDから直接放射される青色光（約465 nmでピーク）と、約500～700 nmで放射されるCe3 + :YAG蛍光体から放射されるより広帯域のストークスシフト光を示す白色LEDのスペクトル

この方法では、単色のLED（主にInGaN製の青色LED ）を異なる色の蛍光体でコーティングして白色光を生成します。この方法で生成されたLEDは、蛍光体ベースまたは蛍光体変換白色LED（pcLED）と呼ばれます。 [ 35 ]青色光の一部はストークスシフトを起こし、短い波長から長い波長へと変換されます。元のLEDの色に応じて、様々な色の蛍光体が使用されます。異なる色の蛍光体層を複数使用することで、放射スペクトルが広がり、演色評価数（CRI）が効果的に向上します。[ 36 ]

蛍光体ベースのLEDは、ストークスシフトによる熱損失やその他蛍光体関連の問題により効率が低下します。通常のLEDと比較した発光効率は、得られる光出力のスペクトル分布とLED自体の元々の波長に依存します。例えば、典型的なYAG黄色蛍光体ベースの白色LEDの発光効率は、元の青色LEDの3～5倍の範囲になります。これは、人間の目が青色よりも黄色に敏感であるためです（輝度関数でモデル化されています）。

製造の簡便さから、蛍光体法は依然として高輝度白色LEDを製造するための最も一般的な方法である。蛍光体変換を用いた単色発光体を用いた光源や照明器具の設計・製造は、複雑なRGBシステムよりも簡便かつ安価であり、現在市場に出回っている高輝度白色LEDの大部分は蛍光体変換法を用いて製造されている。[ 37 ]

1ワット9ボルト3チップSMD蛍光体ベース白色LED

LEDベースの白色光源の効率向上において、課題の一つとして、より効率的な蛍光体の開発が挙げられます。2010年現在、最も効率的な黄色蛍光体は依然としてYAG蛍光体であり、ストークスシフト損失は10%未満です。LEDチップおよびLEDパッケージ自体の再吸収による内部光損失に起因する損失は、通常、さらに10%から30%の損失を占めます。現在、蛍光体LEDの開発分野では、これらのデバイスをより高い光出力とより高い動作温度に最適化することに多大な努力が費やされています。例えば、より優れたパッケージ設計を採用したり、より適切なタイプの蛍光体を使用したりすることで、効率を向上させることができます。蛍光体の厚さが変動する問題に対処するために、コンフォーマルコーティングプロセスが頻繁に使用されています。

蛍光体ベースの白色LEDの中には、InGaN系青色LEDを蛍光体でコーティングしたエポキシ樹脂で封止したものもある。あるいは、LEDをリモート蛍光体（蛍光体材料をコーティングしたポリカーボネート製の成形品）と組み合わせる場合もある。リモート蛍光体はより拡散した光を提供し、多くの用途で望ましい特性を示す。リモート蛍光体設計は、LEDの発光スペクトルの変動に対する耐性も高い。一般的な黄色蛍光体材料としては、セリウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ce 3+ :YAG）がある。[ 38 ]

白色LEDは、近紫外線（NUV）LEDに、赤と青を発光する高効率ユーロピウム系蛍光体と、緑を発光する銅とアルミニウムをドープした硫化亜鉛（ZnS:Cu, Al）の混合物を塗布することによっても製造できる。これは蛍光灯の仕組みに似た方法である。この方法は、YAG:Ce蛍光体を用いた青色LEDよりもストークスシフトが大きいため効率は低いが、より優れたスペクトル特性を持つ光を生み出し、より優れた色再現性が得られる。紫外線LEDの放射出力は青色LEDよりも高いため、どちらの方法でも同等の明るさが得られる。懸念されるのは、故障した光源から紫外線が漏れ、人間の目や皮膚に害を及ぼす可能性があることである。[ 39 ]

200mmシリコンウエハを用いた白色LEDの製造に、窒化ガリウム・オン・シリコン（GaN-on-Si）からなる新しいタイプのウエハが用いられている。これにより、比較的小型の100mmまたは150mmウエハに一般的に使用される高価なサファイア基板を回避できる。 [ 40 ]サファイア基板は、無駄になる光を反射するために鏡のような集光装置と組み合わせる必要がある。2020年には、GaN系LEDの40%がGaN-on-Siで製造されると予測されている。[ 41 ]

混合白色LED

投光照明における調光可能な白色 LED アレイ

市場には、RGBユニットと蛍光体白色LEDを組み合わせたRGBW LEDがあります。これにより、RGB LEDの極めて調整可能な色彩を維持しながら、白色に近い色を選択することで演色性と効率を最適化することができます。[ 42 ]

一部のリン光白色LEDユニットは「チューナブルホワイト」と呼ばれ、2つの極端な色温度（一般的には2700Kと6500K）を混合して中間色を生成します。この機能により、ユーザーは多目的ルームの用途に合わせて照明を調整できます。[ 43 ]色度図上の直線で示されているように、単純な2色の白色混合ではピンク色の偏りが生じ、中央で最も顕著になります。別のLEDから少量の緑色の光を加えることで、この問題を解決できます。[ 44 ]一部の製品はRGBWW、つまりRGBWとチューナブルホワイトを組み合わせたものです。[ 45 ]

混合光を持つ白色LEDの最後のクラスは、調光から暖色への変換です。これは、一般的な2700Kの白色LED電球に、調光時に点灯する小さな赤色LEDを搭載したものです。これにより、白熱電球のような暖色系の色になります。[ 45 ]

セレン化亜鉛白色LED

ZnSe基板上にホモエピタキシャル成長させた亜鉛セレン化物（ZnSe）を用いた実験的な白色LEDが開発されました。これらのLEDは、従来の白色LEDに見られる黄​​色蛍光体を備えていません。 [ 46 ] ZnSe LEDでは、活性領域が青色光を発し、導電性ZnSe基板が黄色光を発することで、白色光が生成されます。研究者らは、これらのLEDは従来の白色LEDよりも動作電圧が低く、色温度の範囲が広いと示唆しています。[ 47 ]

