青色LEDの開発により、
LED照明やブルーレイディスクは生まれた

(ニュートン2014年12月号から抜粋)

○  LED照明の技術の基本

「発光ダイオード(LED)」が発明されたのは、1950年代〜60年代です。

赤色LEDは、ニック・ホロニアック・ジュニアが1962年に開発した。

LEDは、「p型」と「n型」の2つの半導体を使った発光装置です。

p型(正の電気を帯びたホール)とn型(負の電気を帯びた電子)を貼り合せてあり、
電圧をかけると電流が生まれて、エネルギーが光として放出される。

LED電球は、電気を直接光に変えるので効率が良く、消費電力は蛍光灯の23%にすぎません。

LED電球は、紫外線が非常に少ないです。(蛍光灯は紫外線を基本にしている)
そのため、紫外線を感知する虫などが寄り付きにくい。

LED照明の発光部分は、「青色LEDチップ」と「蛍光体」で出来ています。

青色LEDチップに電圧をかけると青色光を発し、その光の一部を蛍光体が吸収して緑色光や赤色光を放出します。

青・緑・赤の「光の三原色」が混ざることで、白色光を作り出しています。

可視光(目に見える光)の波長は、400ナノメートル〜800ナノメートルです。

400ナノメートル以下は紫外線となり、800ナノメートル以上は赤外線となる。

可視光は、最も波長の短いもの(400ナノ)は紫色で、最も波長の長いもの(800ナノ)は赤色です。

青色光は、455〜485ナノメートルです。

波長が短いほどエネルギーは大きく、エネルギーの大きい光(青色)を作れれば、それを基にしてより低いエネルギーの光(緑色や赤色)を作ることもできる。

逆に言えば、青色LEDがないと、白色光は作れません。

LED照明は、『明るい青色LED』が実用化された事で誕生しました。

○  青色LEDの開発史

LEDの色は、使用する結晶の素材(元素)で決まります。

例えば、「ヒ化ガリウム系」は赤色、「リン化ガリウム」は黄色や緑色となります。

赤崎勇は、リン化ガリウムを使って超小型で発光効率も良い赤色LEDを開発し、警察の無線機などに採用された。

1970年代になると、青色LEDの開発が本格化します。

多くの研究者や企業は「セレン化亜鉛」を本命と見ていたが、赤崎は「窒素ガリウム」に注目した。

窒素ガリウムは、美しい結晶を作りづらいが、ごく稀に良い結晶もできるため、その可能性を信じたのです。

赤崎は青色LED開発のために、1981年の夏に研究室をかまえた。
翌春にその研究室に入ったのが、大学4年生だった天野浩です。

赤碕と天野は、窒素ガリウムの結晶づくりを始めたが、うまく行かない。

だが85年に、500℃という低い温度で「窒素アルミニウム」の薄い層を作って、
それをクッションとして使うことで、良質の結晶を作り出した。

天野は89年には、マグネシウムを混ぜることで、窒素ガリウムのp型半導体を生み出した。

純粋な窒素ガリウムLEDは紫外線を発するが、そこにマグネシウムを加えると青色光も発することを見つけたのです。

(現在の青色LEDでは、マグネシウムではなくインジウムが使われています)

赤崎と天野は、上記の成果を元に、青色LEDを世界で初めて作りました。

1993年になると、中村修二らが開発した青色LEDが、衝撃を与えます。

この青色LEDは、それまでの100倍明るいという画期的なもので、実用化に道を開くものでした。

中村がLEDの原料として選んだのは、赤碕・天野と同じく「窒素ガリウム」です。

彼は、「ツーフローMOCVD法」という独自の方法を考案し、それで高品質の結晶を生み出すことに成功しました。

中村らは、クッション(バッファ層)にも工夫をこらした。

赤崎・天野が使った窒素アルミニウムではなく、窒素ガリウムそのものでバッファ層を作るのに成功しました。

さらに中村らは、『アニール処理をすることで、簡単に窒素ガリウムをp型化できること』を発見しました。

この技術は、青色LEDの量産化に多大な貢献をしました。

窒素ガリウムだけでLEDを作ると、360ナノメートルの紫外線になります。
インジウムのような不純物を混ぜることで、青色光などの幅広い光を生み出せる。

中村らは、インジウムを混ぜることで、格段に明るい青色LEDを作り出しました。

当時の常識では、LEDの結晶で許容される欠陥数は、1平方cmあたり1000個以下と考えられていた。
ところが、中村らが改善した窒素ガリウムでさえ、欠陥は100億個も残されていた。

欠陥が多いのに明るく光ったのは、インジウムの効果だと考えられています。

又、中村らは青色LEDの技術を基にして、『青色のレーザーダイオード(LD)』の商品化にも成功しました。

LDは、レーザー光を取り出す装置です。
青色LDは、ブルーレイディスクに欠かせない技術となっている。

○  青色LEDの実用例

青色LEDは、照明器具の他にも、さまざまな方面で活躍しています。

ブルーレイディスク(BD)は、CD35枚分、DVD5枚分の容量を持っています。
多くの情報を書き込めるのは、波長の短い光をレーザーとして使っているからです。

CDは波長780ナノメートルの光が、DVDは650ナノメートルの光が使われている。

BDは、波長405ナノメートルの青紫色レーザーが使われ、きめ細かく情報を書き込め(あるいは読み出せ)ます。

青紫色レーザーでは、青色LEDに「共振器」を組み合わせて、光を共振器でくり返し反射させることで、波長と位相のそろったレーザー光を取り出している。

青色LEDは、液晶ディスプレイの「バックライト」にも使われ始めています。

バックライトは蛍光灯に似たものを使ってきたが、青色LEDを基にした白色LEDが登場し、長寿命で省エネなバックライトを実現した。

他には、信号機にも使われており、信号がくっきり見えるようになり、省エネにもなった。

海の漁でも、イカやサンマを集める「集魚灯」が、LED照明に替わってきている。

最近は、野菜工場での使用が注目を集めています。
野菜の成長に適した波長の光を当てることで、野菜の成長が早まるからです。

LED照明は熱の発生が少ないので、照明と野菜の距離を短くすることもできる。

医療の分野では、体内を撮影する「カプセル内視鏡」に使われています。

小型であるほど患者の負担が少ないので、小型で省エネのLED照明はうってつけです。

青色LEDの誕生により、世界は『LEDの時代』に突入しました。
LEDの応用は、ますます加速するでしょう。

(2015.5.16.)


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