LED照明

LED照明（エルイーディーしょうめい、英: LED lamp, LED light bulb）は、発光ダイオード (LED) を使用した照明器具のことである。2017年現在、照明器具の主力光源となっている。
LEDを使用しているため、低消費電力で長寿命といった特徴を持つ。定格範囲内で使用する限り発光素子自身は比較的長寿命であり、熱による劣化が寿命の決定要因となる。
LED照明に求められる白色の発色には青色の光源が必要なため、1990年代に青色LEDが発明されるまでは可視光LEDを使ったLED照明を作ることは現実的ではなかった。ブルーライトを伴った高輝度のLED照明が普及し環境や健康に有害であるため、2016年にはアメリカ医師会が、運転や睡眠、生態系に与える影響を低減するためのガイダンスを作成している。

基本的な発色

LED素子の帯域はレーザーのような線スペクトルほどではないが、既存の光源に比べるとずっと狭く、単一のLEDで白色光を出すことはできない。
ただし、蛍光体により短波長の光を長波長の光に変換することができるので、LED自体は青色のみにして他の色は蛍光によって出すこともできる。いずれも青色LEDが必須であり、青色LEDの発明によって初めてLED照明は現実的となった。
青色LEDと黄色発光体を使ったものが最も普及している。青色LEDと赤色・緑色発光体を使ったものもあり、演色性には優れるが、高価でエネルギー効率に劣る。蛍光の帯域は広く、帯域が広いほうが演色性に優れた良質な照明なので、照明には主に蛍光体が使われる。

有害性

エネルギー効率が良いため、様々な場面で従来の照明から、高輝度のLED照明に置き換えられているが、その明るさや、白色光に見られるブルーライトは環境や健康に有害であるため、2016年にはアメリカ医師会がガイダンスを作成している。青色が豊富な強烈な光は、運転手の視力に影響を与え、安全性を低下させる。夜間に（睡眠を司るホルモン）メラトニンの分泌を抑制し、大規模調査は、住居における夜間の明るい照明は、睡眠時間の減少、睡眠の質の低下、眠気、昼間の機能の低下、また肥満に関連することが判明している。過剰な照明は闇を必要とする鳥、昆虫、亀、魚など他の生物の生態にも影響する。このため、まぶしさの低減とブルーライトの制御が必要である。
蛍光灯やLED照明には近視の進行を防ぐバイオレット光が含まれないため、蛍光灯やLED照明を使用すると生活環境からバイオレット光が欠如してしまう。蛍光灯やLED照明の使用と近視の世界的な増加に関係がある可能性が慶応大学医学部により指摘されている。

高輝度LEDの構造

高輝度LEDの外形形状は、シングルチップの砲弾型と表面実装型（SMD型）、マルチチップの表面実装型と多様な形態に大別できる。LEDは逆電圧に弱いため、逆接ダイオードを備えたり、静電気に対して保護素子を内蔵するものもある。

パッケージへの直接実装

フリップチップ実装によってセラミック製のパッケージに直接実装する方法も採られている。セラミック製のパッケージに直接実装すれば、サブマウントを省くことで工程の簡略化や信頼性の向上になる。このようなものはCOB（Chip on board）と呼ばれ、複数の素子を1つの大きなパッケージに直接実装したモジュールとすることで放熱性が高められる。

蛍光体の充填

蛍光体を使用する白色LEDでは、蛍光体はリフレクタによる作られるくぼみなどに充填される。沈降などで発光素子の近くにだけ蛍光体の分子が濃密に分布しないよう均質に分散している必要があり、充填量もどの製品でも等しく正確な量でなければならない。これらが守られないと、製品は色ムラによる不良となる。

駆動回路

LEDは、極性のある直流によって発光し、適正電圧と耐圧がともに低いため、使用には専用の電源が必要となる。LEDはダイオードであるため、順方向電流と順電圧には相関があり、数ボルト程度の低い耐圧に応じた順電圧が少し上昇するだけで過大な順方向電流が流れて容易に損傷を受ける。これを回避するために、電流制限抵抗や定電流素子（定電流ダイオードや定電流ICなど）をLEDに直列に挿入して、電圧変動による影響を少なくする必要がある。

