LEDが省エネの理由とは?ルーメンとは?青色LEDが誕生した理由

化学
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フクちゃん
フクちゃん

LEDについて学びたいことがある方を対象にしています。

この記事を読み終わると、LEDに関する知識が身に付きます。

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LEDの寿命

まずLEDの寿命について説明します。

LED寿命は、明るさが初期の70%まで、と定義されています。70%の明るさが40000時間(累計で約4年半)継続するように設計されています。

4年半経過すると、すぐに切れて点灯しなくなる、という意味ではなく、70%未満になると、本来の性能が失われてしまうので、寿命と定義されています。

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再利用できます。

寿命が過ぎたLEDは、まったく使えなくなってしまうわけではありません。

明るさが少なくてもよい場所に交換するなど、再利用することが可能です。

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省エネの理由

LEDが省エネであることは、広く知られていると思いますが、その理由をきちんと説明できる人は少ないと思います。

ネットで調べましたが、難しすぎてよくわかりません

2019年現在、正しく書かれている記事がとても少ない状態です。(Wikipediaさえ不十分でした)

そのため、今回はその理由を、詳しく解説していきたいと思います。

LEDの単位

まずLEDの単位に注目してください

LEDの明るさの単位は「ルーメン」ですね。このルーメンに省エネの秘密があります。

白熱電球の単位

これまでの白熱電球の単位はWが使われていました。

このWは電力のことで、白熱電球は電気をたくさん流せば流すほど、明るくなるので、この単位が使われています。

しかし、LEDが登場して、白熱電球とは単純に比較できなくなりました。

その理由は、同じ電力で明るさがまったく異なるからです。

同じ電力の場合、もちろんLEDの方が明るくなります。

簡単に言うと、LEDは少ない電力で明るくなるから省エネなのです。

なぜ明るさが異なるのでしょうか?

それは、人間の目に秘密があります

色によって明るさが異なって見える!

人間の目は色によって、明るさの感度が異なります。

言い換えれば、同じ電力であっても色によって明るさが異なって見える、ということになります。

色は電波の一種

色は電波の一種で、波長の長さによって色味が変化していきます。

覚えなくて良いですが、人間の目で見える波長を可視光線といい、波長は約400-800nmのことをいいます。

nmはナノメートルと読みます。(ミクロンの次に小さい単位のナノです。)

およそ400nmが紫、450nmが青、550nmが緑、600nmが黄色、800nmが赤に該当します。

可視光線 - Wikipedia

人間の目には緑が一番明るく映る

人間の目は、555nmの緑色が一番、人間にとって明るく見えます。

これを比視感度といいます。

比視感度 - Wikipedia

一番明るく見える緑色を1としたときに、ほかの色がどのくらい見えにくいかという比視感度を係数に換算して、実際に人間の目で見えている明るさにできるだけ近い値が計算されているのが光束になります。そして、その単位がルーメンになります。

全光束とは - ひかり豆辞典 - 楽しく学べる知恵袋 | コニカミノルタ

いままでは色味のコントロールが容易ではなかったため、電力が単位になっていましたが、LEDが登場して、色味のコントロールができるようになったので、新しい明るさの単位「ルーメン」が登場した、というわけです。

色をコントロールすることができるので、緑のような、明るく見える色を入れてあげることで、効率の良い、明るい照明が作れるようになりました。

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一般的な照明の色

これまで、一般家庭で使われていた白熱電球は、昼白色や昼光色などの白っぽい色が標準色として使われてきました。

赤や青の照明を使っている家は、なんだか気味が悪くてくつろぐことができませんよね。

そのため、LEDにおいても、同じ色味を作り出す必要がありました。

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LEDでも標準色が作れるようになった

みなさんご存知のノーベル賞を受賞した青色LEDは、現在広く普及されましたので、一般的に販売されているLED照明のチップから発光される光源は青色になります。

チップから発光される色が青色である場合、緑付近の色を足して、白熱電球と同じ色に調整することができます。

実際には、安いものは青+黄色が多く、値段が高くなるにつれて色が増えていき、青+赤+緑が使われています。

なぜ青色LEDが必要なのか?

1962年には赤色LEDは発明されていました。

その後、1972年には黄緑色のLEDが発明されていました。

しかし、どうしても青色LEDを発明する必要があったのです。

その理由は、赤色や黄緑色のLEDでは、一般照明に使われている、昼白色を作り出すことができないためです。

LEDの色味が調整できるようになったのは、ノーベル賞を受賞した青色LEDが誕生したおかげなのです。

青色LEDにしか作れない理由

昼白色は青色LEDにしか作ることができません。

その理由は、下記の3つです。青色の波長が短いことに関係しています。

  1. 波長は短いほど、エネルギーが高い。
  2. エネルギーは、高いほうから、低いほうに変換できる。
  3. 低いほうから高いほうには変換できない。(足りないエネルギーを補う方法がないから。すなわち、熱から光に変換することができない。)

高いほうから低いほうに変換した場合、エネルギーがあまります。その余ったエネルギーが熱に変換されます。

LEDが発熱するのは、この余ったエネルギーが原因となります。

それでも、白熱電球に比べると、発熱が小さいのもLEDの特長です。

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LEDのデメリット

そんな優秀なLEDにもデメリットがあります。

色味が悪くなる

それは、LEDによって照らされた物の色味を変えてしまうことです。

例えば、スーパーで美味しそうに見えていた生の牛肉が家に帰ってから、LED照明で照らされると、くすみがでて、傷んでいるように見えてしまうことがあります。

その理由とは?

これは、LEDの光を効率良く白く変換することによって、使われている色が少ないことが主な原因になります。

生の牛肉の色が見えるのは、照明に含まれている色がはね返っているからなので、もともと照明に使われている色が少ないと、色味が悪く見えてしまうことがあります。

色味を表す指標

LEDには、この現象を表す指標がすでに決められていて、パッケージに記載されています。

Raというのがこれを表す演色性という指標になります。

これは太陽の光を基準(100)として、100~0の値が使われています。

太陽の光は、すべての色がバランスよく含まれているので、基準になっているということです。

演色性 - Wikipedia

場所によって要求される演色性がことなるので、適正なLEDを使うことが重要になります。

家庭においても、先ほど例にあげた、生の牛肉の色味が悪くなると、本当に傷んでいるのかどうかわからなくなるので、特に食事をするキッチンや食卓ではそれなりに演色性が高いLEDが望ましくなります。

寿命が長いので、LEDは寿命までに色味が変化していくこともあるので、注意していく必要があると思います。

演色性とは - ひかり豆辞典 - 楽しく学べる知恵袋 | コニカミノルタ
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まとめ

LEDは省エネなので、家庭の照明もできるだけ早く交換したほうが良いと思います。

しかし、寿命が長いので、交換するときは、慎重に適切なLEDを選択する必要があります。

この記事の内容が理解できれば、適切なLEDを選ぶための知識が身についていると思いますので、さっそく生かしてほしいと思います。

交換前に確認することをまとめた記事も参考にしてください。

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