LED 発電の研究
２年Ｃ組 竹岡 建介
指導教員 米田 隆恒

１．研究の概要
私は昨年の研究において、発光ダイオード(以下 LED という)の仕組みを調べ、LED を使った発電に関する実験をした。その過程で生じた様々な疑問を解決するために、「LED 発電」の再実験と、「LED 発電」とは逆の発想に立った「LED の臨界電圧と波長」についても調べた。 その結果、臨界電圧と波長の間に明確な関係があることがわかったので紹介する。
キーワード 発光ダイオード、LED、光の波長、発電、臨界電圧

２．研究の背景と目的
研究の目的は、最近家庭でも普及しつつ３．LED 発電の研究

ある LED の仕組みを研究し、LED につ（１）仮説１

いての理解を深めることである。

＜仮説１＞

私は昨年から LED 発電について研究しLED の光を他の LED に当てたときにてきた。LED は電圧を加えると特定の色発電する発電量は、同じ色かその色に近いの光を出す装置である。ところが、LED色ほど発電量が多い。に光を当てると LED が太陽電池と同様に発電をするということを授業で学習した。
そこで、この現象を「LED 発電」とよび、この現象をくわしく調べようと思った。

（２） 仮説１の検証実験
発電量として今回は発電した電圧を測定することにする。

たとえば赤色の LED の光を、緑色を出LED での発電電圧を測定するために、すことのできる LED に当てたとき、緑色

図１のような装置を準備した。図１のようの LED は何 V の電圧を発電できるかといに、LED1 を 3 V の電圧で点灯させ、そのうものである。しかし、昨年の段階では、光を LED2 に当て、LED2 の発電電圧を測定結果を説明することができなかった。

デジタルテスターで計測する。LED1 と今年の研究では、昨年の実験を再度行い、LED2 の距離は 2 mm とした。

測定精度の向上を目指した。また、先行研
3V

究[1]を参考にして、昨年の実験とは逆の発想で、各色(赤・青・緑・黄・橙・白)のLED1LED を点灯するのに必要な最低電圧(以LED2下「臨界電圧」という)と、LED の出す光の波長を計測し、臨界電圧と波長の関係性を研究した。

デジタルテスター
図１ 実験装置

４．LED の臨界電圧の測定１（１）実験装置と実験結果
先の実験において、LED に光を当てると発電する。しかし、その実験結果が何を意味するかわからなかった。そこで、LED発電とは逆の発想で、LED にかける電圧を少しずつ大きくしていったとき、光を出し始める電圧(臨界電圧)を測定すること
図２ 発電電圧の測定装置にした。図３が回路図、図４が測定結果である。

（３）測定結果と考察
上記の方法で測定した結果を表１に示す。表１より、赤色同士・黄色同士などの発電結果は仮説１の通り、同じ色の組み合わせのとき発電電圧が最も大きかった。しかし、橙色同士や緑色同士などの結果は、異なる色の組み合わせに比べて発電電圧が大きいとは言えず、仮説１が正しいとは図３ 臨界電圧測定の回路図判断できない。以上の結果から、「同じ色同士の発電電圧は大きくなる」ということを証明することはできなかった。
この実験から、「黄色 LED を点灯、赤色 LED で発電」の組み合わせが２番目に発電電圧が高いということがわかる。なぜこのような結果が出たのかが、今回の実験から生じた課題である。

図４ 臨界電圧の測定結果[V]

表１ 発電結果（２） 仮説２

発電側LED[V]
光源
赤側
L 黄
E 橙D
緑
[青]

V

図４の結果、ULTRAVIOLET(紫外線）赤1.538

黄1.337

橙0.487

緑0.177

青0.57

白0.093

1.542

1.576

0.101

0.101

0.216

0.165

1.363

1.336

0.125

0.125××

1.025

1.293

0.032

0.032×1.438

1.492×1.215×
0.4～
1.3

表中の×は、数値が不安定であった

×を出す LED の臨界電圧が一番高く、赤色を出す RED(赤色)の臨界電圧が一番低いということがわかる。
昨年の実験の際、LED の光を分光したことがあり、そのとき、光の波長に広がりがある、つまり、スペクトルに広がりがあるとわかった。そこで、このスペクトルの広がりが臨界電圧と何らかの関係があると考えてみた。
例えば青色の LED の場合、図５のように、緑色から紫色の手前の青色までの色が（３）仮説２の検証実験
仮説２を検証するために、LED の発光色の波長を図７のスペクトルビジョンで測定した。

含まれており、さまざまな色を出す必要があるので臨界電圧が高いのではないだろうかと考えられる。このように、さまざまな色を含む光を出 す LED を「混合色LED」ということにする。一方、赤色 LEDは、図６のようにスペクトルの幅が狭いので、臨界電圧が低いと予想できる。そこで、次のように仮説２を立てることにする。
図７ スペクトルビジョンによる
波長測定

