白色発光ダイオード照明の効率

日本化学会が発行している、化学と工業　2007年8月号が送られてきたので、見ていたら、「発光ダイオードによる次世代固体照明の実現」という記事が載っていた。著者は、日亜化学工業の坂東完治さん。たった3ページの総説記事だが、白色LED照明の現在の実力や今後の開発について、とても良くまとまっていて参考になる。

実は、このブログでは、2005年の9月に青色発光ダイオードの進歩とLED照明というエントリを書いたのだが、発光効率とかエネルギー変換効率の他の照明（白熱電球や蛍光灯）との比較に関して、やや混乱したままの状態になっており気になっていたので、最新の状況を整理しておきたい。

まず、白熱電球や蛍光灯などとの効率の比較だが、各種照明の光源効率の推移を示したグラフが載っている。

ここで、光源効率（lm/W）とは、光源の発する光量（全光束：ルーメン、目の視感度を考慮した値）を消費電力（ワット）で除した値とのこと。このグラフを見ると、白熱電球の光源効率が 20 lm/W 程度であるのに対し、蛍光灯が最大で 100 lm/W 程度。白色LEDは年々光源効率が急上昇しているが、2007年現在で 100 lm/W 程度のようだ。なお研究室レベルでは既に 150 lm/W まで来ており、高圧ナトリウムランプを超えて、白色光源の中でも最高レベルを実現しているとのこと。

一方、白色LEDについてのエネルギー変換の内訳も載っており、100 lm/W レベルの白色LED （青色GaN-LED ＋ 黄色YAG蛍光体）の場合、

　入力電力 100%に対し、可視光のエネルギーが 32%、熱損失が 68%
　可視光 32%のうち、青色光が 10%、黄色蛍光が 22%
　熱損失 68%のうち、光ロスが 16%、チップ内ロスが 38%、半導体抵抗等が 14%

とのこと。ちなみに、青色LEDの発光効率（発光再結合）は48%とのことであり、このうち、青色光および黄色光として外部に出なかった分（パッケージ内の吸収、反射、蛍光変換ロス）が光ロス16%に相当する。また、青色LEDで光に変換されなかった52%が、チップ内ロスと半導体ロスの合計に相当する。一方、他の照明と比較してみると、

　白熱電球では入力エネルギーのうち、可視光になるのが約 10%
　蛍光ランプは 入力エネルギーのうち、可視光になるのが約 25%
　白色LEDでは 入力エネルギーのうち、可視光になるのが約 32%

とのこと。従って、白色LEDの場合、エネルギー変換効率としては白熱電球の3倍以上、蛍光ランプの約1.3倍ということになる。つまり、エネルギー効率や光源効率は既に蛍光ランプを超えているのは確かなようで、同じ明るさで照らすなら白色LEDが最も消費電力が小さく、発熱も小さくて効率的ということになる。

なお、LEDは効率は良いものの、一つ一つの出力が小さいという問題があったのだが、現時点では、定格出力が 1～10W 程度の大電力パッケージが作られているほか、LED 1個で 40W 電球並みの 400 lm を超す光束のものまで登場しているとのこと。

他にも、この総説記事では、各種白色光源のスペクトル分布の話や、光の質（演色性など）の改良などについても簡単に触れられている。

現実に、自動車用のヘッドランプにも採用（小糸製作所プレスリリース）されているし、照明用途の現状はこういった状況まで来ているようだ。