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LEDとはなぜ光る?寿命?白熱電球としくみ?チコちゃんに叱られる!

      2018/12/17

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今は、光の時代だと思います。

光を使って通信や農業、医療と幅広く、いろいろ恩恵を受けています。

LEDが登場したことで、それまでよりも一層明るく、それなのに電気代は安くとうれしいことばかりですけれど、何が違うのでしょう?

LEDとはなぜ光?

岡村さん

プラスとマイナスの電極が直列つなぎで

チコちゃん「電池になっちゃったわよ」

的場浩司さん

発光ダイオードとか関係ない?そこに電気がピャー行くことで、ピカッと光るんじゃないの?

チコちゃん「うわぁ~近いのよ。言葉にすると簡単なの!岡村」

岡村さん

なぞの発光体

チコちゃん「なぞのX、ボーっと生きてんじゃねーよ!」

クリスマスになると見られるイルミネーションや、信号機、スマートフォンと、その多くはLEDです。

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LEDとはなぜ光?


電子がパカっと穴にはまるから

そうすると光りまんねん。

詳しく教えてくださるのは、電子の仕組みを研究して40年、早稲田大学先進理工学部の牧本俊樹教授です。

私たちの身の回りにあるLEDですが、実際にはどういうものか見たことありますか?

一般家庭用のLED電球

一般家庭用のLED電球を分解してみると、四角い約1mm×約2mmの小さいものがLED照明の実際に光っている部分です。

この小さな4枚の板で、部屋が明るくなるのです。

どうやって、この小さな四角いものが光を生み出しているのか?

LEDは、電流が流れると、電子が穴にパカっとはまる瞬間に光エネルギーに変わって光るんです。

LEDの説明には、専門に勉強している大学生の講義の4コマ=6時間が必要です。

今回は、簡単に説明をしてもらいます。

まず電流は、どういうものでしょうか?

電流とは、電気の小さなツブで、電子のマイナスが流れることです。

これは基本の「き」です。

白熱電球とLED電球の光しくみ電球交換

今、東京都では省エネ推進のために、白熱電球をLED電球に電気店で無料で交換をしてくれるキャンペーンを行っています。

平成31年3月31日まで、予算がなくなり次第、終了です。

というのも、白熱電球とLED電球の光しくみは全然違うのです。

白熱電球のしくみ

白熱電球のフィラメントに電球を流すと、フィラメントの原子の間を、電子が無理やり通ろうとするので、原子が振動し、熱が生まれます。

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いわば、摩擦熱のようなモノ。

この熱がおよそ2500℃以上の高温になると、白く光るようになります。

これが白熱電球が光る仕組みです。

LED電球のしくみ

食器洗い用のスポンジで説明していただきました。

あの薄いLEDの中には、2つの半導体が重ね合わさっています。

1つの半導体の中には電子が、もう片方の半導体には電子がはまる穴が自由に動き回っています。

これに電流を流すと、電子と穴が決まった方向へ動き出し、すれ違いざまにパカっとはまり光が生まれます。

これがLEDが光しくみです。

電流が流れていない時は、電子も穴も隣の半導体へ移動できない。

そこへ電流を流すと、電流に押されるように、電子と穴が中央に向かって動き、電子と穴が出会い、電子が穴にパカっとはまって光、電子自体が消えてなくなります。

電子が穴にはまるとき、電子のエネルギーがすべて光エネルギーに変換されるのです。

これがLEDが光仕組みになります。

電流が流れている間は、電源から、あらたな電子と穴が供給され続けます。

こうして電子と穴は、次々と出会い続け、LEDはずっと光っていられるのです。

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LEDの寿命?

光るために熱を作る、白熱電球は、多くのエネルギーを必要としますが、LEDは、電子が持っているエネルギーを全て光に変えるため、効率が良く、消費電力は白熱電球のおよそ1/8です。

さらに白熱電球とは違い、熱によってフィラメントが消耗することがないので、LEDは、なんと約20倍も長持ちなのです。

電子が穴にはまると光に変身するという性質をうまく生かして、効率よく光を作り出すのがLEDなのです。

LEDが普及したのは最近ですが、どうして?

わたしたちの生活のなかで、一番使う白い光が、1990年代に入って、LEDで作れるようになったんです。

白い光を生み出すためには、光の三原色である、赤と緑と青が必要なのです。

赤い色や緑色のLEDは、今から50年ほど前には、すでに発明されていました。

残りの青色のLEDだけは、作りだせずにいました。

どうすればLEDで青色の光が出せるのか?

全世界の研究者たちが、30年もの間、試行錯誤を重ね、1993年、ついに実用化できる青色LEDが誕生しました。

生み出したのは、名城大学終身教授の赤崎勇さん、名古屋大学教授の天野浩さん、カリフォルニア大学教授の中村修二さんです。

こうして、赤、青、緑の三色を混ぜて白い光を作れるようになったことで、一般家庭へのLEDの普及が飛躍的に進んだのです。

功績をたたえられた三人は、ノーベル物理学賞を受賞します。

青色LEDが発明されたからこそ、寒い冬の夜も、私たちの心を温めてくれるのです。

まとめ

昔、漫画家の里中満智子先生の「ミスターレディー」という作品で、「青色のバラができることは画期的だ」そんな話がありましたけれど、光の世界にしても、青色を再現するのは、どうして難しいのでしょうね?

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