＜仮説２＞
青色 LED のように混合色 LED(スペクトル幅が広い)の臨界電圧は高く、赤色

緑色 LED は、スペクトル幅が広く、混LED のように単色 LED(スペクトル幅が合色であり、図４のデータから臨界電圧は狭い）の臨界電圧は低い。

高いので、仮説２に反しない。一方、黄色LED は図８のようにスペクトル幅が赤色から緑色まで広がっている混合色であるにもかかわらず、図４のデータから臨界電圧は低い。したがって、黄色 LED は仮説２に反する。
以上より、仮設２は正しいとはいえないことがわかった。

図５ 青色 LED のスペクトル

図６ 赤色 LED のスペクトル

図 8 黄色のスペクトル５．LED の臨界電圧の測定２（１）回折格子による光の波長の測定
スペクトルビジョンでは、波長をうまく（２） 実験結果と考察
測定結果とそのグラフを表２および図11 に示す。

測定できなかった。そこで、先行研究[2]

実験結果から、臨界電圧はスペクトル幅を参考にして、回折格子を用いて LED のとは無関係であるということがわかる。し波長を測定し、臨界電圧と波長の関係をくたがって、仮説２は間違いであることがわわしく調べようと考えた。

かった。青色 LED や緑色 LED などの混

図９は、青色 LED を点灯させ、スリッ

合色 LED の臨界電圧は高く、赤色 LED

トで光をしぼり、回折格子を通過させ、スなどの単色 LED は電圧が低いという仮説

クリーン上の光の位置を測定しているとは間違いであった。

ころである。回折格子は 1 mm に 500 本の溝のあるものを使った。位置の測定から、

表２ 回折格子による LED の波長を計算する方法は難しいので、顧問の発光波長の測定

米田先生に教えていただいた公式を用いLED のて Excel で計算した。図 10 は計算の元に色なる図である。

赤1.37702.0

黄1.45551.5

橙1.55587.5

緑2.12504.5

青2.15456.0

紫外線2.50417.5臨界電圧[V] 中心波長[nm]ＬＥＤの臨界電圧と波長

図９ 青色 LED の波長測定

1000
800
波長[nm]

スクリーン

600
400200

θ00

回折格子
スリットLED
図 10 波長測定の図0.511.52
臨界電圧[V]2.53

図 11 黄色のスペクトル(グラフ中の縦の線は、波長の幅を示す)

（３）臨界電圧に関する結論
回折格子による実験からいえる結論は、臨界電圧は光の波長と密接に関係するということである。つまり、波長が短い LEDほど臨界電圧は高く、波長が長い LED ほど臨界電圧は低くなる。
しかも、図 11 のグラフから、波長が短い紫色に近づくほど臨界電圧は規則的に図 12 黄色のスペクトル高くなっていることがわかった。

７.まとめと今後の展開
６．LED 発電の疑問についての考察

今回の研究から、LED の光のスペクト

３.（３）で述べた LED 発電に関する疑ルには幅があるということ、LED の色と問を解く鍵は、思わぬことに今回の波長測臨界電圧の間には美しい関係があるとい定実験にあった。３.(３)の実験では、「黄うことなどがわかった。

色 LED を点灯、赤色 LED で発電」の組

また、今回の研究では、立てた仮説と実み合わせが２番目に発電電圧が高かった。

験結果が異なる結果になってしまい残念

これは次のようにして説明できる。

だが、今回の実験で新たな疑問や課題がたくさん生まれた。今後そのような疑問や課（１） 仮説３

題を解決するために継続して実験をやっ＜仮説３＞ていきたい。たとえば、発電については、

黄色 LED の光の中に赤色の波長が入っ光の強さを変えて発電電圧を調べる必要ていて、これが赤色 LED を発電させる。

がある。

（２） 仮説３の検証

８．参考文献実際に、スペクトルビジョンで黄色を分[1] 「LED についての研究」、羽鹿諒、武光してみた結果(図 12)は、仮説３と一致し田優生、奈良女子大学附属中等教育学ていることがわかった。つまり、黄色 LED

校 2007 年度 SSH サイエンス研究会の光を赤色の LED にあてたとき、黄色研究論文集

LED 光の中の赤色の光が赤色 LED をつよく発電させたと考えられる。

[2] 「レーザーの波長の変化と温度の相関性」、古川雄規、小山諒子、山本奈都

しかし、図 12 では緑色が含まれるのに、美、大橋美紗希、中井美嘉、奈良女子

表１の結果では、緑色 LED の発電電圧が大 学 附 属 中 等 教 育 学 校 2009 年 度

低いのはなぜかという疑問が残る。

SSH サイエンス研究会研究論文集)

９．謝辞
この研究にあたり、ご指導くださったサイエンス研究会顧問の米田隆恒先生にこの場をお借りして深くお礼申し上げます。