有機発光ダイオード（OLED）

有機発光ダイオード（OLED）において、ダイオードの発光層を構成する発光材料は有機化合物である。この有機材料は、分子全体または一部にわたる共役によるπ電子の非局在化によって導電性を示し、有機半導体として機能する。[ 48 ]有機材料は、結晶相にある小さな有機分子、またはポリマーである。[ 49 ]

OLEDの潜在的な利点としては、駆動電圧が低く、視野角が広く、コントラストと色域が広く、薄型で低コストのディスプレイであることが挙げられます。 [ 50 ]ポリマーLEDには、印刷可能でフレキシブルなディスプレイという利点もあります。 [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] OLEDは、携帯電話、デジタルカメラ、照明、テレビなどの携帯型電子機器の視覚ディスプレイの製造に使用されています。[ 49 ] [ 50 ]

種類

様々な形状とサイズのLEDがあります。プラスチックレンズの色は、多くの場合、実際に放射される光の色と一致しますが、必ずしもそうとは限りません。例えば、赤外線LEDには紫色のプラスチックがよく使用され、青色デバイスのほとんどは無色のハウジングを備えています。照明やバックライトに使用されるような最新の高出力LEDは、一般的に表面実装技術（SMT）パッケージ（図示なし）で提供されています。
さまざまな拡散型5mmスルーホールLED
  • 赤、650～625 nm
  • オレンジ、600～610 nm
  • 黄色、587～591 nm
  • 緑、570～575 nm
  • 青、465～467 nm
  • 紫色、395～400 nm

LEDは、用途に応じて様々なパッケージで製造されています。1つまたは数個のLED接合部を1つの小型デバイスに収め、インジケータやパイロットランプとして使用できます。LEDアレイには、単純な抵抗器、点滅または色変化制御、RGBデバイス用のアドレス指定可能なコントローラなど、様々な制御回路が同一パッケージ内に組み込まれている場合があります。高出力の白色発光デバイスはヒートシンクに取り付けられ、照明として使用されます。ドットマトリックス形式またはバー形式の英数字ディスプレイは広く入手可能です。特殊なパッケージでは、高速データ通信リンク用の光ファイバーにLEDを接続することができます。

ミニチュア

最も一般的なサイズの小型表面実装LEDの画像。 左上隅に示されている従来の5mmランプ型LEDよりもはるかに小型です。
非常に小型（1.6×1.6×0.35  mm）の赤、緑、青の表面実装型ミニチュアLEDパッケージ（金ワイヤボンディング付き）

これらは主にインジケータとして使用されるシングルダイLEDで、1.8mmから10mmまでの様々なサイズ、スルーホールパッケージ、表面実装パッケージで提供されています。[ 54 ]典型的な電流定格は約1mAから20mA以上です。LEDはフレキシブルPCBストリップにはんだ付けしてLEDテープを形成することができ、装飾用に広く使用されています。

一般的なパッケージ形状には、ドーム型または平らな上面を持つ円形、平らな上面を持つ長方形（棒グラフ表示に使用）、平らな上面を持つ三角形または正方形などがあります。また、コントラストと視野角を向上させるため、カプセルは透明または着色されている場合もあります。赤外線デバイスには、オスラムSFH 4546のように、赤外線を透過しながら可視光を遮断する黒色のカバーが付いている場合があります。[ 55 ]

5Vおよび12VのLEDは、5V または 12V電源に直接接続するための直列抵抗を備えた通常の小型LEDです。[ 56 ]

高出力

LEDスターベースに取り付けられた高出力発光ダイオード（Luxeon、Lumileds）

高出力LED（HP-LED）または高出力LED（HO-LED）は、他のLEDの数十mAと比較して、数百mAから1アンペアを超える電流で駆動できます。中には1000ルーメンを超える輝度を発するものもあります。[ 57 ] [ 58 ]最大300W/cm 2のLED電力密度が達成されています。過熱は破壊的なので、HP-LEDは放熱のためにヒートシンクに取り付ける必要があります。HP-LEDの熱が除去されない場合、デバイスは数秒で故障します。1つのHP-LEDは、懐中電灯の白熱電球の代わりに使用することも、アレイにして強力なLEDランプを形成することもできます。

このカテゴリーに属する高出力LEDとしては、日亜化学工業の19シリーズ、ルミレッズ社のRebel LED、オスラム・オプト・セミコンダクターズのGolden Dragon、Cree社のX-lampなどが挙げられます。2009年9月現在、Cree社製の高出力LEDの中には105 lm/Wを超えるものもあります。[ 59 ]

ハイツの法則（LEDの光出力と効率は時間の経過とともに指数関数的に上昇すると予測される）の例としては、  2009年に105 lm/Wを達成したCREE XP-GシリーズLED [ 59 ] や、 2010年に発売され典型的な効率が140 lm/Wである日亜化学工業19シリーズ[ 60 ]が挙げられる。

AC駆動

ソウル半導体が開発したLEDは、DCコンバータなしでAC電源で動作できます。半サイクルごとにLEDの一部が点灯し、一部が消灯し、次の半サイクルではこれが反転します。このタイプの高圧LEDの効率は、通常40  lm/Wです。[ 61 ]多数のLED素子を直列に接続することで、ライン電圧から直接動作させることができます。2009年、ソウル半導体は「Acrich MJT」という名の高DC電圧LEDをリリースしました。これは、シンプルな制御回路でAC電源から駆動できます。これらのLEDは消費電力が低いため、従来のAC LED設計よりも柔軟性が高くなります。[ 62 ]

