LED

LED란 Light Emitting Diode의 약자로서, 전류가 통과할 때 가시광선을 방출하는 반도체 소자이다. 발광 다이오드라고도 한다.

개요

+, -가 바뀌면 전류가 흐르지 않는 다이오드와는 달리, 발광 다이오드는 +, -가 바뀌어도 계속적으로 전류가 흐르며, +는 +끼리, -는 –끼리 제대로 연결 했을 때 빛을 낸다. 반도체에 전압을 가할 EO 생기는 발광현상은 전기루미네선스(전기장발광)이라고 한다. 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 에너지를 광 에너지로 변환시켜주는 반도체소자로, 전하주입, 이동, 재결합에 의해 무기발광충(공핍층)에서 빛이 발생하는 자체 발광소자다. 전기 루미네선스 효과를 이용하여, 순방향에 전압을 가했을 때 발광하는 반도체다. 화합물 반도체 단자에 전류를 흘려서 P-N 접합 부근 혹은 활성층에서 전자와 홀의 결합에 의해 빛을 방출하는 소자를 말한다. 1993년 질화갈륨을 베이스로 한 고휘도 청색 LED가 실용화됨에 따라, 백색 LED가 실현되어, 제 4의 조명용 광원으로서 주목을 받았다.

특징

LED는 기본적으로 에폭시 수지(epoxy resin) 내부에 봉입된 소형 칩이므로 매우 작고 가볍다. 전 세계적인 에너지 고갈과 환경오염으로 인해 고효율, 저전력의 기술에 관한 관심과 기대가 커지고 있는데, LED는 발광 효율이 높아, 기존의 백열등 대비 1/5 수준의 낮은 전력를 사용하여 고출력을 얻을 수 있다. LED의 일반적인 작동 전압은 2~3.6V로 소비 전력이 작지만, 보통 이상의 빛 세기를 보여준다. 또한 긴 수명과 고선명도를 자랑한다. 적절한 전류 및 전압에서 LED는 최대 100,000 시간 이상 지속 가능하고, 매우 선명한 빛을 내뿜는다. 백열등 대비 15배 이상의 긴 수명으로, 기존 조명 대비 약 78%의 전기 요금이 절감된다. 그렇지만 냉광 기술을 채택하여 LED의 발열량이 동일 전력의 일반 조명보다 훨씬 낮다. LED는 오염을 일으키는 수은을 포함한 형광등과는 다르게 LED는 독성이 없는 물질로 구성이 되며 재활용 또한 가능하다는 점에서 매우 친환경 적이다. 다른 발광체에 비하여 응답속도가 빠르며, 내 충격성이 우수하다는 장점도 있다. 응답속도가 빠르고 펄스 동작, 고주파에 의한 변조가 가능하다. 작동 온도 범위가 광범위하여, 다양한 곳에서 사용이 가능하며, 사용 제한이 적다. 광 출력을 전류제어로 용이하게 변화시킬 수 있다. 다양한 색상을 연출할 수 있고, 수은을 사용하지 않는 친환경적인 광원이다. 이러한 장점들을 모두 담아내기 위해 초창기에는 비싼 가격이라는 단점을 가지고 있었지만, 시간이 지날수록 계속 가격이 하락해서, 현재는 저렴한 가격에 구입할 수 있다. 다만 플리커 현상으로 인해 시각적 자극이 너무 강하면 눈에 부담이 간다.

역사

• 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.

재료

발광되는 빛의 파장(색)은 PN 접합을 형성하는 소재의 띠틈의 크기와 관련이 있다. 발광 다이오드는 근적외선이나 가시광선, 자외선에 이르는 파장에 대응하는 띠틈을 가지는 반도체 재료가 이용된다. 일반적으로 발광 다이오드에는 발광재결합 확률이 높은 직접 천이형 반도체가 적합하고, 일반적인 반도체 재료인 규소(실리콘)이나, 게르마늄 같은 간접 천이형 반도체에서는 전자나 정공이 재결합을 하더라도 빛을 방출하기 어렵다. 그러나 노란색이나 황녹색에 오랫동안 사용되어온 GaAsP계나 GaP계는 도핑한 불순물 준위를 개입시켜 강한 발광을 하는 재료도 있어 넓게 사용되고 있다. 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs)을 사용하면 적외선, 빨간색 빛이 나는 다이오드를, 갈륨 비소 인(GaAsP)을 사용하면 빨간색, 오렌지색, 노란색 빛이 나는 다이오드를 얻을 수 있다. 인듐 질화 갈륨(InGaN), 질화 갈륨(GAN), 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN)과 같이 질화 갈륨 계열의 다이오드에 순방향 전압을 걸어주면 오렌지색, 노란색, 녹색, 파란색, 보라색, 자외선 등의 빛이 나는 다이오드를 얻을 수 있다. 인화 갈륨(GAP)은 빨간색, 노란색, 녹색, 셀렌화 아연(ZnSe)은 녹색, 파란색 빛을 볼 수 있다. 알루미늄 갈륨 인듐 인(AlGaInP)을 사용한 다이오드를 통해 오랜지색, 노란색, 녹색 빛의 다이오드를, 다이아몬드(C)로부터 자외선 빛을 나타내는 다이오드를 얻을 수 있다. 산화 아연(ZnO)의 경우 근 자외선 발광 다이오드를 만드는데 사용되고, 질화 갈륨(GaN)의 경우 파란색, 녹색 발광 다이오드를 만드는 데 사용된다.

