21 世紀で最も革新的なテクノロジーの 1 つである発光ダイオード (LED) は、私たちがコミュニケーションし、家を照らし、外の世界と関わる方法を変えています。-これは、未知の科学現象から広く使用される照明ソリューションへと彼らを導いた忍耐力、創造性、そして画期的な発見の物語です。-この記事では、LED時を超えて、現在の使用を可能にした革新性を強調します。
1. 初期の発見: エレクトロルミネッセンスの起源 (1907 ～ 1960 年代)
エレクトロルミネッセンス現象、つまり電流が流れるときに物質から光が放出される現象は、LED 技術の基礎です。英国の研究者ヘンリー・ジョセフ・ラウンドは 1907 年にこの概念を初めて観察し、電圧が印加されると炭化ケイ素 (SiC) 結晶がかすかな輝きを放つことを発見しました。意図的ではなく、よく理解されていないにもかかわらず、ラウンドの発見は記録された最初のエレクトロルミネッセンスでした。
ロシアの発明家オレグ・ロセフは、1920 年代にラウンドの研究を基礎にしました。ロセフは、炭化ケイ素と酸化亜鉛の結晶を研究しながら、「光リレー」に関する詳細な記事を書きました。-彼はまた、エレクトロルミネッセンスが有用な光源の基礎として機能する可能性があると示唆しました。しかし、当時の技術的制約のため、彼の研究はほとんど無視され、彼の貢献は数十年後まで記憶に残りませんでした。
1950 年代と 1960 年代には、半導体科学の発展により新たな可能性が可能となり、現代 LED 時代の幕開けが見られました。ガリウムヒ素 (GaAs) やガリウムリン (GaP) などの材料は、RCA、ゼネラル エレクトリック、IBM の研究者によって研究されました。赤外 LED は 1961 年にロバート ビアードとゲイリー ピットマンによって発明されましたが、重要な発見はゼネラル エレクトリックの科学者ニック ホロニャック ジュニアによって行われました。ホロニャックは 1962 年にガリウム砒素リン化物 (GaAsP) 結晶を利用して赤色光を生成する最初の可視スペクトル LED を開発しました。- 「LED の父」として知られる Holonyak 氏は、最終的には LED が白熱灯に取って代わるという当時の未来的な予測を立てました。-
2. カラー革命 (1970 年代～1980 年代): スペクトルの拡大
初期の LED によって生成される低強度の赤色光は、時計、電卓、その他の機器で使用される表示灯にのみ適していました。- 1970 年代、研究は新しい色と効率の向上への欲求によって推進されました。
緑色と黄色の LED: 1970 年代初頭に、発明者らはリン化ガリウムに窒素をドープすることによって緑色と黄色の LED を作成しました。これらには、車のダッシュボード インジケーターや信号機が含まれるようになりました。
青色の LED: 聖杯 高品質の窒化ガリウム (GaN) 結晶を作成するという課題により、青色光は依然としてとらえどころのないままです。{0} GaN の高い融解温度と基板との格子不整合により、成長は困難でした。日本の赤崎勇氏や天野浩氏などの研究者は、有機金属化学気相成長法 (MOCVD) を使用して、1980 年代後半にサファイア基板上の GaN の開発に粘り強く取り組み、大きな進歩を遂げました。
最初の高輝度青色 LED は 1993 年に日亜化学工業の中村修二氏によって作成され、これが最後の重要な進歩となりました。-この分野は、活性層に窒化インジウムガリウム（InGaN）を使用した中村氏の発明によって変革された。青色 LED は、RGB カラー トライアドを完成させることに加えて、蛍光体コーティングを適用することで白色 LED を可能にしました (これについては後で詳しく説明します)。赤崎氏、天野氏、中村氏の努力が評価されて 2014 年にノーベル物理学賞を受賞したとき、青色 LED は革新的な発明であるという評判が確固たるものになりました。-
3. 世界を照らす: 白色 LED の画期的な進歩 (1990 年代～2000 年代)
