LEDはどうして光る?LED普及の陰に日本人の研究者あり!~チコちゃんに叱られる!

イルミネーションが輝くこの時期…
見ているとかなりロマンチックな気分になる。

このイルミネーションに限らず、家の照明や信号機、スマホのバックライトも今やその多くはLEDだ。

LEDが増えていく一方でだんだん少なくなっている白熱灯や、蛍光灯。これらが光る仕組みもよくわからないのにLEDの光る理由なんて、考えたこともないのだが…

LEDが光る理由を聞いていたら日本人研究者の功績にたどり着いた…

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12月15日の「チコちゃんに叱られる!」は、この時期に関係ある問題が出ている。4つ目の質問は「LED」についてだ。

チコちゃんが「…この中(岡村隆史・鈴木杏樹・的場浩司)でキラキラ輝いている素敵な大人ってだあれ?」と聞くと「俺!行きます!」と岡村が手を挙げた。

LEDっつうのはどうして光るの?

チコちゃんが岡村にイルミネーションは何が光っているかと聞くと「LED」と答えるが「ところでLEDっつうのはどうして光るの?」と聞かれる。

岡村は「…プラスとマイナスの電極が直列つなぎによる…」と言い出すが電池ではなく仕組みを聞きたいというチコちゃん。岡村は「これ難しい、すごい頭のいい人が考えた」という。

すると的場がチコちゃんを呼び「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?」と言う。

チコちゃんは「近い!言葉にすると簡単」と言い、岡村にまとめて言えと指示する。が、わからない岡村は「謎の発行体!」というとチコちゃんは「…ぼーっと生きてんじゃねーよ!」と言う。

◯チコちゃんの答え
⇒LEDが光るのは電子がパカッと穴にはまるから。

LEDは電子が穴にハマる瞬間に光る

電子の仕組みを研究して40年の教授は、私たちの身の回りにあるLEDが実際どういうものなのかよく見たことがない、という事で最初に一般家庭用のLED電球を分解してスタッフに見せてくれた。

中には小さな4枚の板(1枚の大きさは約1mm×約2mm)があった。四角い部分が光っている、らしい。

どうやって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ッとハマる瞬間に光エネルギーに変わって光るんです。」と教授。教授曰く、LEDを説明するには大学生の抗議4コマ分(6時間)かかるらしい。…なので簡単に説明してくれた。

※電流とは…電気の小さな粒「電子(-)」が流れる事。
※白熱電球とLED電球の光る仕組みは全然違う

白熱電球が光る仕組み

白熱電球のフィラメント(金属線)に電流を流す
・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る。(摩擦熱のようなもの)
・この熱が2500℃以上の高温になると白く光る

LEDが光る仕組み

・LEDの光る部分には、2つの半導体が(2層色違いの台所用スポンジのように)重ね合わさっている。
・一つの半導体の中では電子が、もう片方の半導体には(電子がハマる)穴が自由に動き回っている。
・これに電流を流すと、電子と穴が互いに逆向きに動くようになって、すれ違いざまにパカっとはまる⇒光が生まれる

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公演名:群舞 「アン・ドゥ・LED」

番組では、LEDが光る仕組みを頑張って分かろうとしたディレクターが作ったVTRが流れた。「チコバレエアカデミー」の協力のもと子どもたちのバレエでLEDの光る仕組みを表現してもらった。白の衣装の子を電子、紫の衣装の子を穴として…公演名:群舞 「アン・ドゥ・LED」を踊ってもらった。

(その時の説明を以下にまとめた)

隣り合った半導体があったとする

片方は電子が自由に動き回っている半導体。
もう片方は穴が「自由に動き回っている半導体。

電流が流れていない状態では、電子も穴も隣の半導体へは移動できない。

そこへ電流を流すと…

電流の流れに押されるように電子と穴が中央に向かって動き始める。すると電子と穴が出会い電子が穴にパカっとはまって光に変わり電子自体が消えてなくなる

電子が穴にはまった時に、電子が持っていたエネルギーが全て光エネルギーに変換される…これがLEDが光る仕組み。

電流が流れている間は…
電源から新たに電子と穴が供給され続ける。こうして電子と穴は次々と出会い続けLEDはずーっと光っていられる。
白熱電球…光るために熱を作るので多くのエネルギーを必要とする。
LED…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い。
⇒消費電力は白熱電球のおよそ1/8。白熱電球は、熱によってフィラメントが消耗するがLEDは(それがないので)なんと20倍も長持ちする
結論:電子が穴にはまると光に変身するという性質を上手く利用して効率よく光を作り出す、それがLED。

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急速に普及したのは最近

急速にLEDが普及したのはつい最近のこと。その理由は、私たちの生活の中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からだ。

白い光を生み出すためには、赤・緑・青の3色の光が必要。赤や緑のLEDは今から50年程前には既に発明されていたが残る青だけは作り出せずにいた。

青色発光ダイオード誕生!

どうしたらLEDで青色の色を出せるのか、世界中の研究者が30年もの間、試行錯誤を重ね1993年、遂に青色LEDが誕生した(開発したのは3人の日本人研究者たち)。

こうして3色を混ぜて白い光を作り出せ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

この功績をたたえられた3人は、2014年ノーベル物理学賞を受賞した。

※12月15日 NHK「チコちゃんに叱られる」より 参照・抜粋

まとめ

青色LED(青色発光ダイオード)を開発したのは…赤崎勇(名城大学終身教授)、天野浩(名古屋大学教授)、中村修二(カリフォルニア大学教授)の3人。

このノーベル賞の発表は、記憶にある。

当時、なんとなくすごい事だと聞いていたが具体的に、なぜすごい事だったのか、あまり覚えていなかった。だが、今回「白を出すために必要な青」と聞くと、そういうことかと納得する。

しかも出はじめは高価だったLEDも徐々に値下がりして手に入りやすくなったし、道具としても電力消費量から見てもかなり経済的なため、本当にすごいことなんだと改めて思った。

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