より快適なLED電球の開発への挑戦

あらゆる兆候から判断すると、LED 電球は家庭照明の未来を告げるものである。 エネルギーを大量に消費する従来の白熱電球に比べ、LED 電球は効率が数倍高く、寿命も数十倍長くなります。

しかし、落とし穴があります。現在の LED ライトは非常に青いのです。そして、あなたやあなたの知り合いがブルーライトをカットするメガネを持っているのには理由があります。科学者たちは、ブルーライトに過度にさらされるとメラトニンが抑制され、体を睡眠に導く概日リズムが乱れると考えています。

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そこで研究者たちは、より人に優しい LED 電球の開発に取り組んでいる。そうした研究グループの 1 つは、ブルーライトの問題を軽減できる化合物の開発に成功した。研究者たちは、3 月にACS Applied Materials and Interfaces 誌に発表されたこの研究によって、彼らが「人間中心」と呼ぶ照明が将来実現する可能性があると考えている。

「人間中心の要素を備えたこの電球の開発にもう少し努力すれば、このような超高価な眼鏡は必要なくなります」と、ヒューストン大学の大学院生で論文の著者の一人であるシュルティ・ハリヤニ氏は言う。

LED (発光ダイオードの略) は、通常、1 色の光を生成します。白色光の全スペクトルを生成するために、LED 電球は蛍光体と呼ばれる化学物質に依存しています。特定の蛍光体が特定の波長の光によって励起されると、別の色の光を放射します。ほとんどの LED 電球は青色発光ダイオードに依存しており、青色光によって活性化され、白色を形成するスペクトルに「変換」する微調整された蛍光体セットを備えています。

しかし、それでもまだ青色は多く残っており、白熱電球を蛍光灯や LED 電球に交換するにつれて、よりエネルギー効率の高い照明を求める私たちの努力により、睡眠を妨げる青色光を発するテレビ、モニター、スマートフォンがすでに溢れている世界に、さらに多くの青色光が投射されることになります。

「白熱電球は、人間中心の照明にすぎないことが判明しました」と、ヒューストン大学の化学者でもう一人の著者であるジャコア・ブルゴック氏は言う。「私たちは、白熱電球をこのように考えたことはなかったのです。」

白熱電球は、殺風景で無機質な LED や蛍光灯に比べて、温かみがあって心地よく見えると思ったことがあるなら、それには十分な理由があります。欠点はあるものの、白熱電球は、フィラメントを加熱して発光させるという、太陽を照らすのと同じ物理法則を利用しており、自然光のスペクトルを非常にうまく再現します。

青色光を減らし、太陽光によりよく合う LED ライトを作るために、2010 年代半ば以降、いくつかの電球では、異なる種類の蛍光体を使って青色のコアを紫色の LED に置き換える実験が行われてきました。これは赤などの暖色を作り出すのには効果的ですが、本当に自然に見える光を作るには、これらの電球はスペクトルの反対側も作り出す必要があります。残念ながら、研究者たちはまだ、紫色を青色に変える効果的な蛍光体を見つけていません。これは、白熱電球から得られるスペクトル全体を紫色の LED 電球でよりよくエミュレートするのに役立つ、欠けているリンクです。

「青色を生成する蛍光体はたくさんあるが、紫色の LED に使えるものは多くない」とブルゴック氏は言う。「ここ数年の研究でいくつか見つけたが、さまざまな条件をすべて満たすものはありませんでした。」

特に、蛍光体は電球内の高温、つまり華氏約 300 度 (摂氏約 150 度) に耐える必要があります。そして、何よりも、効率性が必要です。色を変えるときに LED の光があまりに多く失われると困ります。

紫から青を作り出すために、ハリヤニとブルゴッチは希土類元素のユーロピウムを含む蛍光体に着目した。ハリヤニは、この化合物は可視光線の波長のすぐ外側の紫外線で活性化されると青色を発すると予測した。しかし、テストの結果、この蛍光体は紫に近い、はるかに広い波長帯で励起されることが判明した。

「この蛍光体を励起するために可視光を使うことができますが、これは青色発光材料では非常に珍しいことです」とハリヤニ氏は言います。「それを見た瞬間、これを紫色の LED で使用できることがわかりました。この人間中心のコンポーネントをその用途にターゲットにすることができます。」

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蛍光体は新しい技術ではない。古いブラウン管テレビは 1960 年代から蛍光体を使用していた。多くの蛍光体は長年改良が続けられ、よく理解されている。しかしハリヤニ氏によると、この新しい蛍光体は、研究者が幅広い用途に向けて微調整を始める前から、すでに業界標準の蛍光体と遜色ない性能を備えているという。「本当に興奮しました」と彼女は言う。

この蛍光体の開発者たちは、この蛍光体がいつの日か家庭やオフィスの照明に使われるようになることを期待しているが、将来の見通しについては現実的だ。この物質を研究室で作ることと、それを大規模に生産することは別問題だ。「1グラムから1キログラムにどうやってなるのでしょうか？」とブルゴック氏は言う。「それが大きなハードルです。」

確かに、青色 LED 電球が普及しているのは、大量生産が容易なためです。しかし、これは単に寒色系の白色の青色 LED 電球と暖色系の黄紫色の LED 電球の対決ではありません。日光は一日を通して変化するため、青みがかった白色の電球は午後の概日リズムにそれほど問題はありません。

フィラデルフィア郊外のウエストチェスター大学の物理学者ブランドン・ミッチェル氏は、この論文には関わっていないが、電球はそれを反映するべきだと考えている。「外がまだ明るい日で、午後2時なら、黄色い電球ではなく白い電球がほしいでしょう」と同氏は言う。「そして午後7時なら、白い電球ではなく黄色い電球がほしいでしょう」

色が変わる LED 電球は存在するが、高価であり、普及するまでには長い道のりがある。ミッチェル氏は、このような研究がそうした方向に向かうと考えている。「この論文は理想的な暖色系の LED について取り上げており、優れた白色 LED はすでに存在している」と同氏は言う。