LED

LED란 Light Emitting Diode의 약자로서, 전류가 통과할 때 가시광선을 방출하는 반도체 소자이다. 발광 다이오드라고 한다. 다이오드(diode)란 음극과 양극을 모두 가진 반도체 장치로서, 다이오드에 전기가 흐르게 함으로써 빛을 낼 수 있다. 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 스마트폰 등의 디스플레이 장치와 전구 등에 사용된다.

역사

LED는 다음과 같은 오랜 역사를 거쳐 개발되고 있다.

• 1907년 영국인 헨리 조셉 라운드(Henry Joseph Round)가 무기재료에 전류를 가할 때 빛이 방출되는 현상을 발견하였다. 같은 해 그는 이 발견 사실을 Electrical World 저널에 기고하였다.
• 1921년 러시아의 물리학자 올렉 로세프(Oleg Lossew)가 다시 한 번 "라운드 효과"에 의한 발광 현상을 관찰하였다. 이후 1927년에서 1942년까지 이 현상을 상세히 조사하여 기록으로 남겼다.
• 1935년 프랑스 물리학자 조르쥬 데스트리아우(Georges Destriau)가 황화아연(ZnS)에서 발광 현상을 발견하였다. 그는 러시아 물리학자 올렉 로세프를 기리기 위해 이 효과를 "로세프 광"으로 불렀다. 오늘날에 조르쥬 데스트리아우는 전장 발광의 발명자로 인정되고 있다.
• 1951년 트랜지스터 개발은 반도체 물리에 있어 비약적인 도약이었다. 이때부터 발광 현상을 설명할 수 있게 되었다.
• 1962년 미국인 닉 홀로이악(Nick Holonyak)이 개발한 최초의 적색 발광 다이오드(GsAsP형)가 상업화되었다. 이 최초의 가시광선 LED로 대량생산된 상업적 LED의 탄생을 맞게 되었다.
• 1971년 새로운 반도체 재료의 개발로 LED는 녹색, 주황색 및 황색의 광색으로 생산되고 LED의 성능과 효율성은 지속적으로 개선되었다.
• 1993년 일본인 슈지 나카무라(Shuji Nakamura)가 최초의 청색 LED와 녹색 스펙트럼 영역에서 매우 효율적인 LED(InGaN 다이오드)를 개발해 내고 얼마 후에 그는 백색 LED 또한 제작했다.
• 1995년 최초로 광 전환에 의한 백색광 LED가 발표되었고, 2년 후에 상업화되었다.
• 2006년 최초로 100루멘/와트 발광 다이오드가 생산되었다.
• 2010년 205루멘/와트의 높은 발광 효율을 보이는 LED가 실험실 환경에서 개발되고 있다.

원리

LED 원리

LED는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 반도체 다이오드 장치이다. 다이오드는 2개의 약간 다른 물질을 함께 결합시켜 P-N 접합을 함으로서 형성된다. 순방향 전압이 P-N 접합을 형성하는 반도체 소자에 인가되면 전자는 N 영역에서 P 영역으로 이동하고 정공은 N 영역으로 이동한다. 접합부 근처에서 전자와 정공이 결합된다. 이것이 발생함에 따라서 에너지는 LED에 의해서 빛의 형태로 방출된다.

주요 재료

LED는 반도체 소자에 사용되는 재료에 따라서 색상이 결정된다.

• 인듐 갈륨 질화물(InGan) : 청색, 녹색 및 자외선 고휘도 LED
• 알루미늄 갈륨 인듐 인화물(AlGaInP) : 노란색, 주황색 및 빨간색 고휘도 LED
• 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs) : 적색 및 적외선 LED
• 갈륨 인화물(Gap) : 노란색 및 녹색 LED

백색광 LED

백색광 LED는 단색이 아닌 연속된 스팩트럼에 따라 구현된 색이기 때문에 발광 다이오드는 기복적으로 좁은 범위의 파장만 발광하므로 단일 소자에서 흰색은 발생이 불가능하다. 백색광을 만드는 데에는 두 가지의 방법이 있다.

Mixed-color white light

첫 번째 방법은 여러 가지 색상의 LED의 빛을 혼합하여 흰색으로 나타나는 분광 분포를 생성한다. 이른바 삼인극 형광등은 세 개의 형광 팬을 사용하는데, 각각 수은으로부터 자외선을 복사 받았을 때 상대적으로 좁은 파란색, 녹색, 빨간색의 스펙트럼을 발생시키며 그것들을 서로 인접하게 배치하고 출력량을 적절하게 혼합하면 그 결과는 백색이 나타난다.

Phosphor-converted white light

백색광을 생성하기 위한 또 다른 방법은 짧은 파장의 LED를 함께 사용하는 것이다. 예를 들어, LED에 사용되는 형광 물질 중 하나가 파란 색 빛으로 조명되면, 광범위한 스펙트럼 전력 분포를 가진 노란 색 빛을 방출한다. 피크 파장이 450~470nanoM인 파란 색 LED본체에 인광을 첨가함으로써, 파란 색 빛의 일부는 인광에 의해 노란 색 빛으로 변환됩니다. 남아 있는 파란 빛은, 노란 빛과 섞이면, 백색광이 된다.

장점

작은 크기

LED는 기본적으로 에폭시 수지(epoxy resin) 내부에 봉입된 소형 칩이므로 매우 작고 가볍다.

저전압

일반적으로 LED의 작동 전압은 2-3.6V이므로 소비 전력이 적다. 약한 전류로 보통 이상의 빛의 세기를 보여준다.

긴 수명

적절한 전류 및 전압에서 LED는 최대 100,000 시간을 지속 가능하다.

고선명도, 저열

냉광 기술을 채택하여 LED의 발열량이 동일 전력의 일반 조명보다 훨씬 낮다.

친환경

LED는 오염을 일으키는 수은을 포함한 형광등과는 다르게 독성이 없는 물질로 구성이 되며 재활용 또한 가능하다.

단점

고비용

아직은 보급되는 형식이라서 가격이 비싸다. 하지만 최근에는 많이 완화됨

플리커 현상

시각의 자극이 너무 강하면 눈에 부담이 간다.

활용

LED 전구는 기존의 백열등이나 형광등보다 더 성능이 우수하여 차세대 조명장치로 떠오르고 있다. LED는 빛이 특별히 밝지는 않지만 기존 백열등보다 최대 90% 적은 에너지를 소모하고, 형광등보다 60% 적은 에너지를 사용하는 매우 효율적인 조명 방법이다.

LED TV는 기존의 LCD 패널 뒤에 백라이트로 형광등 대신 LED를 사용해 빛을 낸다. 기존 LCD TV에 비해 더 선명하고 잔상이 없는 색상을 표현할 수 있다.

LED 중에서 유기물을 사용하여 빛을 내는 것을 OLED(유기 발광 다이오드)라고 한다.

같이 보기

• 반도체
• LCD