新たな光の地平線 –LED照明と応用
発光ダイオードの開発-
19 世紀に白熱電球が登場して以来、照明は現代人のライフスタイルを変えてきました。 21世紀に入り、地球の持続可能な開発を追求するために、グリーン照明への注目が高まっています。白熱電球が時代遅れになるにつれ、発光ダイオード（LED）が照明業界の最も有望な後継者となり、照明業界に新たな応用機会を生み出しています。{4}
LED は固体照明の一種であり、コンパクトなサイズ、水銀フリー動作、長寿命、高い発光効率、耐衝撃性、高速応答などの利点を備えています。- LED のコア構造は、p- 型半導体と n- 型半導体で構成されるチップで構成されます。 pn 接合に順方向電圧が印加されると、材料間のバンドギャップを克服するエネルギーが生成され、電子-の再結合が引き起こされます。この再結合プロセスは放射性または非放射性として分類できます。-この再結合プロセス中に、エネルギーが光と熱として放出されます。これが LED 発光の原理です。
最も一般的な色は、2 つ以上の原色から合成されます。光の三原色は赤（R）、緑（G）、青（B）です。これらの三原色を混ぜると、白色光や他の色が生まれます。初期の LED は、発光効率が低く、青色 LED が使用されていないため、用途が限られていました。
日本の日亜化学株式会社の科学者である中村修二博士が、サファイア基板上に窒化インジウム ガリウム (InGaN) を成長させることによって最初の高輝度青色 LED を開発したのは、1990 年代半ばになってからでした。{2}}青色LEDの発明により、混色による白色LEDの製造が可能となり、中村博士は「青色LEDの父」と称えられるようになりました。白色 LED の出現により LED 業界の急速な発展が促進され、LED はオプトエレクトロニクス業界で最も競争力のある製品の 1 つになりました。
2012 年 4 月、アメリカの大手メーカーである Cree は、自社の高出力白色 LED が 350mA の駆動電流で 254 lm/W の発光効率を達成し、新記録を樹立したと発表しました。{{1}この発光効率は他の現在の光源を上回っており、LED は従来の光源に代わる大きな可能性を秘めた新世代の光源となっています。
LEDと人間の視覚
照明は人間の知覚に基づいています。したがって、LED 光源のアプリケーションを開発するには、まず人間の目の基本構造と光に対するその反応を理解する必要があります。人間の網膜は多数の光受容細胞で構成されており、形状によって桿体と錐体に分類されます。光が目に入ると、桿体と錐体がそれぞれ明るさと色を脳に伝え、画像を構築します。
錐体と明所視: 錐体は主に色を感知し、日中はより高い感度を持ちます。さらに、L錐体、M錐体、S錐体に分けられます。 L錐体は主に赤色を感知し、ピーク波長は約564～580nmです。 M 錐体は主に緑色を感知し、ピーク波長は約 534 ～ 545 nm です。 S 錐体は主に青色を感知し、そのピーク波長は約 420 ～ 440 nm です。
異なる光強度では異なる細胞の感度が異なるため、国際照明委員会 (CIE) は標準視覚機能曲線を確立しました。 L、M、または S 錐体細胞を持たずに生まれた場合、その人は先天色盲とみなされます。これは、男性に多く見られる性別に関連した遺伝性疾患です。-彼らは特定の色を見ることができず、一般に視力が悪くなります。
桿体細胞と暗所視: 桿体細胞は光を受け取るだけで、色を識別できません。これらは白黒画像を認識し、主に夜間などの低照度条件で機能します。-極めて低い光強度では、人間の目は主に桿体細胞に依存するため、「暗所視」という用語が付けられています。薄暗い場所では、目は光に対して非常に敏感になり、光に対する感度はさらに高まります。
LEDパラメータ
LED 製品の重要な仕様は光束です。 LEDが発する光束はルーメン(lm)で表されます。光源の光束と光源が消費する電力の比は、その光源の発光効率 (lm/W) を表します。発光効率が高いほど、光源のエネルギー効率が高いことを示します。-もう 1 つの重要なパラメータは色温度です。これは LED 照明製品によって表示される色の特性に影響を与えます。
色温度は、光源と同じ色を発する点まで加熱された黒体がケルビン (K) で表される温度として定義されます。色温度が異なると、視覚体験も異なります。たとえば、色温度が 3,000K 未満の場合、光の色は赤みを帯びる傾向があり、温かみのある親密な印象を与えます。色温度が5,000Kを超えると青みが強くなり、涼しげで落ち着いた印象になります。光源の色温度の変化は、室内の雰囲気に影響を与える可能性があります。たとえば、白熱電球の色温度は 2,700K で、屋内照明に最適です。光源の色温度も、照らされるオブジェクトの特性に影響を与えます。したがって、市場の照明製品は一般に、さまざまな消費者のニーズを満たすために色温度を表示します。