ストリップ

複数のLEDスポットが連続した照明ストリップとして反射される

LEDストリップライトは、表面実装型LEDやその他の部品が実装されたフレキシブルな回路基板で、通常は粘着剤付きの裏面に取り付けられています。LEDランプは、その美しさ、機能性、そして柔軟性から、個人、業務用、そして趣味の用途で広く採用されています。従来、ストリップライトはアクセント照明、バックライト、タスク照明、そしてコーブ照明などの装飾照明用途にのみ使用されていました。

LEDストリップライトは2000年代初頭に初めて製造されました。それ以来、発光効率の向上と高出力SMDの登場により、高輝度タスクライト、蛍光灯やハロゲン照明器具の代替、間接照明、製造工程における紫外線検査、舞台装置や衣装デザイン、植物栽培などの用途に利用されるようになりました。

LEDストリップには様々な種類があり、それぞれコードネームとLEDの種類が異なります。入力電力、LEDの間隔、カラーバリエーションなどもそれぞれ異なります。

アプリケーション固有

RGB-SMD-LED
1608/0603型SMD LEDを使用した11×44 LEDマトリックスラペルネームタグディスプレイの合成画像。上： 21×86mmディスプレイの半分強。中央：周囲光に照らされたLEDのクローズアップ。下：赤色光に照らされたLED。
点滅
点滅LEDは、外部電子機器を必要とせず、注意喚起を促すインジケーターとして使用されます。点滅LEDは標準的なLEDに似ていますが、電圧レギュレータとマルチバイブレータ回路が内蔵されており、LEDを通常1秒周期で点滅させます。拡散レンズLEDでは、この回路は小さな黒い点として見えます。ほとんどの点滅LEDは単色で発光しますが、より高度なデバイスでは、複数の色を点滅させたり、RGBカラーミキシングを使用して色をフェードさせたりすることもできます。0805サイズなどのSMD点滅LEDは、2019年初頭から販売されています。
ちらつき
デジタルカメラで見たIR LEDのLEDダイからの赤外線
LEDパッケージに組み込まれたシンプルな電子回路は、少なくとも2011年から存在しており、ちらつくろうそくを思わせるランダムなLEDの強度パターンを生み出します。[ 63 ] 2024年のリバースエンジニアリングでは、自動スリープ・ウェイクモードを備えた一部のちらつきLEDは、そのような機能のために8ビットマイクロコントローラを内蔵している可能性があることが示唆されています。[ 64 ]電気的な故障が原因でちらつき効果が発生する場合もあります。[ 65 ]
バイカラー
バイカラーLEDは、1つのケースに2つの異なるLEDエミッターを内蔵しています。このLEDには2つの種類があります。1つは、2つのダイが同じ2本のリード線に逆平行に接続された構造です。一方向に電流が流れると一方の色が発光し、反対方向に電流が流れるともう一方の色が発光します。もう1つは、2つのダイにそれぞれ別々のリード線が接続され、もう1つのリード線は共通のアノードまたはカソードに接続されているため、それぞれを独立して制御できます。最も一般的なバイカラーの組み合わせは、赤/従来の緑です。他に、アンバー/従来の緑、赤/純緑、赤/青、青/純緑などがあります。
RGB 3色
3色LEDは、1つのケースに3つの異なるLEDエミッターを内蔵しています。各エミッターは別々のリード線に接続されているため、独立して制御できます。4リード線構成が一般的で、1つの共通リード線（陽極または陰極）と各色用のリード線が追加されます。その他、2つのリード線（正極と負極）のみを持ち、電子コントローラーを内蔵しているものもあります。RGB LEDは、赤、緑、青のLEDをそれぞれ1つずつ備えています。[ 66 ] RGB LEDは、3つのLEDをそれぞれ独立して調整することで、広い色域を生成できます。専用色LEDとは異なり、純粋な波長は生成されません。モジュールは、スムーズな色混合のために最適化されていない場合があります。
装飾的な多色
装飾用マルチカラーLEDは、わずか2本のリード線から供給される複数の異なる色のエミッターを内蔵しています。色は、供給電圧を変化させることで内部的に切り替えられます。
英数字
英数字LEDには、 7セグメント、スターバースト、ドットマトリックスの3つの形式があります。7セグメントディスプレイは、すべての数字と一部の文字を表示できます。スターバーストディスプレイはすべての文字を表示できます。ドットマトリックスディスプレイは通常、1文字あたり5×7ピクセルを使用します。7セグメントLEDディスプレイは1970年代と1980年代に広く普及していましたが、消費電力が少なく表示の柔軟性が高い液晶ディスプレイの普及により、数字および英数字LEDディスプレイの人気は低下しました。
デジタルRGB
デジタルRGBアドレス指定可能なLEDには、独自の「スマート」な制御電子回路が搭載されています。電源とグランドに加えて、データ入力、データ出力、クロック、そして場合によってはストロボ信号用の接続も備えています。これらはデイジーチェーン接続されており、長いLEDストリップライト内の個々のLEDをマイクロコントローラで簡単に制御できます。チェーンの最初のLEDに送信されたデータは、各LEDの明るさと色を他のLEDとは独立して制御できます。クリスマス用のストリングやLEDマトリックスなど、最大限の制御と最小限の目に見える電子回路の組み合わせが求められる場合に使用されます。中には、基本的なビデオアプリケーションを可能にする、kHz単位のリフレッシュレートを備えたものもあります。これらのデバイスは、部品番号（WS2812が一般的）またはNeoPixelなどのブランド名で知られています。
フィラメント
LEDフィラメントは、共通の縦方向の基板上に直列に接続された複数のLEDチップで構成され、従来の白熱フィラメントを思わせる細いロッドを形成します。[ 67 ]これらは、多くの国で段階的に廃止されつつある従来の電球の低コストの装飾的な代替品として使用されています。フィラメントはかなり高い電圧を使用するため、主電源電圧で効率的に動作します。多くの場合、単純な整流器と容量性電流制限が採用されており、単一ダイのLEDに必要な低電圧、高電流コンバータの複雑さがなく、従来の電球の低コストの代替品となっています。[ 68 ]通常、それらは交換対象として設計されたランプに似た電球にパッケージ化され、熱を効率的に除去して腐食を防ぐために周囲圧力よりわずかに低い圧力の不活性ガスで満たされています。
チップオンボードアレイ
表面実装型LEDはチップオンボード（COB）アレイで製造されることが多く、同等の光出力を持つ単一のLEDよりも優れた放熱性を実現します。[ 69 ] LEDは円筒の周りに配置することができ、黄色のLEDの列から「コーンコブライト」と呼ばれています。[ 70 ]