実用回路

LEDの駆動には電圧変動を少なくするために、定電圧回路による駆動が考慮される。また、順電圧には負の温度特性があり、温度が上がると順電圧が下がるので、温度特性による光量変化が避けたい場合には定電流回路で駆動することも考えられる。
他の照明器具では考慮する必要がないが、LEDは微弱な電流でもそれに相当する弱い光を放つため、消灯時には電源回路からの漏れ電流がLEDに加わらないようにする必要がある。数μA程の微弱な電流でも暗闇では点灯が判別できるので、電源回路の設計には注意が求められる。
それ自身が発熱する電源回路は、熱に弱いLED素子の放熱を阻害しないように離して設置する必要があるが、供給電圧が低い場合にあまり両者を離すと、給電用電線の抵抗で電圧降下を起こしエネルギー損失と共に予定した光度が得られない可能性があるので、注意が求められる。

EMC対策

LED照明の使用中、電源回路からは電源コイルが発する磁力の影響により、ノイズが発生することが多い（回路によっては定電流ダイオード（CRD）を使用し、ノイズが発生しない構成を取るものもある）。そのため電源回路にはノイズが漏洩しないよう、フィルタ回路等で適切な電磁両立性（EMC）対策を施すことが求められる。
2012年7月より、日本国内においてはLED関連器具（LEDランプおよびLED電灯器具）が、電気用品安全法（PSE）の規制対象となり、製品安全試験に加え不要輻射（EMI測定）が必須要求となった。規制前は、主に格安製品を中心に、適切なEMC対策が施されていない物も少なくなかった。
このような製品は、LED照明が点灯している間は常にノイズが発生するため、中にはテレビ・ラジオ等の電波の受信に悪影響が出る場合もあり、街路灯の光源を全てLED電球に交換したところ、テレビの受信障害が発生したため、不要輻射対策品への再交換を行った事例もある。

発熱

LED発光素子は光を除けばおおむね半導体の順方向電圧による電力消費とそれ以外の内部抵抗による電力消費によって発熱する。半導体部分の温度はジャンクション温度と呼ばれ、最も高温となる部位である。ジャンクション温度は以下の温度モデルで表現される。
：ジャンクション温度
：ジャンクションとボードとの温度差
：ボードと環境との温度差
：ジャンクションとボード間の熱抵抗[K・W⁻¹]
：ボードと環境間の熱抵抗[K・W⁻¹]
：環境の温度
：消費電力
LED発光素子のジャンクション温度の上昇が樹脂、蛍光体、はんだ、電極金属、半導体結晶などの劣化要素となるため、ジャンクション温度の抑制が寿命や不良低減に有効となる。ジャンクション温度の抑制には、上式が示す通り、消費電力、熱抵抗、環境温度のそれぞれを下げることが有効である。

低温環境

照明器具では低温環境での使用も考慮されなければならない。低温環境では高温による劣化といった負の効果は避けられるが、水分の浸透による凍結膨張や結露、ショート、水分吸収による部材の化学変化などに配慮する必要がある。

放熱

劣化は高温度によって加速されるため、熱を効率よく逃がして過度な高温状態とならないようにすることが求められる。このため照明用LEDは十分広い面積の放熱板に取り付けられることが推奨され、これが不可能な場合には強制空冷にするか駆動電流を減らして照度を小さくする、さもなくば寿命の短縮を甘受することになる。照明器具として利用する場合に、従来の白熱灯や蛍光灯、HIDランプと同等に施工業者が扱って放熱対策を万全に行わない時には、寿命が極端に短くなる恐れがある。

発光による劣化

従来の赤色LEDでは発光によってもそれほど劣化しなかったエポキシ樹脂も、青や紫外線での発光では光子のエネルギーが大きいために、局部的に黄変することが知られている。照明用途では光劣化を起こしにくいシリコーン樹脂の採用が求められる。