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. 백색광 LED를 만들기 위해서는 특별한 방법이 필요하다. 원래 발광 다이오드는 기본적으로 좁은 범위의 파장만 발광하므로, 단일 소자에서 흰색은 발생이 불가능하다. 백색광을 만드는 데에는 두 가지의 방법이 있다.

색상 혼합 백색광

첫 번째 방법은 여러 가지 색상의 LED의 빛을 혼합하여 흰색으로 나타나는 분광 분포를 생성한다. 이것을 색상 혼합 백색광(mixed-color white light)이라고 한다. 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 결과로 백색이 나타난다.

인광물질 변환 백색광

백색광을 생성하기 위한 또 다른 방법은 짧은 파장의 LED를 함께 사용하여 인광물질 변환 백색광(phosphor-converted white light)을 만드는 것이다. 예를 들어, LED에 사용되는 형광 물질 중 하나가 파랑색 빛으로 조명되면, 광범위한 스펙트럼 전력 분포를 가진 노랑색 빛을 방출한다. 피크 파장이 450~470 nanoM인 파랑색 LED 본체에 인광을 첨가함으로써, 파랑색 빛의 일부는 인광에 의해 노랑색 빛으로 변환된다. 남아 있는 파란 빛은, 노란 빛과 섞이면, 백색광이 된다.

분류

빛의 종류에 따른 분류

• 가시광선 LED(VL LED): 전체 LED 시장 중 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 적색, 녹색, 청색, 백색 LED 등이 있다. 760~400nm 파장범위에 해당하는 LED다.
• 적외선 LED(Infrared Light LED): 리모콘, 적외선 통신, 적외선 카메라 등에 사용된다. 1400~780nm 파장범위를 가진다.
• 자외선 LED(UV LED): 살균, 피부치료 등 생물, 보건 분야 또는 검사 목적으로 많이 사용되고 있다. 이전에는 주로 살균용으로 많이 쓰였지만, 현재는 식물 성장, 피부, 미용 목적에도 많이 사용되고 있지만 인체에 유해한지, 무해한지를 두고 논란이 많다. 2020년 전 세계적으로 수은램프 사용이 금지되면서, 자외선 LED의 수요가 크게 늘었다. 400~100nm 파장 범위가 자외선 LED에 해당하는데, 파장 범위에 따라 UV-A, UV-B, UV-C로 구분할 수 있다. UV-A는 315~400nm으로, 산업용 UV Curing(경화기, 노광기, 접착기) 또는 광촉매를 살균할 때 사용한다. 살균력이 강하지는 않지만, 곰팡이, 균류, 박테리아 살균력이 입증되어 가정용 살균기로도 사용한다. 냉장고나 에어컨에도 사용된다. UV-B는 280~315nm으로, 태닝이나 의료용에 많이 사용되는데, 백반, 건선, 아토피와 같은 피부병 치료에 주로 사용한다. UV-C는 산업용 수처리(살균), 정수기, 가습기, 배기가스 센서 등에 사용된다. 매우 강한 살균력을 가지고 있어 피부암을 유발하기도 한다. UB-C에서 UC-A로 갈수록 파장이 길고 에너지가 감소하는데, 살균에 사용할 경우 A로 갈수록 살균력이 감소한다. C로 갈수록 살균력이 강해지기는 하지만, 인체에 유해하다.

