LED電球がなぜ非効率なのかついに解明

LED は、より環境に優しい未来への道を照らすものであるべきです。LED は白熱電球に比べて 75% 少ないエネルギーで 25 倍長持ちし、しかも低温で動作します。しかし現在、LED は主に電子機器に使用されています。LED には、電流値が高くなると、生成される光の量が急激に減少するという、若干の電圧降下の問題があるためです。

効率の低下は長年科学者を困惑させてきたが、カリフォルニア大学サンタバーバラ校とフランスのエコール・ポリテクニークの研究者らは、ついにその謎を解明したと述べている。

近日発行のPhysical Review Letters誌に掲載される彼らの研究は、この低下の原因が、熱を生成する非放射プロセスであるオージェ再結合と呼ばれるプロセスであると特定している。UCSB での以前の研究では、オージェ再結合が原因かもしれないと理論づけられていたが、この研究は、その影響を決定的に測定した最初の研究である。

LED ベースの照明には、窒化ガリウム製の正型半導体と負型半導体を備えたマイクロチップが含まれています。この 2 つの半導体間の量子井戸では、一方の半導体からの負の電子ともう一方の半導体からの電子ホールが結合し、光子が生成されます。より多くの電気を加えると、ある程度まで、より多くの光子が生成されます。

携帯電話のように電力が低い状況では、このプロセスはうまく機能します。しかし、部屋を照らすのに必要なレベルまで電流を上げると、窒化物ベースの LED は同じ速度で光子を生成しなくなります。UCSB のエネルギー効率材料センターの研究によると、これは電子が互いに衝突し、光ではなく熱によってエネルギーを失うためです。

もし、この問題を回避できる LED が作れれば、将来の省エネ電球として、電球型蛍光灯に取って代わることができるだろう。理論上、LED はワット当たり約 300 ルーメンの光を発するはずで、電球型蛍光灯の 3 倍の効率性があり、水銀を含まないため廃棄も容易だ。米国エネルギー省の 2010 年の推定によると、LED 照明を広く導入すれば、今後 20 年間で国は 2,650 億ドルを節約でき、電力需要は 3 分の 1 削減できるという。

しかし、初期費用は高額なので、LED 技術がより高い電流で理論上の効率を実現できるようになるまでは、売り込みは難しい。米国ではすでにエネルギーを大量に消費する白熱電球を段階的に廃止しつつあるが、LED はまだ商業用および住宅用の照明市場を席巻していない。

今のところ、光量低下の解決策は見つかっていないが、問題の原因が判明した今、研究者らは、光量低下の影響を最小限に抑え、より多くの光を生み出す LED を設計し、この技術を家庭やオフィスの照明としてより魅力的な選択肢にしたいと考えている。