比視感度

照明として使用されるLEDには人間の目にとって都合の良い白色光が使われる。白色LEDの発光原理はいくつかあるが、発光効率や波長に対する強度が異なるので、LED照明の使用目的に合わせて適する種類を選択する。
発光特性で考慮すべきなのは人間が照明として使用する場合、LEDの発光効率を単に物理的な光のエネルギーとして計測するだけでは不十分であり、人間の比視感度まで考慮する必要がある点である。
ヒトの眼は、明るい環境では波長555nmの緑色が最も敏感に明るさを感知し、それより長いか短い波長では感度が徐々に低くなり、赤外線や紫外線では全く見えなくなる。このため照明の発色を設計する際には、ヒトが肉眼で見た場合に自然に感じるようヒトの眼の感度も考慮する必要がある。このことは比較的発光効率の良い長波長の赤色領域では問題とはならないが、発光効率があまり良くない短波長の青色領域でそれだけ多くの電力を消費することになる。

色の性能

照明器具の性能は電力消費や寿命などの他に、発色する光そのものの性能も求められる。照明器具の色の性能は「色度図」、「相対色温度」、「演色性」によって表現される。
これらの性能のうち、色度図と相対色温度は、照明として使用される用途に応じた特性が求められる。演色性は0 - 100の間で大きな数値の方が良い。

色度図

色度図上での外周上の各点は単色光（Monochrome）に近く「飽和している」（Saturation）もしくは「色純度が良い」（Color purity）と呼ばれ、「ドミナントカラー」（Dominant color）とも呼ばれる。外縁部の線上に並ぶ色がそれぞれの主波長であり色純度（色飽和度）が100%になる。色純度（色飽和度）はa/a+bで表現され、LEDの発光はスペクトルに幅が生まれるため、その分だけ内側にずれる。LEDに限らず広いスペクトル幅を持つ光は色純度が低下して中心に近くなる。

演色性

照明の演色性は、白昼の太陽光を最大の100とする指数で表す。色空間座標上での白、黄緑、緑、赤紫など8色の標準光源に対する標準対象物からの反射スペクトルと、検査対象の照明光源からの光による標準対象物からの反射スペクトルとを比較することで、計算式による指数の平均値から一般演色指数（Color Rendering Index, CRI）を導出する。また、平均演色評価数（Ra）という指数もある。
このCRIは白昼の太陽光が最大の100であるため、これより小さくなるにつれてその照明光源からの光の下では色の再現性が劣っていることを表す。
2009年現在は青色発光LEDにYAG系の黄色蛍光体を使用した照明用LED（擬似白色発光ダイオード）が最も一般的であるがこれはRa値が60 - 85である。一部には青色発光LEDに赤色と緑色の蛍光体を使用し、Ra値が90以上の高演色性LEDと呼ばれるものが作られ使用されているが、青色発光LEDと黄色の蛍光体との組み合わせに比べれば発光効率は2 - 3割低下してしまう。蛍光体を使わずにRGB各色それぞれのLEDを使って混色により白色を得る方法では、緑色発光の発光効率がかなり低いだけでなく、3色とも発光色の幅が狭いために演色性もいくつかある方式の中では最低であり、各色の配光パターンも異なり色にムラができるなどの理由で照明にはあまり用いられない。LEDは発光スペクトルが比較的狭いため、演色性を高めるには複数の蛍光体を使いできるだけ発光スペクトルを広げる方が良い。青色発光LEDに赤色と緑色の蛍光体の組み合わせ以上の演色性を求めるには、開発途上の紫外線発光LEDに青・赤・緑の3色の蛍光体を使用するのが良いと考えられる。しかし紫外線発光LEDは発光効率がまだ低く、照明に使用できるまで開発は進んでいない。

