アイロンビーズでライトキューブを作ろう

今回は小学生の夏休みの自由研究にぴったりの、お家でできるLEDとアイロンビーズを使ったライトキューブをご紹介します！CR2032ボタン電池を挟めばピカッと光ってとても可愛いです。むずかしいプログラミングは不要！この記事を読めば、誰でも簡単に光るキューブが作れますよ。

LEDってすごい！安全に工作できるヒミツ

今回の主役は「LED」です！みなさんも一度は聞いたことがありますよね？LEDは、電気を光に変えるのがとっても上手な電子部品なんです 。

昔ながらの豆電球は、電気を流してフィラメントを高温にする仕組みで光ります。

一方で、LEDは半導体の中で電気エネルギーが直接光に変わる仕組みです。

そのため、LEDにはこんなすごい特長があります。

1. 熱くならない：電気を直接光に変えるので、ほとんど熱を持ちません。
2. 省エネで明るい：少ない電力でパワフルに光ります。

だからボタン電池だけで光るし、アイロンビーズのキューブに差し込んでも安全なんですね！LEDの特徴は理解できましたか？もう少しだけ踏み込んで、LEDについて学びましょう！

一方通行の道

豆電球に乾電池をつなぐとき、プラス (+) とマイナス (-) の向きをあまり気にしなくても光りますよね。電気はどちらの向きに流れても、豆電球の中のフィラメントを通って光ることができるからです 。

しかし、LEDはちょっと違います。LEDは、電気が通れる向きが決まっている、まるで一方通行の道のようなものなんです 。公園のすべり台を想像してみてください。すべり台は上から下にしかすべれませんよね。LEDの中の電気も、決まった方向にしか進めないのです。

この電気の通り道を示すために、LEDにはプラス (+) とマイナス (-) の目印がついています。砲弾型のLEDをよく見てみると、2本の足の長さが違うことに気づくはずです。この足の長い方がプラス (+) で「アノード」と呼び、短い方がマイナス (-) で「カソード」と呼ばれます。電池につなぐときは、この向きを正しく合わせないと、電気が流れず光ることができません。さらに、LEDの透明な樹脂の中をよーくのぞいてみると、足の短いマイナス側の電極（電気の通り道）のほうが、お皿のように大きくなっているのが見えることがあります。これも、プラスとマイナスを見分けるヒントになります。

電子のすべり台で光が生まれる！

では、なぜLEDは電気を直接光に変えられるのでしょうか？そのカギをにぎるのが「半導体」という物質です。

半導体は、ふだんはあまり電気を通さないけれど、ある一定以上の電圧（電気を流そうとする力）をかけると、急に電気を通すようになる不思議な性質を持っています。

LEDの中には、性質の違う2種類の半導体がくっついています。ここにプラスとマイナスを正しくつないで電気を流すと、電気の小さな粒である「電子」が、プラス側からマイナス側へと勢いよく移動します。この様子は、まるで電子がエネルギーのすべり台をすべり降りるかのようです。

すべり台をすべり降りるときに「わーっ！」と声が出るように、電子もエネルギーの高い場所から低い場所へ落ち込むときに、持っていた余分なエネルギーを水飛沫のように「光」として放出するのです 。電気のエネルギーが熱にならず、直接光のエネルギーに変わるのが、LEDが熱くならずに、少ない電力で明るく光るヒミツです。

ノーベル賞をとった日本の大発明

今では当たり前のように使われている白色のLEDライトですが、実は、その誕生には日本の科学者たちによる世紀の大発明がありました。

長い間、科学者たちは赤色や緑色のLEDを作ることはできましたが、明るい青色のLEDを作るのは「不可能」とまで言われていました 。光の三原色（赤・緑・青）がそろわないと、白色の光は作れません。青色LEDは、まさに最後の、そして最も難しいピースだったのです。

この難題に挑み、1990年代初頭に世界で初めて高輝度の青色LEDを発明したのが、日本の科学者、赤﨑勇氏、天野浩氏、そして中村修二氏です 。彼らの発明によって、ようやく白色LEDが生まれました。この白色LEDは、従来の電球に比べてはるかに少ない電力で明るく光り（白熱電球が電気の約4%しか光に変えられないのに対し、LEDは50%以上を光に変えます ）、寿命も何十倍も長い（白熱電球が約1000時間なのに対し、LEDは約40000時間以上も持ちます ）という、まさに夢のような照明でした。

この発明は、世界中のエネルギー消費を劇的に減らし、私たちの暮らしを豊かにした功績が認められ、3人の科学者は2014年にノーベル物理学賞を受賞しました 。みなさんが今から手に取る小さなLEDも、そんなすごい発明の結晶なのです。

