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zoom RSS 発光ダイオードの技術課題

<<   作成日時 : 2012/04/29 21:41   >>

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 ここ数年で発光ダイオード(LED)を使った照明器具は急速に普及してきました。このことはLEDの多くの技術課題が解決されたことを意味します。これまで取り組まれてきたこのような技術課題を整理すると、それがLEDを形作っている要素技術になると考えられます。今後このような要素技術を一つ一つ取り上げて行きたいので、まずはそれらを整理します。
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(1)高輝度化
 LEDはいかに強い光を出せるかが重要な課題になります。薄暗いところでしか光っているのが分からないようでは使える場面があまりありません。太陽の光があたる明るいところでも光っているのがはっきりわかるくらい強く光れば、屋外の信号機やディスプレイにも使えます。そこでLEDの基本性能としては光出力が大きいこと、言い換えれば輝度が高いことが重要です。

 LEDに流す電流を増加させれば発光は強くなるのですが、求められるのはできるだけ少ない電流を流してできるだけ強い光を出したいということ、つまり発光効率が高いということです。このような高い発光効率を実現するために着目すべき点は大きく分けて2つあります。

 第1には発光層からいかに強い光を出すかという点です。これは注入した電子と正孔をいかに無駄なく再結合させ、光に変換するかという課題になります。解決手段には使用する結晶の質の向上や発光層を含むLEDチップの構造的な改良などがあります。チップ構造の問題は、主として再結合を促進するために電子と正孔をできるだけ狭い領域に閉じ込める構造をいかにつくるか、ということになります。

 第2には発光層から出た光をいかに多く利用できるようにするかという点です。発光層から出た光は最後には空気中に出て出射光として利用される訳ですが、半導体の屈折率は空気の屈折率(=1)よりかなり大きいので、発光層から出た光は半導体と空気の界面で全反射されて外に出てこなくなります。また図のようにチップと空気の間には封止材料がある場合もあります。この封止材料の屈折率は半導体と空気の間の値となるので、同じことが起こります。また半導体表面には電極など光を遮る障害物がある場合もあります。これらをいかに少なくするかも重要です。

(2)発光波長範囲の拡大
 発光波長は材料のバンドギャップエネルギーで決まりますから、必要なバンドギャップエネルギーをもった高品質の半導体結晶が使用可能かという課題になります。この点については青色あるいは紫外光を発光できる半導体材料を最後に、赤外から紫外まで通常使われるほぼ全波長域が揃いました。

 半導体の発光層から得られる光はほぼ単色光です。普通の生活に必要な照明光は白色光ですから、LEDの発光から白色光を得るためには複数色を混ぜる必要があります。三原色を使うのが基本ですが、補色関係にある2色の混合でも可能です。しかし複数の色のLEDを用意するより蛍光材料によって1個のLEDの波長を変換する方が簡単でコストが安く、この方法が広く使われるようになりました。あとはいかに太陽光に近い白色光に調整するかという問題が残りますが、これも解決が可能です。

(3)長寿命化
 素子の寿命を縮める要因の一つは温度です。動作温度が高温になるほど、寿命は短くなります。この課題は高効率化の課題と密接に関係しますが、その他に発生した熱をいかに逃がすかという放熱という手段もあります。またLEDの故障原因として静電気放電の問題があります。

(4)実装の課題
 LEDはチップのままでは実用的に使うことはできませんので、パッケージに実装して使うのが一般的です。この実装は上記(1)〜(3)を解決する手段になるので重要です。パッケージの構造によって光の取り出し効率は大きく左右されます。また蛍光材料はパッケージと一体にして設けられることが多く、パッケージ構造に大きく依存します。さらに放熱や静電気対策もパッケージ構造に依存します。この他、外部へ取り出す光を広く拡散させるのか、逆に集光するのかという光学的要求に応えるのも主としてパッケージの役割です。

 今後これらの課題に対する解決手段を順に紹介していく予定です。




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