市場と産業

1990年代に青色発光ダイオードが開発されて以降は、LEDによる白色光照明の実用可能性が高まり、局所照明を中心に徐々に市販製品が登場している。
野村総合研究所の予測では白色LED照明は世界全体で2012年には2009年の3倍近くの約4782億円相当になるとされる。富士経済では日本国内のLED照明市場は、2008年の全照明市場4494億円の内の約3%分133億円程度から、2012年には全照明市場4880億円の内の約12%分578億円程度になると予測している。
白熱電球は世界的にも環境対策や省エネルギー政策の観点から使用中止が求められる傾向があり、日本国内では環境省と経済産業省が2012年までに白熱電球の販売自粛を要請しており、大手メーカーも積極的な販売を控えているため、代替が出来ない製品を除いて、生産を縮小した。
大韓民国では「15/30プロジェクト」という2015年までに全照明の30%をLED照明に切り替える計画を進めている。中華人民共和国では「10都市街灯普及プロジェクト」によって国内21都市でLED街灯を試験的に設置する。中華民国政府は、2008年間からの4年間で総額20億台湾元をLED関連の研究開発支援に投資する。
中華民国と同様に、中国、米国もLED照明の開発に政府が多額の資金援助を行っている。日本でも、国内立地の推進事業等を通して、LED（他にはリチウムイオン電池・太陽光発電等）の事業・工場の立地が進んだ。
照明器具産業は、製品技術や市場変化の点で長い間大きな変化がなく、白熱電球や蛍光灯管という光源を作る幾つかのメーカーとそれを取り付ける器具メーカーがあり、両方行う総合照明メーカーも含めて棲み分けを行い成熟した市場で安定的な関係を構築してきた。特に光源メーカーとして新規参入する機会は乏しかったが、LED照明の登場で産業構造に変化の兆しがある。半導体を使用したLEDの光源は、半導体産業からの光源メーカーの参入機会を作りだす。新規参入と古参のいずれのメーカーでも、小型で調光が比較的容易なLED照明ならではの製品を市場に提案しており、電球の置き換え市場だけを狙っている訳ではない。
また、今後は白熱電球だけでなく直管型蛍光灯の置き換えも視野に入っている。新規参入企業の多くが白熱電球型ではなく直管型蛍光灯の代替用途での製品開発と販売を進めている。直管型LED照明は器具の全てがLED照明専用であるものから、既設の直管型蛍光灯器具から安定器やインバータ部を取り外して配線をつなぐもの、既設の直管型蛍光灯器具から安定器やインバータ部を取り外さずにそのまま取り付けるもの、の3通りがある。ただし、既設器具から安定器等を撤去する行為は器具メーカーの保証を受けられなくなるほか、再度蛍光管に切り替える際に安定器を再設置する必要があるなどリスクが大きい。また、安定器を残置できるタイプのものは直管型LED照明に搭載する部品が増えるため、後述の問題を増大させる。
なお、蛍光管が全方位に光を放射するのに対し、直管型LED照明はLEDの特性上一方向にしか光を放射しないため、指定された形の蛍光管を取りつけることしか想定していない既存の蛍光灯器具でこういった直管型LED照明を用いるのは光の性質上適していない。また、直管型LED照明は蛍光管に比べてかなりの重量増となり、ソケットなど蛍光灯用器具部品が損傷したり直管型LED照明がソケットから落下する危険性も高い。また、経年劣化が進んだソケットや安定器を残置する場合は、いくら長寿命の直管型LED照明を取り付けたとしても、その前にソケットや安定器の寿命を迎えて不点となる。そのため、東芝ライテック、パナソニック電工など日本国内の有力照明器具メーカーは下記のJEL 801が制定されるまでは器具とLEDユニットを一体化した直管型蛍光灯用器具の代替たるLED照明のみを販売していた。
2010年10月、日本電球工業会は新たな規格として、「L形口金付直管形LEDランプシステム（JEL801）」を制定した。これは既存の蛍光灯器具で直管形LED照明を用いることの危険性を電球工業会が問題視し、また経済産業省から電球工業会に対して直管形LEDランプシステムの標準化の音頭取りをするように指導があったためである。そして、東芝ライテックとパナソニック_ライティング社・パナソニック電工などはこの規格に適合するL形口金付直管形LEDランプシステムの製品の開発・発売を発表している。また、この規格の制定により、日本国内ではG13口金を用いる直管形LEDランプは規格外品という扱いとなったほか、2011年2月に改定されたグリーン購入法における環境物品等の調達の推進に関する基本方針においても、G13口金を用いたなど既存の蛍光灯と構造的に互換性を有する直管形LEDは、当面の間、グリーン購入におけるLED照明から除外されることとなった。
LED照明は長い製品寿命を持つため、1度顧客が購入すれば24時間点灯し続けても4年以上も交換する必要がない。このため従来の白熱電球や直管蛍光灯のような交換需要は小さく、各メーカーでは最初の販売機会を逃さないように注力し始めている。
2014年3月には業界の先陣を切って（照明器具国内シェアトップの）パナソニックが「白熱電球及び蛍光灯を用いる一般住宅向け従来型照明器具の生産を2015年度を以て終了し、今後はLEDへ完全移行する」旨を公式発表した（蛍光ランプ・電球型蛍光ランプ・一部白熱灯は交換用途に絞って生産を継続。2014年3月4日付の朝日新聞・日本経済新聞経済面記事にて報道。なお卓上型の電球及び蛍光灯器具と乾電池や充電式電池で駆動する蛍光灯アウトドアランタンは2011年限りで生産を終え、LEDへの移行完了）。こうした「脱蛍光灯」の動きは今後国内他社にも広がる可能性がある。なお白熱電球の生産は（一部特殊用途を除き）2012年度を以て国内メーカー全社が完全終了した。