使用上の考慮事項

  • 効率：LEDは白熱電球よりもワットあたりのルーメンが多く放射されます。[ 71 ] LED照明器具の効率は、蛍光灯や蛍光管とは異なり、形状やサイズの影響を受けません。
  • サイズ：LEDは非常に小さく（2 mm 2未満[ 72 ]）、プリント基板に簡単に取り付けられます。

電源

電流制限用の抵抗器を備えたシンプルなLED回路

LEDやその他のダイオードの電流は、印加電圧に応じて指数関数的に増加します（ショックレーのダイオードの式を参照）。そのため、電圧のわずかな変化でも電流が大きく変化する可能性があります。LEDに流れる電流は、損傷を防ぐために定電流源などの外部回路で調整する必要があります。一般的な電源のほとんどは（ほぼ）定電圧源であるため、LED照明器具には電力変換器、または少なくとも電流制限抵抗器が必要です。

LEDは電圧に敏感です。閾値電圧以上の電圧と定格電流以下の電流を供給しなければなりません。印加電圧のわずかな変化でも、電流値と寿命は大きく変化します。そのため、LEDには電流制御電源（通常はインジケータLEDの場合は直列抵抗）が必要です。[ 73 ]

効率低下：LEDの効率は電流の増加に伴って低下します。また、電流値が高くなると発熱も増加し、LEDの寿命が短くなります。これらの影響により、高出力アプリケーションではLEDに流れる電流に実質的な制限が課せられます。[ 74 ]

電気極性

従来の白熱電球とは異なり、LEDはダイオードの順方向に電圧を印加した場合にのみ点灯します。逆方向に電圧を印加した場合、電流は流れず、光も出ません。逆方向電圧がブレークダウン電圧（通常約5ボルト）を超えると、大電流が流れ、LEDが損傷します。逆電流が損傷を回避できる程度に十分に制限されている場合、逆導通LEDは有用なノイズダイオードとなります。

定義上、ダイオードのエネルギーバンドギャップは、順方向バイアス時よりも逆方向バイアス時の方が高くなります。バンドギャップエネルギーによって発光波長が決まるため、逆方向バイアス時には同じ色にはなりません。逆方向ブレークダウン電圧が十分に高いため、発光波長は可視光になるほどには近似しません。各方向に異なる色のLEDを搭載したデュアルLEDパッケージは存在しますが、逆方向バイアス時に単一のLED素子が可視光を発することは期待できません。

逆バイアスモードでのみ発光するツェナーダイオードが存在するかどうかは不明です。このタイプのLEDは、逆接続時に導通するというユニークな特徴があります。

外観

光の特性

信頼性

  • 耐衝撃性：LEDは固体部品であるため、壊れやすい蛍光灯や白熱電球とは異なり、外部からの衝撃によって損傷を受けにくい。[ 79 ]
  • 熱暴走：LEDの並列接続では、順方向電圧の製造公差により電流が均等に分配されません。単一の電流源から2つ以上のLEDを駆動すると、デバイスの温度上昇に伴いLEDが故障する可能性があります。順方向電圧のビニングが不可能な場合は、並列接続されたLED間で電流が均等に分配されるように回路を設ける必要があります。[ 80 ]
  • ゆっくりとした故障：LEDは白熱電球のように突然故障するのではなく、時間の経過とともに暗くなることによって故障します。[ 81 ]
  • 寿命：LEDは比較的長い耐用年数を有します。ある報告書では、白色LEDの耐用年数は35,000～50,000時間と推定されていますが、完全に故障するまでの時間はこれより短くなる場合も長くなる場合もあります。[ 82 ]蛍光灯の耐用年数は、使用条件にもよりますが、一般的に約10,000～25,000時間、白熱電球の耐用年数は1,000～2,000時間とされています。DOEによる複数の実証実験では、LED製品の投資回収期間を決定する主な要因は、エネルギー節約ではなく、この長寿命化によるメンテナンスコストの削減であることが示されています。[ 83 ]
  • サイクリング: LED は、頻繁にオン/オフを繰り返す用途に最適です。これは、頻繁にオン/オフを繰り返すと早く故障する白熱灯や蛍光灯、または再起動すると再び点灯できるようになるまでに最大出力まで温まるのに長い時間がかかり、また冷却するのにも長い時間を要する高輝度放電ランプ(HID ランプ) とは異なります。
  • 温度依存性：LEDの性能は、動作環境の周囲温度、つまり熱管理特性に大きく依存します。周囲温度が高い状態でLEDを過剰に駆動すると、LEDパッケージが過熱し、最終的にはデバイスの故障につながる可能性があります。長寿命を維持するには、適切なヒートシンクが必要です。これは、デバイスが幅広い温度範囲で動作し、低い故障率を要求される自動車、医療、軍事用途において特に重要です。

製造業

LEDの製造には、エピタキシー、チップ処理、チップ分離、パッケージングなど、複数のステップが含まれます。[ 84 ]

典型的なLED製造プロセスでは、プロービング、ダイシング、ウェハからパッケージへのダイの移設、そしてワイヤボンディングまたはフリップチップ実装の後に封止が行われます。[ 85 ]実装には透明導電体であるインジウムスズ酸化物が使用される場合もあります。この場合、ボンドワイヤはLED内に堆積されたITO膜に接続されます。

