광전소자

광전소자(光電素子, Photoelectric element)는 빛(광자)과 전기적 신호 사이의 상호작용을 기반으로 하는 전자 부품dl다. 이 소자는 광자(빛 입자)를 전기 신호로 변환하거나, 전기 신호를 광자로 변환하는 역할을 하며, 다양한 전자기기와 통신 장비에 필수적인 요소로 사용된다. 광전소자는 광센서, 태양 전지, LED, 레이저 다이오드 등 여러 응용 분야에서 사용된다.

개요

빛을 에너지 송신 수단이나 수신 수단으로 사용할 때에 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 이용하는 금속에 따라 여러가지 종류가 있으며 직선성과 응답속도가 좋고 암전류도 적다는 장점이 있다.

물질 안의 전자가 입사(入射)한 빛에너지를 흡수하여 물질 밖으로 방출되는 현상을 외부광전효과라고 하는데, 그 전자를 광전자라고 한다. 효율적으로 광전자를 얻기 위해 여러 가지 광전면(光電面)이 개발되어 있다. 실제 이용되고 있는 광전면으로는 Sb-Cs면, Sb-Na-K-Cs(멀티알칼리)면, Sb-K-Cs(바이알칼리)면, GaAs(Cs)면, 적외선용 Ag-O-Cs면, 자외선용 Cs-Te 또는 Cs-I면 등이 있다.

이것은 직선성(直線性) 응답속도가 매우 좋고 암전류(暗電流)도 적다. 한편 빛을 쪼임으로써 물질 안의 전자가 에너지를 얻어 들뜨게 되고 그 물질의 전기적 성질을 변화시키는 현상을 내부광전효과라고 하는데, 광도전(光導電) 현상과 광기전력(光起電力) 효과가 있다. 반도체에 광자(光子)가 입사할 때, 그 에너지가 반도체의 금지대(禁止帶) 폭보다 클 때는 전자를 들뜨게 하여 양공(陽孔)과 전도전자(傳導電子)의 쌍을 만든다. 외부에서 전기장을 가하면 이 캐리어가 물질 안을 이동하여 광전류가 흐르는 현상을 광도전 현상이라 한다. 반도체의 p-n접합이나 표면장벽(表面障壁)에 빛이 입사하면 들뜬 전자와 양공은 내부 전기장 때문에 각자 반대 방향으로 이동하여 기전력을 일으키는데, 양측의 전극을 연결하면 단락전류(短絡電流)가 흐르는 현상을 광기전력 효과라고 한다. 측광용(測光用) 광전소자로는 광전면을 이용하는 광전관과 광전자증배관, 내부광전 효과를 이용하는 광도전셀(cell), 광기전력셀, 포토다이오드, 포토트랜지스터가 있다.

광전관(photoelectric tube)은 광전면과 양극을 가진 이극진공관에서 광전자의 흐름을 측정한다. 직선성과 시간응답이 뛰어나 정밀한 측광 등에 이용된다. 가스가 주입된 광전관도 있는데 감도는 높으나 정밀도는 떨어진다. 고감도이면서 정밀성을 갖춘 것으로는 광전자증배관이 있다.

광전도셀(photoelectric cell)은 CdS나 CdSe셀은 직선성 응답속도는 떨어지지만 소형인데다가 취급하기 쉽고 고감도이기 때문에, 노출계나 각종 광검지기 등에 사용된다. 적외선검출기로는 PbS, PbSe셀이 있으며, 암전류를 줄이기 위해서 냉각시켜 사용하는 경우도 있다.

광기전력셀(photovoltaic cell)은 전력을 내기 위한 것으로 태양전지가 있으나, 측광용으로는 포토다이오드가 광기전력셀로서 단락전류를 측정하는 형태로 사용된다. InAs, InSb 등 광기전력형 적외선검출기도 있다.

포토다이오드(photodiode)는 Si 또는 GaAsP 등의 단결정을 사용하며, p-n접합 등 표면장벽을 만든 것이다. 외부 전력 없이도 작동 범위가 넓고 안정성도 우수하므로 분광광도계, 노출계, 문자읽기 장치, 라이트 펜 등에 이용된다. p, n 영역에 고유의 반도체 영역을 끼워넣은 접합구조인 pin형 포토다이오드는 외부전류에 의해 역바이어스를 걸어 더욱 빠르게 작동하므로 광통신 등에 사용된다.

포토트랜지스터(phototransistor)는 n-p-n(p-n-p)접합을 갖는 이단소자(二端素子)로서, 빛에 의해 들뜬 캐리어가 베이스 전류를 주입했을 때와 같이 작용을 하며, 외부 전원을 연결하면 증폭된 전류가 흐른다. 고감도이지만 직선성은 떨어진다.

광전소자의 원리

광전소자는 주로 광전 효과와 광전도 효과에 기반하여 작동한다.

광전 효과 (Photoelectric Effect)

광전 효과는 빛이 금속 표면에 충돌하여 전자를 방출하는 현상이다. 이 현상은 알베르트 아인슈타인이 설명하였으며, 빛이 전자의 에너지를 증가시켜 금속 내부에서 전자가 방출되는 과정을 설명한다. 이 원리는 태양전지나 광센서에서 빛을 전기 신호로 변환하는 데 사용된다.

광전도 효과 (Photoconductivity)

광전도 효과는 반도체 물질에 빛이 비추어졌을 때, 그 물질의 전기 전도도가 증가하는 현상을 말한다. 빛이 반도체에 입사하면 전자들이 들뜬 상태가 되어 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 이는 전류의 흐름을 가능하게 한다. 이 원리는 광검출기에서 사용된다.