ステップ1: ライトキューブを作ろう！

LEDのすごさがわかったところで、いよいよライトキューブ作りに挑戦です！ここでは、接着剤を使わずに、パズルのようにパーツをはめ込んで作る方法を紹介します。

材料と道具をそろえよう

PCN渋谷では、メルカリにてキット販売しているので、そちらから購入することをおすすめします！自分で作りたい場合は以下の材料を揃えます。

・5mm LED

・アイロンビーズ、アイロンシート、プレート

・「CR2032」という型番のボタン電池

立方体をデザインする

今回のキューブは、のりや接着剤を使わずに組み立てます。そのヒミツは「はめ込み式」の設計にあります。キューブの各面のフチを、写真のようにギザギザのパズルのピースのように作ります。このギザギザが、隣の面の穴（「スロット」）にカチッとはまることで、頑丈な箱になります。下のリンクから、ライトキューブの設計図（図案）をダウンロードして印刷できます。プレートの下に敷いて、その通りにビーズを並べてみましょう。

ライトキューブを作ろう.pdf

アイロンがけをする

アイロンがけは、この工作で一番大事な工程です。特に、立体作品を成功させるには、コツがあります。

1. アイロンの温度を「中温」（約140℃～160℃）に設定し、スチームは必ず切ります。
2. ビーズを並べたプレートの上に、アイロンシートをそっと置きます。
3. シートの上から、アイロンを軽く押し当て、円を描くようにゆっくりと動かし、全体に均等に熱を加えます 。強く押し付けすぎないのがコツです。

平面の作品を作るときはビーズの穴がふさがるくらいしっかり溶かすこともありますが、はめ込み式の立体作品では、ビーズの穴を完全につぶしてはいけません。

もしビーズを溶かしすぎて平べったくしてしまうと、はめ込み用の「ツメ」が太くなりすぎて、相手のパーツの穴に入らなくなってしまいます。ビーズ同士がくっつき、かつ、中心の穴がちゃんと残っている状態がベストです。

• 良い例（Good!）: ビーズ同士はしっかりくっついているが、中心の穴は残っている。
• 悪い例（Bad!）: ビーズが溶けて穴がふさがり、平べったくなっている。これでは組み立てられません。

片面にアイロンをかけたら、プレートからゆっくりはがし、アイロンシートで挟んでもう片面にも同じようにアイロンをかけます。

アイロンをかけ終わったばかりのパーツは、熱で反り返ってしまうことがあります。これを防ぐため、アイロンがけが終わったら、すぐにアイロンシートをつけたままの状態で、分厚くて重い本などの下敷きにして冷まします。こうすることで、パーツがまっすぐ平らになり、きれいに組み立てることができます。

立体の組み立て

6枚のパーツがすべて完成したら、いよいよ組み立てです。パキッと折れてしまわないように、やさしく、慎重に作業しましょう 。

1. パーツ番号3を底にします。
2. その周りに、パーツ番号1のツメをはめ込んでいきます 。
3. 箱の形になったら、最後パーツ番号2を上からはめ込みます。

のりを使わなくてもしっかりとしたキューブが完成です！

LEDを光らせる

いよいよクライマックス！キューブに光を灯します。ここで、最初にお話ししたLEDの「一方通行」のルールが重要になります。

1. CR2032ボタン電池の、文字や (+) が書いてある面がプラス極です。
2. LEDの長い足 (+) を電池のプラス面に、短い足 (-) を電池の反対側の面に接触させます。
3. 正しい向きで接触させると、LEDがピカッと光ります！

もし光らない場合は、電池の向きが逆か、足がうまく接触していない可能性があります。もう一度確認してみましょう。

光ったLEDを、組み立てたキューブの中に入れます。アイロンビーズの穴から漏れる光が、とてもきれいに見えます。LEDは熱くならないので、プラスチックのアイロンビーズの中に入れても安心ですね。

オリジナル「LEDライトキューブ」の完成です！

ステップ2: 自由研究レポートのまとめ方

このライトキューブ作りは、ただの工作ではありません。科学の発見と工夫がいっぱいつまった、立派な自由研究になります。ここでは、学校に提出できるような、レポートのまとめ方を紹介します。