フリップチップ回路基板（COB）はLEDの製造に使用できる技術です。[ 86 ]

色と素材

従来のLEDは、様々な無機半導体材料から作られています。以下の表は、波長範囲、電圧降下、材料別に利用可能な色を示しています。

色 波長（nm） 電圧（V） 半導体材料
赤外線λ > 760 ΔV < 1.9 ガリウムヒ素（GaAs）

アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)

赤610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)

ガリウムヒ素リン（GaAsP）、 アルミニウムガリウムインジウムリン（AlGaInP）、 ガリウム(III)リン（GaP）

オレンジ590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 ガリウムヒ素リン（GaAsP）

アルミニウムガリウムインジウムリン化物（AlGaInP） ガリウム(III)リン化物（GaP）

黄色570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 ガリウムヒ素リン（GaAsP）

アルミニウムガリウムインジウムリン化物（AlGaInP） ガリウム(III)リン化物（GaP）

緑500 < λ < 570 1.9 [ 87 ] < ΔV < 4.0 窒化インジウムガリウム(InGaN) /窒化ガリウム(III) (GaN)

リン化ガリウム(III) (GaP) リン化アルミニウムガリウムインジウム(AlGaInP) リン化アルミニウムガリウム(AlGaP)

青450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 セレン化亜鉛（ZnSe）

窒化インジウムガリウム（InGaN） 基板としての炭化ケイ素（SiC） 基板としてのシリコン（Si） — （開発中）

バイオレット400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 インジウムガリウム窒化物（InGaN）
紫複数のタイプ 2.48 < ΔV < 3.7 デュアルブルー/レッドLED、

赤色蛍光体の青、または紫色のプラスチックの白

紫外線λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 ダイヤモンド（235 nm）[ 88 ]

窒化ホウ素（215 nm）[ 89 ] [ 90 ]窒化アルミニウム（AlN）（210 nm）[ 19 ]

窒化アルミニウムガリウム（AlGaN） 窒化 アルミニウムガリウムインジウム（AlGaInN） — （210 nmまで）[ 91 ]

白 広範囲 2.7 < ΔV < 3.5 黄色蛍光体を使用した青色ダイオード、または多色蛍光体を使用した紫色/紫外線ダイオード  

アプリケーション

LED -自動車のヘッドライト

LED の用途は主に 5 つのカテゴリに分類されます。

  • 光が光源から人間の目にほぼ直接届き、メッセージや意味を伝える視覚信号
  • 物体から反射された光によって、その物体の視覚的な反応が得られる照明
  • 人間の視覚を伴わないプロセスの測定と相互作用[ 92 ]
  • LEDが逆バイアスモードで動作し、光を放射する代わりに入射光に反応する狭帯域光センサー[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]
  • 屋内栽培（大麻を含む）。[ 97 ]

園芸におけるLEDの応用は、植物の成長と発育を最適化するエネルギー効率の高いカスタマイズ可能な照明ソリューションを提供することで、植物栽培に革命をもたらしました。[ 98 ] LEDは光のスペクトル、強度、光周期を正確に制御できるため、栽培者はさまざまな植物種や生育段階の特定のニーズに合わせて照明条件を調整できます。この技術は、従来の照明システムと比較して、光合成を促進し、作物の収量を向上させ、エネルギーコストを削減します。さらに、LEDは発熱量が少ないため、熱による損傷のリスクなく植物に近づけて設置することができ、二酸化炭素排出量を削減し、管理された環境での生育期間を延長することで、持続可能な農業慣行に貢献します。[ 99 ]光スペクトルは、トマト（Solanum lycopersicum）の苗の成長、代謝プロファイル、および真菌性植物病原体に対する耐性に影響を与えます。[ 100 ] LEDはマイクロプロパゲーションにも使用できます。[ 101 ]

指標と兆候

LEDは消費電力が少なく、メンテナンスが容易で、小型であることから、様々な機器や設備の状態表示やディスプレイとして利用されています。大面積LEDディスプレイは、スタジアムのディスプレイ、ダイナミックな装飾ディスプレイ、高速道路のダイナミックメッセージサインなどに使用されています。薄型で軽量なメッセージディスプレイは、空港や鉄道駅、電車、バス、路面電車、フェリーの 行き先表示などに使用されています。

赤と緑のLED信号

単色ライトは、交通信号や信号機、出口標識、緊急車両の照明、船舶の航行灯、LED ベースのクリスマス ライトなどに適しています。

LEDは寿命が長く、切り替え時間が速く、出力と焦点が合っているので明るい日中でも視認性が良いことから、自動車のブレーキランプや方向指示器に使われてきました。ブレーキランプに使用すると、完全に点灯するまでの時間が大幅に短縮され、白熱電球に比べて立ち上がり時間が約200ミリ秒速いため[ 102 ] 、安全性が向上します。これにより、後続のドライバーが反応する時間が長くなります。デュアルインテンシティ回路（リアマーカーとブレーキ）では、LEDのパルス周波数が十分高くないと、ファントムアレイが生成される可能性があります。これは、目がアレイを素早くスキャンするとLEDのゴーストイメージが現れる現象です。白色LEDヘッドランプが登場し始めています。LEDを使用すると、放物面反射鏡を備えた白熱電球よりもはるかに薄い光を形成できるため、スタイリング上の利点があります。

低出力LEDは比較的安価であるため、グロースティックや投げ縄などの一時的な用途にも広く使用されています。アーティストはLEDアートにもLEDを使用しています。

点灯

高効率・高出力LEDの開発により、照明や照明器具へのLEDの利用が可能になりました。LEDランプやその他の高効率照明への移行を促進するため、米国エネルギー省は2008年にL Prizeコンテストを創設しました。フィリップス・ライティング・ノースアメリカのLED電球は、18ヶ月に及ぶ徹底的な現場試験、実験室試験、製品試験を経て、2011年8月3日に第1回コンテストで優勝しました。[ 103 ]