형태, 용도에 따른 분류

• DIP타입 원통 평면형 LED: 일반적으로 가장 흔하게 볼 수 있는 LED다. 빛이 들어오는 원통 모양의 부분 밑에 2개의 다리가 있는 구조다. 다리 중 하나는 길고, 하나는 짧은데, 긴 부분이 +극, 짧은 부분이 –극이다. 극에 맞도록 전극을 연결하고, 전류를 제한해주면 LED에 불이 들어온다. 보편적으로 LED의 허용 전류는 20mA고, 소모 전압은 3V이므로, 만약 5V의 전류를 공급한다면 옴의 법칙에 따라 저항은 25Ω이 된다. 25Ω짜리 저항 혹은, 이와 근사한 약간 큰 값의 저항을 사용할 때가 LED가 가장 빛이 난다. LED와 저항을 직렬로 하나씩 연결할 경우, 약 3V가 LED에 걸리고, 남은 2V 정도의 전압은 저항에 전압분배되어 걸리게 된다.
• 칩(Chip) LED: 점차 PCB 기판이 소형화되어 가고 있는 추세에 등장한 LED다. 작은 크기의 LED로, PCB에 장착되었을 때, 공간을 많이 차지하지 않도록 하기 위해 칩 형태로 제작되었다. 칩 LED는 일반적인 형태의 Dip LED와 전기적인 특징은 동일하기 때문에, 전류제한용 저항을 적절하게 사용하면 손쉽게 사용할 수 있다.
• 바 LED: 길거리에서 쉽게 볼 수 있는 가게 홍보용 간판 모서리에 붙어있는 형태의 LED다. LED를 손쉽게 사용할 수 있도록, 별도의 모듈로서 판매되고 있는 바 형태의 LED다. 이런 모듈 형태의 바 LED는 보통 내부회로가 구성되어 있기 때문에 외부에서 정격 전압과 전류를 갖는 어댑터나 SMPS 같은 전원장치만 설치해주면 곧바로 사용할 수 있도록 구성되어 있다.
• 멀티컬러 LED: 하나의 LED 부품이 다양한 색을 낼 수 있도록 구성한 LED다. 멀티컬러 LED는 단순하게 여러 가지 색을 내도록 하기 위해서 개별적인 색을 갖고 있는 LED를 합쳐놓은 형태다. 여러 가지 색을 내기 위해 여러 개의 다리를 갖고 있다.
• LED 어레이(LED Array): LED 여러 개를 적절하게 배치하여 어떠한 정보를 나타내기 쉽도록 만들어 놓은 제품으로, 도트매트릭스, 7-세그먼트 등이 여기에 해당한다. 이 부품들은 어떠한 전자장치들에 적용되어 사용자에게 정보를 안내하는 역할을 톡톡해 수행할 수 있도록 특별하게 제작된 것들이다. 일반적인 LED를 단순히 배열한 것뿐이기 때문에 전류제한용 저항을 적절하게 설치해주어야 한다.
• 수퍼/하이플럭스 LED: 엄청난 밝기를 나타내는 LED로, 전류 소모가 보통 20mA에서 최대 50mA까지 사용되기 때문에, 이 LED를 구매할 때는 전기적 특성 정보를 충분하게 살펴보아야 한다. 데이터시트에서 포워드 전류 즉, 상시로 흘렀을 경우에 최대 허용된 전류값을 확인하면 되는데, 만약 최대의 밝기를 원하는데 전류를 범용 LED에서와 같이 설계할 경우에는 원하는 밝기가 나오지 않을 수도 있다.

관련 현상

전계 루미네선스

물질을 발광시키는 방법에는 온도 방사와 루미네선스 두 가지가 있다. 루미네선스란 온도 방사 이외의 발광을 말하는 것으로 냉광이라고 하기도 한다. 발광에 자극이 필요하고, 발광 계속 시간에 따라 자극이 제거된 후에도 일정 기간 동안 발광하는 인광과, 자극하고 있는 동안만 발광하는 형광으로 구분된다. 루미네선스는 발광 방식에 따라 전기 루미네선스, 전계 루미네선스, 방사 루미네선스, 음극선 루미네선스, 생물 루미네선스 등으로 구분할 수 있는데, LED는 전계 루미네선스(Electro Luminescence, EL)의 일종으로 볼 수 있고, 전계 루미네선스는 전기 발광, 전자 발광이라고도 부른다. 반도체 등의 물질에 전기장을 인가하거나 전류를 흘리면 발광하는 현상으로, 주입형(injection)과 진성형(intrinsic) 두 가지가 있다. 주입형 전계 발광은 전계에 의해 전자와 정공이 각각 음극과 양극에서 주입되어 중간 부분에서 만나서 그 재결합(recombination)에 의해 빛을 만들어 내는 것이다. 진성형 전계 발광은 전자가 전기장에 의해 가속되어 에너지를 얻은 후 임의의 발광 중심과 충돌, 발광 중심을 충격 여기(impact excitation)시키는 과정에서 빛이 나오는 것이다. 주입형 전계 발광에서는 전자와 정공을 움직일 정도의 전기장으로도 충분하지만, 진성형 전계 발광에서는 전자가 가속되어서 발광 중심과 충돌, 여기까지 이르게 하여야 하기 때문에 수 MN/cm 정도의 큰 전기장이 필요하다.