裏面からの放熱

従来から半導体素子は金属系の基板に搭載することで放熱性の向上が図られているが、0.2mm厚ほどの絶縁性樹脂製の板に柱状の銅を埋め込む（Cuバンプ）ことで裏面への放熱性を向上させる手法が開発されている。他にもセラミック製基板として、AlN板にAgペーストで配線を印刷したものもあるがコスト高となる。リードフレームに銅を採用したセラミックパッケージも開発が進められている。

m面-GaN素子

半導体中の結晶構造の歪みに起因する「ピエゾ電界」によって発光効率が低下するため、これを避けられるm面を使ったGaN素子の開発が進められている。サファイヤ基板に代わってGaN結晶をm面に沿って切り出した基板上にGaN層を結晶成長させて素子が形成される。今は量産性が低く、2015年頃の量産を目標に開発が進められている。m面-GaN素子では半導体素子単体での発光効率も200 - 300lm/Wが可能だとされる。

電気工事士法

経済産業省が管轄する電気工事士法によって、電気工事作業に従事する者の資格と義務を定め、電気工事による災害発生の防止に寄与するための法律である。

日本産業規格

日本産業規格（JIS）は鉱工業製品等に関する日本国での規格である。色に関する規格、電球・放電管・材料に関する規格、照明器具に関する規格、配線材料に関する規格など、多くの規格が含まれている。2005年からは指定商品制度が廃止されて従来は規格対象外の為にJISマークが付けられなかった製品にも、規格に合っていれば新JISマークが表示できるようになった。

建築基準法

国土交通省が管轄する建築基準法によって、建築物の敷地、構造、設備、用途に関する最低限の基準を定めている。この中には電気設備に関する基準も含まれ、非常用照明設備に関する設置基準やその明るさなどが定められている。なお、2013年6月現在の建築基準法施行令においては、非常用照明設備でLED照明を用いることは認められていないが、各メーカーより常時はLED照明を用い、非常時には施行令で認められている白熱・ハロゲン電球や蛍光灯を用いる非常用照明器具が発売されていたが、2015年からは建築基準法に基づく国土交通大臣認定を取得したLED照明を用いた非常用照明器具を発売し、蓄電池搭載型の機種では従来光源を用いたタイプを終売させている。

消防法

誘導灯や誘導標識などを決めているのは、基本となる消防法の元に細部が消防法施行令や消防法施行規則によって規定されており、地方自治体によって違いがある場合がある。

JIS規格（2012年6月現在）

LED電球他のLED照明器具の登場が先行していたが、JIS規格の整備が追いつきつつある。JIS規格は、LED照明器具全体もしくはその主要部品（LEDモジュールや制御装置等）を対象に制定され、JIS規格の内容は、安全性の規定・性能水準の規定・互換性（口金等）の規定、に大別される。更に、照明器具の配光測定方法を定めたJIS C8105-5はLED照明器具を含めて改訂されている。2012年6月現在の最新JISはC8157（2011年12月制定） - 一般照明用電球型LEDランプ（電源電圧50V超） - 性能要求事項であるが、今後も新規制定あるいは既存JISの改補が行われる予定である。