광발전 효과 (Photovoltaic Effect)

광발전 효과는 빛이 반도체에 흡수되어 전압이 발생하는 현상으로, 태양 전지에서 전기를 생산하는 데 사용된다. 빛에너지를 전기 에너지로 직접 변환하여 재생 가능한 에너지원으로 널리 활용된다.

광전소자의 분류

광전소자들은 다음과 같이 분류한다.

① 광전 발신기 : 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드, 적외선 다이오드

② 광전 수신기 : 포토 저항, 포토 다이오드, 포토 엘리먼트, 포토 트랜지스터, 포토 사이리스터

③ 광-커플러 : 광전 수신기와 광전 발신기의 결합체

광전소자들은 광선이 반도체 내부에서 전하를 방출하는 '내부 포토(photo)효과'를 이용한다.

육안으로 볼 수 있는 가시광선(可視光線)은 파장 약 380nm~780nm(0.38μm~0.78μm) 범위의 전자파이다.

광전소자의 종류

광전 소자는 빛과 전기의 상호작용 방식에 따라 여러 종류로 나뉩니다.

광검출기 (Photodetector)

빛을 감지하여 이를 전기 신호로 변환하는 소자이다. 주로 CCD(Charge-Coupled Device), CMOS 이미지 센서, 포토다이오드 등이 여기에 속한다.

• 포토다이오드 : 반도체 재료로 만들어진 다이오드로, 빛을 받으면 전류가 흐르는 특징을 가지고 있다.
• 광트랜지스터: 빛에 반응하는 트랜지스터로, 광신호에 따라 전류 증폭을 제어한다.

응용

• 디지털 카메라: 이미지 센서로 사용되어 빛을 전기 신호로 변환해 영상을 기록.
• 광통신: 빛 신호를 전기 신호로 변환하여 정보 전달.

발광 소자 (Light Emitting Device)

발광 소자는 전기 에너지를 광자(빛)로 변환하는 소자이다. 대표적으로 LED(발광 다이오드)와 레이저 다이오드가 있다.

• LED (Light Emitting Diode): 전류가 흐를 때 빛을 방출하는 반도체 소자입니다. 조명, 디스플레이, 신호 처리 등에 사용됩니다.
• 레이저 다이오드(Laser Diode): 매우 좁고 강한 빛을 방출하는 소자이며, 주로 광통신 및 데이터 전송에 사용됩니다.

응용

• LED 조명: 에너지 효율이 높은 조명 장치로 사용.
• 디스플레이: TV, 모니터, 스마트폰 등에서 백라이트로 사용.
• 광통신: 레이저 다이오드를 사용해 고속 데이터 전송.

태양전지 (Solar Cell)

태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 주로 광발전 효과를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전력으로 변환한다.

• 실리콘 태양전지: 가장 널리 사용되는 형태로, 실리콘을 기반으로 제작되어 높은 효율성을 제공한다.
• 박막 태양전지: 얇은 반도체 물질을 사용하는 태양전지로, 비용이 저렴하지만 효율은 낮을 수 있다.

응용

• 태양광 발전: 대규모 전력 생산 시스템에서 사용.
• 휴대용 전자기기: 계산기, 휴대용 충전기 등 소형 전자기기에서 전력 공급.

광전도 소자 (Photoconductive Device)

광전도 소자는 빛이 입사할 때 전도도가 변하는 소자로, 주로 빛을 감지하여 전류를 제어하는 역할을 한다. 예로는 광저항이 있다.

• 광저항 (Photoresistor): 빛의 세기에 따라 저항값이 변하는 소자이다.

응용

• 자동 조명 시스템: 빛의 세기에 따라 조명을 자동으로 켜고 끔.
• 카메라의 노출 조절: 빛의 양에 따라 노출을 자동으로 조정하는 기능.

광전 소자의 응용 분야

광전소자는 다양한 산업 및 기술 분야에서 중요한 역할을 한다.

광통신

광전 소자는 광섬유 통신 시스템에서 핵심적인 역할을 합니다. 발광 소자(레이저 다이오드)는 전기 신호를 광신호로 변환하여 광섬유로 전송하고, 수신 측에서는 광검출기가 광신호를 다시 전기 신호로 변환한다. 이를 통해 매우 높은 데이터 전송 속도를 구현할 수 있다.

에너지 생산

태양전지는 태양광을 전기로 변환하는 대표적인 광전 소자이다. 재생 가능한 에너지 기술로서, 태양광 발전 시스템은 전 세계에서 지속 가능한 에너지 공급원으로 활용되고 있다.

센서 및 감지 기술

포토다이오드와 같은 광검출기는 센서 기술에서 매우 중요하다. 빛의 강도, 거리, 색상 등을 측정하는 다양한 센서가 개발되어 있으며, 이러한 소자는 자동화 시스템, 카메라, 의료 장비 등에 적용된다.

조명 및 디스플레이

LED는 저전력, 고효율의 조명 소자로서 일반 가정용 조명에서부터 차량 조명, 대형 디스플레이에 이르기까지 널리 사용된다. 또한, OLED(Organic LED)와 같은 새로운 발광 소자는 디스플레이 기술을 혁신적으로 변화시키고 있다.

참고자료

•  〈광전소자〉, 《두산백과》
•  〈광전소자〉, 《첨단자동차전기전자》

같이 보기

• 광전자
• 광개별소자
• 광학
• 발광다이오드
• 레이저 다이오드
• 광검출기
• 태양전지

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