色温度に加えて、照度も重要な仕様です。照度は、特定の距離における単位面積当たりに分布する光束として定義され、ルクスで表されます。人間の知覚は、色温度と照度と微妙な関係を示します。たとえば、色温度が低く、照度が高い場合、人体は息苦しく感じます。色温度が低く、照度が低い場合、人体は暖かく感じます。照明の最も一般的な用途は、LED ヘッドライト、スポットライト、サーチライトです。
輝度 (明るさとしても知られる) は、面光源によってその投影面積に対して特定の方向に放射される光の量として定義されます。輝度は、LED 看板、携帯電話パネル、信号機、車のテールライトなど、幅広い用途に使用されます。
LEDの特性と駆動回路
新しい光源である LED ドライバー回路は、従来の蛍光灯で使用されている安定器とは大きく異なります。 LED ドライバー回路の主な機能は、AC 電圧を DC 電圧に変換し、同時に LED の電圧と電流を一致させることです。したがって、LED ランプは通常、駆動回路と光源の 2 つのコンポーネントで構成されます。 LED ドライバー回路について議論する場合、まず LED の電気的特性を理解することが最善です。
LED の電圧-特性曲線は非線形の動作を示します。 LED の両端の電圧がオン状態電圧を超えると、オン状態電流が大幅に増加します。-。この特性は、LED がオンになると、小さな電圧変動でも LED を流れる電流に劇的な変化を引き起こす可能性があることを示しています。 LED 電流-光出力特性曲線は、LED の光出力が電流にほぼ直線的に比例することを示しています。これらの負荷特性に基づいて、一般的な LED ドライバ回路は主に定電流制御を利用して、適切な動作条件下で正確な LED 動作を保証します。
LED仕様
世界の LED 照明産業は急速に発展しています。 LED照明器具の普及が進むにつれて、世界標準も徐々に固まりつつあります。 Energy Star は、エネルギー効率の高い消費者製品のための国際規格およびプログラムであり、大型電化製品、オフィス機器、照明、家庭用電化製品などの幅広いカテゴリをカバーしています。- LED照明製品の試験には、周囲温度試験、寿命試験、積分球測定、配光曲線などが含まれます。さらに、演色性、力率、色温度、発光効率などの主要な LED 照明パラメータが規制されています。市場に出回っている LED 製品の品質はさまざまであるため、消費者は認証マークを使用して LED 照明製品の品質と保証を確保できます。
LED アプリケーション
LED技術は急速に進歩しており、その用途は多岐にわたります。最も一般的な用途は、壁取り付け用燭台、常夜灯、読書灯、スポットライト、ライト ストリップ、ダウンライト、緊急インジケータなどの住宅用、商業用、産業用の照明です。
LED照明はアートや建築と統合することもできます。光をテーマにした作品は、テクノロジー アートの分野でよく見られるテーマです。-アーティストにとって、LED 冷光源のユニークな特性は、従来の光源と比較して新たな創造的な可能性を開きます。
前述の用途に加えて、LED 植物育成ライトは農業生産者にとって恩恵をもたらします。最適化された人工光スペクトルは、植物にとって最適な環境と条件を作り出します。成長ライトで通常使用される赤色と青色の光は、光合成に必要な効率曲線とほぼ一致しており、植物の成長に最適な光源となっています。 LED のより革新的な用途を促進し、LED 製品の品質に対する消費者の信頼を築くことができれば、LED は照明市場で繁栄すると信じています。
エネルギーが減少する世界において、高効率照明はエネルギーを節約する最良の方法の 1 つです。{0}一般的な電力消費構造では、照明が総電力消費量の 19% も占めることがあります。 LED は発光効率が高いため、従来の光源に代わる有望な代替品となり、エネルギー効率の高い照明の有望な選択肢となっています。-さらに、LED アプリケーションは点光源から線、さらには面にまで拡張でき、革新的な照明アプリケーションと照明の革命をもたらします。照明はもはや単に環境を照らすだけではありません。芸術、創造性、エンターテイメント、ヘルスケア、バイオテクノロジーと統合することができ、私たちの視覚的生活や日常生活に新しい視点をもたらします。
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