持続可能な建築には、効率的な照明が必要です。2011年現在、一部のLED電球は最大150 lm/Wの輝度を提供し、安価なローエンドモデルでさえ50 lm/Wを超えるものも珍しくありません。そのため、6ワットのLED電球で標準的な40ワットの白熱電球と同等の輝度を得ることができます。LEDは発熱量が低いため、空調システムの需要も低減します。世界中で、白熱電球や電球型蛍光灯などの効率の低い光源に代わるLEDの導入が急速に進み、電力消費量とそれに伴う排出量を削減しています。太陽光発電式LEDは、街灯や建築照明に利用されています。

機械的な堅牢性と長寿命は、自動車、オートバイ、自転車の照明に利用されています。LED街路灯は電柱や駐車場に使用されています。2007年、イタリアのトッラカ村は街路照明をLEDに切り替えた最初の村となりました。[ 104 ]

最近のエアバスとボーイングのジェット旅客機の客室照明にはLED照明が採用されています。LEDは空港やヘリポートの照明にも使用されています。空港のLED照明器具には現在、中輝度滑走路灯、滑走路中心線灯、誘導路中心線灯および路端灯、誘導標識、障害灯などが含まれています。

LEDは、 DLPプロジェクターの光源として、また、新型液晶テレビ（ LEDテレビと呼ばれる）、コンピューターモニター（ノートパソコンを含む）、携帯型デバイス用液晶ディスプレイのバックライトとしても使用されています。これらは、旧式のCCFLバックライト液晶ディスプレイの後継機種ですが、 OLEDスクリーンに取って代わられつつあります。RGB LEDは色域を最大45%拡大します。テレビやコンピューターディスプレイの画面は、LEDをバックライトとして使用することで薄型化できます。[ 105 ]

LEDは小型で耐久性があり、消費電力も少ないため、懐中電灯などの携帯型デバイスに使用されています。LEDストロボやカメラフラッシュは、キセノンフラッシュランプベースの照明で一般的に見られる250ボルト以上の電圧ではなく、安全な低電圧で動作します。これは、スペースが限られており、かさばる電圧昇圧回路を必要としない 携帯電話のカメラに特に有効です。

LEDは、防犯カメラなどの夜間視認用途における赤外線照明として利用されています。ビデオカメラの周囲にリング状のLEDを配置し、反射性の背景に向けて照射することで、ビデオ制作におけるクロマキー合成が可能になります。

鉱山労働者向けのLEDで鉱山内の視認性を高める
ロサンゼルスのヴィンセント・トーマス橋が青色LEDでライトアップ

LEDは鉱山作業において、鉱夫の照明となるキャップランプとして使用されています。採掘作業用LEDの改良、グレアの低減、照度向上、そして鉱夫の負傷リスクの低減に向けた研究が行われています。[ 106 ]

LEDは、気分を高めるなどの医療や教育の分野での利用が増えています。[ 107 ] NASAは、宇宙飛行士の健康を促進するためにLEDを使用する研究を後援しています。[ 108 ]

データ通信およびその他の信号伝達

光はデータやアナログ信号の伝送に利用できます。例えば、白色LEDを点灯させることで、閉空間内で必要な部屋や物体を探しながら人が移動するのを支援するシステムに利用できます。[ 109 ]

多くの劇場や類似の空間に設置されている補聴支援装置は、赤外線LEDアレイを用いて音声をリスナーの受信機に送信しています。発光ダイオード（および半導体レーザー）は、 TOSLINKケーブルを介したデジタルオーディオから、インターネットのバックボーンを形成する超高帯域幅光ファイバーリンクまで、様々な種類の光ファイバーケーブルを介してデータを送信するために使用されています。一時期、コンピューターは一般的にIrDAインターフェースを搭載しており、赤外線を介して近くの機器とデータを送受信することができました。

LEDは1秒間に数百万回オンとオフを繰り返すことができるため、非常に高いデータ帯域幅を実現できます。 [ 110 ]そのため、競争が激化する無線帯域幅の代替として可視光通信（VLC）が提案されています。[ 111 ] VLCは電磁スペクトルの可視部分で動作するため、無線通信の周波数を占有することなくデータを送信できます。

マシンビジョンシステム

マシン ビジョンシステムでは、多くの場合、明るく均一な照明が必要となるため、対象となる特徴をより簡単に処理できます。LED がよく使用されます。

バーコードスキャナーはマシンビジョンアプリケーションの最も一般的な例であり、これらのスキャナーの多くはレーザーの代わりに赤色LEDを使用しています。光学式コンピューターマウスは、マウス内の小型カメラの光源としてLEDを使用しています。

LEDはコンパクトで信頼性の高い光源を提供するため、マシンビジョンに適しています。LEDランプは、ビジョンシステムのニーズに合わせてオン/オフを切り替えることができ、生成されるビームの形状もシステムの要件に合わせて調整できます。

生物学的検出

米国陸軍研究所（ARL）によるアルミニウムガリウム窒化物（AlGaN）合金における発光再結合の発見は、生物兵器検出用の光誘起蛍光センサーに組み込むための紫外線発光ダイオード（LED）の概念化につながった。 [ 112 ] [ 113 ] [ 114 ] 2004年、エッジウッド化学生物学センター（ECBC）は、TAC-BIOと呼ばれる生物兵器検出器の開発に着手した。このプログラムは、国防高等研究計画局（DARPA）が開発した半導体紫外線光源（SUVOS）を活用した。[ 114 ]