주입형 전계 발광은 1909년, 영국의 라운드가 광석 검파기를 연구하던 중 탄화 규소의 작은 조각에서 빛이 나는 것을 발견했고, 1922년 소련의 로세프가 연마용 탄화 규소에 전극을 연결하고 전류를 흘려 발광을 유도했던 것이 시작이다. 주입형 전계 발광 소자로 LED와 OLED가 있는데, 이 둘은 발광 물질에 따라 분류된다. LED는 무기물을 사용하고, OLED는 Organic LED라는 이름답게 유기물을 사용하여 발광한다. 아직은 개발되지 않았지만, 만약 후에 OLED 구조에 양자점을 추가하여 QLED라는 것이 만들어 진다면, 이것은 유기와 무기가 융합된 LED기 때문에 기존의 LED는 Inorganic LED라고 불리게 될 지도 모른다.

플리커 현상

플리커(Flicker) 현상은 조명의 미세한 떨림으로 화면의 밝기가 일정하지 않고 변화하여 흔들리는 현상을 의미한다. 육안 상으로는 조명이 계속 켜져 있는 것처럼 보이지만, 실제로는 커짐과 켜짐이 반복되는 상태로, 플리커 현상이 심할 경우에는 건강에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 우리나라의 경우 플리커 제품에 대한 규제가 없는 실정으로, 조명, 컴퓨터, 카메라 화면에서 발생하는 경우 외에도, 에어컨, 전기오븐, 전기밥솥 등의 제품을 사용할 때 일시적인 전력 부족 현상으로 인해 발생하기도 한다. 플리커 현상을 식별하는 방법은 매우 간단하다. 스마트콘 카메라를 조명을 향해 비추었을 때, 하얀색 선과 검정색 선이 교차해서 보인다면 플리커 현상이 있는 조명이다. 추가적으로 그 선들이 흐르는 느낌이 있거나, 조명 전면을 바라보고 허공에 손을 좌우로 흔들었을 때 울렁거리는 느낌이 있다면 모두 플리커 현상이 있는 제품에 해당한다. 미국, 유럽, 일본 등 해외 연구 조사 결과에 따르면 플리커 현상이 인체에 미치는 영향은 광과민성 발작 및 심박수 증가, 두통 및 신경계 질환, 피곤함, 무기력함, 눈의 피로, 시력 저하 등이 있다. 플리커 현상이 발생하는 이유는 일반 가정에서 사용하는 전기는 교류 전류, 조명은 직류 전류 구조기 때문이다. 조명 기구를 점등하는 과정에서 전원으로부터 오는 교류 전류가 조명등 안의 안정기를 통해서 직류로 변환하게 되는데, 그 과정에서 빛이 점멸하게 된다. 우리나라는 60Hz 전기르 사용하기 때문에 초당 60번의 방향전환 즉, 초당 120번의 깜빡임이 발생하게 된다. 플리커 지수를 표시하는 미국이나 명확한 측정 기준과 플리커 현상이 없어야 한다는 일본, 영국과는 달리 우리나라는 플리커 현상에 대한 기준이 존재하지 않는다. 업체 입장에서는 앞의 국가들로의 수출이 어렵지만, 소비자 입장에서는 육안으로 구별하기 어렵기 때문에, 체감할 정도의 플리커 현상이 아니라면 문제 제기를 하지 않는 편이다. 일반적으로 가장 많이 사용하고 있는 기존의 삼파장전구를 사용 형광등이 취약한 편이지만, LED 또한 플리커 현상으로부터 자유롭지는 못하다.

OLED

OLED(Organic Light Emitting Diode)는 유기 발광 다이오드라고도 한다.

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.

OLED

OLED(Organic Light Emitting Diode)는 유기 발광 다이오드라고도 한다.

참고자료

• 미네르바, 〈LED (발광 다이오드) 완벽정리 ( 동작원리 , 정의, 특징 )〉, 《네이버 블로그》, 2011-04-16
• 〈LED의 역사〉, 《LEDVANCE》
• 〈발광 다이오드〉, 《위키백과》
• 규쥬, 〈(정보) UV LED 파장 별 안내 및 활용법〉, 《네이버 블로그》, 2018-03-31
• 뗌쓰, 〈LED 보고서 : LED의 다양한 종류와 쓰임〉, 《네이버 블로그》, 2016-02-13
• 〈BK우정교수의 디스플레이 이야기4〉, 《플라스틱사이언스》, 2020-08-12
• LED 조명 쇼핑몰 대경엘이디, 〈LED조명 교체 설치 방법〉, 《대경엘이디》
• 〈플리커(Flicker) 현상이란?〉, 《라이팅뉴스》

같이 보기

• 반도체
• LCD

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