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LED

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jingayoun (토론 | 기여)님의 2021년 2월 1일 (월) 17:59 판
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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.[1] 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.[1] 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.[2]

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

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)
  • 적외선 LED(IR LED)
  • 자외선 LED(UV LED)

형태, 용도에 따른 분류

  • DIP타입 LED
  • Chip 타입 LED
  • 멀티컬러 타입 LED[3]
  • 바 LED
  • LED 어레이(LED Array): 도트매트릭스, 7-세그먼트 등
  • 수퍼/하이플럭스 LED[4]

전기루미네선스

플리커 현상

LED 모듈

다이오드

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.

각주

  1. ↑ 1.0 1.1 미네르바, 〈LED (발광 다이오드) 완벽정리 ( 동작원리 , 정의, 특징 )〉, 《네이버 블로그》, 2011-04-16
  2. ↑ 〈LED의 역사〉, 《LEDVANCE》
  3. ↑ 얕고넓은 MORAL식, 〈LED소자의 원리, LED종류를 알아보자〉, 《LEDVANCE》, 2019-06-23
  4. ↑ 뗌쓰, 〈LED 보고서 : LED의 다양한 종류와 쓰임〉, 《네이버 블로그》, 2016-02-13

참고자료

같이 보기


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