紫外線誘起蛍光法は、生物学的エアロゾルの迅速なリアルタイム検出に用いられる最も堅牢な技術の一つです。[ 114 ]最初の紫外線センサーはレーザー式であり、現場での使用には実用性に欠けていました。この問題に対処するため、DARPAはSUVOS技術を組み込んだ、低コスト、小型、軽量、低消費電力のデバイスを開発しました。TAC-BIO検出器の応答時間は、生物学的因子を感知してから1分でした。また、この検出器は屋内外で数週間にわたって無人運転できることも実証されました。[ 114 ]

エアロゾル化された生物学的粒子は、紫外線ビームの下で蛍光を発し、光を散乱させます。観察される蛍光は、照射された波長と生物学的因子内の生化学的蛍光体に依存します。紫外線誘起蛍光は、生物学的因子の検出において、迅速、正確、効率的、かつロジスティックス的に実用的な方法を提供します。これは、紫外線蛍光の使用が試薬レス、つまり反応を起こすために化学物質を添加する必要がなく、消耗品も不要で、化学副産物も生成しないプロセスであるためです。[ 114 ]

さらに、TAC-BIOは、脅威となるエアロゾルと非脅威となるエアロゾルを確実に識別できます。低濃度のエアロゾルを検知できるほどの感度を持ちながら、誤検知を引き起こすほどの感度ではないとされています。この装置に使用されている粒子計数アルゴリズムは、蛍光検出器と散乱検出器から単位時間あたりの光子パルスを計数し、その値を設定された閾値と比較することで、生データを情報に変換します。[ 115 ]

オリジナルのTAC-BIOは2010年に発売されましたが、第2世代のTAC-BIO GEN IIは、プラスチック部品の採用によりコスト効率を高め、2015年に開発されました。小型軽量設計のため、車両、ロボット、無人航空機への搭載が可能です。第2世代のデバイスは、病院、飛行機、さらには家庭内の空気質を監視し、真菌やカビを検出する環境検出器としても活用できます。[ 116 ] [ 117 ]

その他のアプリケーション

舞台パフォーマー向けLEDコスチューム
MeystyleのLED壁紙
ディスクジョッキーの後ろにある大型LEDディスプレイ
4桁の数字とポイントを表示できる7セグメントディスプレイ
シャトルミッションSTS-73中のジャガイモ栽培の初期実験で使用されたLEDパネル光源。将来の長期ミッションで食料を栽培する可能性を調査するため。

LED の光は非常に高速に変調できるため、光ファイバーや自由空間光通信で広く使用されています。これには、赤外線 LED がよく使用されるテレビなどのリモコンも含まれます。光アイソレータは、フォトダイオードまたはフォトトランジスタと組み合わせた LED を使用し、2 つの回路間を電気的に絶縁した信号経路を提供します。これは、生体と接触する低電圧センサー回路 (通常は電池駆動) からの信号を、潜在的に危険な電圧で動作する記録装置や監視装置のあらゆる電気的故障から電気的に絶縁する必要がある医療機器で特に役立ちます。光アイソレータは、共通の接地電位を共有しない回路間での情報転送も可能にします。

多くのセンサーシステムは、信号を信号源として利用しています。センサーの要件から、LEDは光源として最適な場合が多くあります。任天堂Wiiのセンサーバーは赤外線LEDを使用しています。パルスオキシメーターは、酸素飽和度の測定に赤外線LEDを使用しています。一部のフラットベッドスキャナーは、一般的な冷陰極蛍光灯ではなく、RGB LEDアレイを光源として使用しています。3色の照明を個別に制御できるため、スキャナーはより正確な色バランスに自動調整することができ、ウォームアップの必要がありません。さらに、スキャン対象のページは常に1色の光のみで照らされるため、センサーは単色で十分です。

LEDはフォトダイオードとしても使用できるため、光の放出と検出の両方に使用できます。例えば、指やスタイラスからの反射光を検出するタッチスクリーンに使用できます。[ 118 ]多くの物質や生物系は光に敏感であり、光に依存しています。植物育成ライトはLEDを使用して植物の光合成を促進します。[ 119 ]また、UV LEDを使用して水やその他の物質から細菌やウイルスを除去し、殺菌することができます。[ 18 ]特定の波長のLEDは、新生児黄疸やニキビの光線療法にも使用されています。[ 120 ]

220nm～395nmのスペクトル範囲を持つUV LEDは、水/空気の浄化、表面消毒、接​​着剤の硬化、自由空間非視線通信、高性能液体クロマトグラフィー、UV硬化染料印刷、光線療法（295nmビタミンD、308nmエキシマランプまたはレーザーの代替）、医療/分析機器、DNA吸収などの他の用途があります。[ 113 ] [ 121 ]

LEDは、電子回路において中程度の品質の電圧リファレンスとしても使用されています。順方向電圧降下（赤色LEDで約1.7V、赤外線LEDで約1.2V）は、低電圧レギュレータにおいてツェナーダイオードの代わりに使用できます。赤色LEDは、屈曲点より上で最も平坦なI/V曲線を示します。窒化物系LEDはI/V曲線がかなり急峻であるため、この用途には適していません。LEDの順方向電圧はツェナーダイオードよりもはるかに電流依存性が高いものの、ブレークダウン電圧が3V未満のツェナーダイオードは広く入手できません。

LED や OLED など、薄型素材に組み込むのに適した低電圧照明技術の小型化が進むにつれ、光源と内壁の壁材表面をLED 壁紙の形で組み合わせる実験が促進されました。

研究開発

主な課題

LEDの効率を最適化するには、蛍光体材料や量子ドットなどの継続的な改良が不可欠です。[ 122 ]

ダウンコンバージョン（物質が高エネルギーの光子を異なる低エネルギー色に変換する方法）のプロセスにも改善が必要です。例えば、現在使用されている赤色蛍光体は熱に敏感であり、温度による色の変化や効率の低下を防ぐために、この点を改善する必要があります。赤色蛍光体は、スペクトル幅を狭くすることでより多くのルーメンを放射し、光子の変換効率を向上させることも可能です。[ 123 ]