一般的な照明には白色光が必要です。 LED が登場する前は、赤、緑、青の LED を混合して白色光を生成することは難しく、非効率な手順でした。青色 LED の導入により、より簡単な解決策が提供されました。黄色の蛍光体 (セリウム-ドープ イットリウム アルミニウム ガーネット、つまり YAG:Ce など) を青色 LED に適用することでした。蛍光体が青色光によって励起されると、広いスペクトルの光が放出され、残りの青色光と結合して白色が生成されます。
1990 年代後半、蛍光体変換白色 LED、つまり PC-LED- として知られる-技術-が経済的に実現可能になりました。 2000 年代までに、白熱電球や蛍光灯よりも効率の高い白色 LED が Cree、Philips、Osram などの企業によって大量生産されるようになりました。-
重要なターニングポイントには次のものが含まれます。
発光効率: 2010 年代までに、効率は 5 lm/W (赤色) から増加しました。LED1960 年代以降）から 150 lm/W 以上まで。
コスト削減: 2000 年から 2015 年にかけて、製造方法の改善（ウエハ-規模の生産など）により価格が 90% 削減されました。
照明への採用: エネルギーを節約するために、世界中の政府が LED の使用を奨励しました。たとえば、2008 年に米国エネルギー省が L 賞を受賞したことにより、60 W 白熱灯の代替品として LED 照明の採用が加速しました。
4. 照明の向こう側：スマートテクノロジーと多様化（2010年代～現在）
最近では、LED は照明以外にも使用されています。材料科学の発展と小型化により、多くの用途が可能になりました。
ａ．ビジュアルテクノロジーとディスプレイ
有機 LED (OLED) は、スマートフォン (Samsung の AMOLED パネルなど) に見られる、柔軟で非常に薄いスクリーンです。
マイクロ-LED: AR/VR ヘッドセットおよび高解像度テレビ用の自-ピクセル。-
Li-Fi: LED を使用してデータをワイヤレスで送信する光変調。
b.人間を中心とした照明
最近では、調整可能な LED が色温度を変更して自然太陽光のサイクルを再現し、睡眠の質と生産性を向上させています。 「サーカディアン照明」は、メラトニンレベルを制御するために学校や病院で使用されています。
c.農業と園芸
LED 育成ライトは、植物の発育を最大限に高めるために特定の波長 (光合成には赤と青など) を使用します。 LED は、垂直農場の年間を通じての作物生産に不可欠です。-
d.交通・自動車
LED は、その堅牢性と設計の適応性により、車両照明の業界標準となっています。 LED は現在の EV でヘッドライトからバッテリー状態表示に至るまであらゆる用途に使用されており、アウディの 2004 年の LED デイタイム ランニング ライトがトレンドの始まりとなりました。
5. 革新と困難
LED は成功にもかかわらず、引き続き障害に直面しています。
ａ．効率の低下
LED の効率は、熱と電子漏れにより、大電流では低下します。 GaN--上の GaN 基板と量子井戸設計は、欠陥を軽減する 2 つの方法です。
b.環境問題
LED には重金属や希土類元素（蛍光体中のユウロピウムなど）が含まれています。{0}電子廃棄物に関する懸念は、リサイクル施設の不足によって生じています。-
c.色の品質
アーリーホワイトの演色性LED was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. LEDの将来
新しいテクノロジーは LED を進歩させる可能性を秘めています。
ペロブスカイト LED: 低コスト、非常に発色の良い-純粋な材料。
UV-C LED: 水の浄化と殺菌用。
LiDAR の統合: 自動運転車の LED を使用した 3D マッピング。-
ヘンリー ラウンドの照明用クリスタルから中村修司の青色 LED に至るまで、LED の開発は人間の創意工夫と分野を超えた協力の証拠です。-現在、世界中の照明の半分以上が LED を使用しています。-これにより、炭素排出量が削減され、数十億ドルのエネルギー支出が節約されます。LEDは、よりスマートで環境に優しく、適応性の高い照明の研究が継続され、最小のダイオードでも地球を照らすことができることを実証する中で、技術革命をリードし続けるでしょう。