研究のテーマと構成を考えよう

自由研究のレポートには、書くべき項目があります。下のテンプレートを参考にして、自分の研究を整理してみましょう 。

1. 研究のタイトル
   • 例：「ピカッと光る！LEDライトキューブの製作とLEDのひみつ探検」
   • ポイント：どんな研究かひと目でわかり、面白そうなタイトルを考えよう。
2. 研究のきっかけ
   • 例：「この記事を読んで、小さな電池1個でLEDが光る仕組みや、アイロンビーズで立体が作れる方法に興味を持ったからです」
   • ポイント：なぜこの研究をしようと思ったのか、正直な気持ちを書こう。
3. 研究の目的と予想
   • 目的：LEDが光る仕組みを学び、はめ込み式のライトキューブを設計図通りに作ります。
   • 予想：「LEDの足の長さを電池のプラス・マイナスに正しく合わせれば、光ると思う」「アイロンでビーズを溶かしすぎなければ、接着剤なしで組み立てられるはずだ」
   • ポイント：「こうなるんじゃないかな？」という自分なりの予想を立てることが、科学の第一歩です。
4. 方法・道具
   • 「ステップ1」で使った材料と道具をリストアップします。
   • 作った手順を、写真やイラストをたくさん使って説明します 。自分が作業している写真を撮ってもらうと、より良いレポートになります。
5. 結果
   • 例：「設計図通りに6枚のパーツを作り、アイロンがけをして組み立てたところ、無事にキューブが完成した」「LEDをCR2032ボタン電池につなぐと、予想通り明るく光った」
   • ポイント：起こった事実だけを、正確に書きます。
6. わかったこと・考察
   • 例：「LEDにはプラスとマイナスの極性があり、一方向にしか電気が流れないことがわかった」「立体作品を組み立てるには、ビーズの穴を残すようにアイロンをかけるのが重要だとわかった」
   • ポイント：「結果」から何が言えるのか、なぜそうなったのかを考える、研究で最も大切な部分です。
7. 感想
   • 例：「小さなLEDと電池だけでこんなにきれいに光って驚いた」「自分でデザインを考えて、世界に一つだけの作品が作れてうれしかった」
   • ポイント：研究全体を通して感じたことや、次にやってみたいことを書きます。
8. 参考にしたもの
   • 例：「この記事（URL）」
   • ポイント：参考にした本やウェブサイトの名前を正直に書きましょう。

発展研究のアイデア

一つの研究が終わると、新しい疑問が生まれてきませんか？「もっと知りたい！」という気持ちが膨らんできたら成長した証です。ここでは、さらに研究を深めるためのアイデアを紹介します。

実験1: LEDの色を変えるとどうなる？

LEDには、赤、黄、緑、青、白など、いろいろな色があります。色が変わると、光り方に違いは出るのでしょうか？

• コンセプト：LEDは、色を作る半導体の材料によって、光るために必要な電圧（順方向電圧）が少しずつ違います 。赤や黄色のLEDは約2Vで光りますが、青や白色のLEDは光るのにもっと高い電圧（約3V以上）が必要です 。
• 予想：「どの色のLEDも、同じCR2032電池（3V）で同じように光るだろう」
• 方法：いろいろな色のLED（赤、黄、緑、青、白など）を用意し、それぞれを同じCR2032電池につないで、光り方や明るさを観察します。
• 結果：結果を記録してみましょう。赤や黄色はとても明るく光り、青や白も3Vの電池でちょうど良く光ることがわかるはずです。もし、もっと低い電圧の電池（例えば1.5Vの乾電池2本直列など）で試すと、赤は光るけれど青は光らない、といった発見があるかもしれません。

実験2: 長持ち対決！LED vs 豆電球

LEDは「省エネで長寿命」だと学びました。本当にそうなのか、実験で確かめてみましょう！

• コンセプト：同じ電池で、LEDと昔ながらの豆電球を同時に光らせて、どちらが長く光り続けるかを比較します 。
• 方法：新品の同じ電池を2セット用意します。片方にはLEDを、もう片方には豆電球をつないで、同時にスイッチON！どちらかの光が消えるまでの時間を計ります。
• 予想：「省エネなLEDの方が豆電球よりもずっと長く光り続けるはずだ」
• 結果：きっと、豆電球の光が先に消えて、LEDが何倍も長く光り続けることに驚くでしょう。これが、LEDが省エネである何よりの証拠です 。

見やすく、かっこよく見せるコツ

レポートは、他の人に見てもらうものです。内容が伝わりやすいように、見せ方を工夫しましょう。

• まとめ方の工夫：大きな模造紙にまとめるのも良いですが、スケッチブックやアルバムを使えば、ページをめくりながら物語のように研究の過程を見せることができます。作ったキューブの設計図や、作業中の写真、そして完成したレポートをまとめて提出すれば、完成度がぐっと上がります。
• レイアウトの工夫：大きな見出しをつけたり、大切な部分を色ペンで囲んだり、イラストやグラフをたくさん使ったりすると、見た目が華やかで、内容が頭に入りやすくなります。新聞のようにレイアウトを区切ってみるのも面白いアイデアです。

おわりに：安全に楽しむためのお約束

この自由研究には、アイロンや電池など、注意して使わないと危険なものが含まれます。必ずおうちの人と一緒に、下のルールを守って、安全に楽しく実験・工作を進めてください。

• アイロンはとても熱くなります。やけどの危険があるので、必ずおうちの人と一緒に使いましょう。使わないときは、コンセントを抜いて、小さな子の手の届かない場所に置いてください。
• ボタン電池をもし飲み込んでしまうと、体の中で電気が流れて化学やけどを起こし、食道や胃に短時間で穴が開いてしまうなど、命に関わる大変危険な事故につながります。新しい電池も、使い終わった電池も、必ず小さな子どもの手や目の届かない場所に保管してください。もし、誰かが電池を飲み込んだかもしれないと思ったら、吐かせようとせず、すぐに病院へ行ってください。救急車を呼ぶか、相談窓口に電話をすることも重要です。

この研究を通して、ものづくりの楽しさと、科学の奥深さを感じてもらえたら嬉しいです！出張ワークショップのご依頼はPCN渋谷まで お問い合わせ ください。