さらに、電流効率の低下、色の変化、システムの信頼性、光の分布、調光、熱管理、電源性能の分野でもまだ取り組むべき課題が残っている。[ 122 ]

当初、LEDの効率低下は高温によって引き起こされるのではないかと疑われていました。しかし、科学者たちは、温度が効率低下の根本的な原因ではないことを示しました。[ 124 ]効率低下を引き起こすメカニズムは、2007年にオージェ再結合であることが特定されました。これは混合反応と関連しています。[ 74 ] 2013年の研究では、オージェ再結合が原因であると最終的に特定されました。[ 125 ]

潜在的な技術

新しいLEDファミリーは、ペロブスカイトと呼ばれる半導体をベースにしています。2018年、発見からわずか4年で、ペロブスカイトLED（PLED）の電子から光を生成する能力は、すでに最高性能のOLEDに匹敵しました。[ 126 ]低コストでローテクな方法である溶液から処理できるため、費用対効果が高く、大面積のペロブスカイトベースのデバイスを非常に低コストで製造できる可能性があります。その効率は、非放射損失、つまり光子を生成しない再結合経路を排除することで優れています。また、薄膜LEDでよく見られるアウトカップリングの問題を解決するか、電荷キャリア注入のバランスをとってEQE（外部量子効率）を高めることで優れています。最新のPLEDデバイスは、EQEを20%以上に引き上げることで、性能の壁を突破しました。[ 127 ]

2018年、CaoらとLinらはそれぞれ独立して、20%を超える外部量子効率（EQE）を有するペロブスカイトLEDの開発に関する2つの論文を発表し、PLED開発における画期的な成果となりました。彼らのデバイスは、活性層（ペロブスカイト）が2つの電極で挟まれた、同様の平面構造を有しています。高い外部量子効率を実現するために、彼らは非発光再結合を低減するだけでなく、それぞれ独自の、わずかに異なる手法を用いて外部量子効率を向上させました。[ 127 ]

Caoらの研究[ 128 ]では、研究者らは薄膜LEDの光学物理的特性により、半導体で生成された光の大部分がデバイス内に閉じ込められてしまうという光取り出しの問題に焦点を当てました。[ 129 ]この目標を達成するために、彼らは溶液処理されたペロブスカイトがサブミクロンサイズの結晶板を自発的に形成し、デバイスから効率的に光を取り出せることを実証しました。これらのペロブスカイトは、ペロブスカイト前駆体溶液にアミノ酸添加剤を導入することで形成されます。さらに、彼らの方法はペロブスカイト表面の欠陥を不動態化し、非放射再結合を低減することができます。したがって、光取り出しを改善し、非放射損失を低減することで、Caoらは最大20.7%のEQEを備えたPLEDを実現することに成功しました。[ 128 ]

リン氏らは、高いEQEを生成するために異なるアプローチを採用した。ペロブスカイト層の微細構造を変更する代わりに、デバイス内の組成分布を管理する新しい戦略、すなわち高い発光とバランスのとれた電荷注入を同時に提供するアプローチを採用することを選択した。言い換えれば、彼らは依然として平坦な発光層を使用しながらも、ペロブスカイトに注入される電子と正孔のバランスを最適化し、電荷キャリアを最も効率的に利用しようとした。さらに、ペロブスカイト層では、結晶はMABr添加剤（MAはCH 3 NH 3）によって完全に囲まれている。MABrシェルは、ペロブスカイト結晶に存在する非放射欠陥を不活性化し、非放射再結合を低減する。したがって、電荷注入のバランスを取り、非放射損失を低減することで、リン氏らは最大20.3%のEQEを有するPLEDを開発した。[ 130 ]

健康と安全

一部の青色LEDおよびクールホワイトLEDは、「ANSI/IESNA RP-27.1–05：ランプおよびランプシステムの光生物学的安全性に関する推奨基準」などの眼の安全仕様で定義されている、いわゆる青色光ハザードの安全限度を超える可能性があります。 [ 131 ]ある研究では、家庭内の照度での通常の使用ではリスクの証拠は示されておらず、[ 132 ]特定の職業上の状況または特定の集団に対してのみ注意が必要であることが示されています。[ 133 ] 2006年、国際電気標準会議（IEC）は、LED光源の分類における初期のレーザー指向の規格の適用に代わる、 IEC 62471ランプおよびランプシステムの光生物学的安全性を発行しました。[ 134 ]

LEDは蛍光灯に比べて水銀を含まないという利点があるが、鉛やヒ素などの他の有害金属が含まれている可能性がある。[ 135 ]

2016年、米国医師会（AMA）は、青みがかった街路照明が都市住民の睡眠覚醒サイクルに悪影響を及ぼす可能性について声明を発表しました。業界関係者は、曝露レベルは目に見えるほど高くないと主張しています。[ 136 ]

環境問題

  • 光害：白色LEDは高圧ナトリウムランプなどの光源よりも短波長の光を多く放射するため、暗所視における青と緑の感度が増し、屋外照明に白色LEDを使用すると空の輝きが大幅に増すことになる。[ 62 ]
  • 野生生物への影響：LEDはナトリウム灯よりも昆虫を引き寄せやすいため、食物連鎖の混乱を招く可能性が懸念されている。[ 137 ] [ 138 ]海岸近くのLED照明、特に鮮やかな青と白の照明は、ウミガメの孵化直後の子ガメの方向感覚を失わせ、内陸部へ向かわせる可能性がある。[ 139 ]保護団体は、ウミガメへの危害を軽減するために、可視スペクトルの狭い範囲のみを発光する「ウミガメに安全な照明」LEDの使用を推奨している。[ 140 ]
  • 冬季使用：白熱灯に比べて熱をあまり発しないため、交通管制用のLEDライトは雪で見えにくくなり、事故につながる可能性があります。[ 141 ] [ 142 ]

参照

参考文献

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