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발광 다이오드

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목차

1. 개요

발광 다이오드(LED)는 1962년 닉 홀로니악이 개발한 반도체 소자로, 전기에너지를 빛으로 변환한다. 초기에는 표시등으로 사용되었으나, 7세그먼트 표시 장치, 신호등 등 다양한 분야로 확대되었다. 1980년대까지 파란색 LED 개발이 어려웠으나, 질화 갈륨을 이용한 고휘도 파란색 LED가 개발되면서 풀 컬러 디스플레이 구현이 가능해졌다. 2014년에는 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지가 청색 LED 개발에 기여한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다. LED는 낮은 소비전력과 긴 수명을 바탕으로 조명, 디스플레이, 통신 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 특히 에너지 절약과 전자기기 소형화에 기여하고 있다.

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발광 다이오드
기본 정보
흰색 LED (회색 필라멘트)
5 mm 확산 케이스에 들어있는 파란색, 녹색, 빨간색 LED. LED에는 다양한 종류가 있음.
작동 원리전기 발광
발명H. J. Round (1907년)
Oleg Losev (1927년)
James R. Biard (1961년)
Nick Holonyak (1962년)
최초 생산1962년 10월
핀양극 및 음극
기호[[File:IEEE 315-1975 (1993) 8.5.4.2.svg]]
상세 정보
종류능동 소자, 광전자 공학
회로 기호[[File:LED symbol.svg]]
특징발광 다이오드는 다이오드의 일종
순방향으로 전압을 가했을 때 빛을 내는 반도체 소자
활용각종 전자 제품의 표시등
조명 기기
광통신
의료 기기
장점낮은 전력 소비
긴 수명
빠른 응답 속도
소형화 용이
단점높은 초기 비용
색 재현성 문제 (일부 LED)
정전기에 민감
관련 용어OLED (유기 발광 다이오드)
LED 백라이트
LED 조명
추가 정보
주의 사항LED는 정격 전압 및 전류를 초과하여 사용하면 손상될 수 있음
LED는 방열이 중요하며, 적절한 방열 장치 없이 사용하면 수명이 단축될 수 있음

2. 역사

1962년 제너럴 일렉트릭 연구소의 닉 홀로니악이 최초로 빨간색 가시광선 발광 다이오드(LED)를 개발하였다.[196]

초기에는 주로 전자 측정 장비 표시등으로 사용되다가, 1970년대 초반 7세그먼트 표시 장치에 사용되었다. 이후 출력과 색이 다양해지면서 신호등을 비롯한 다양한 장비에 사용되기 시작했다.[196] 발광 다이오드는 보통 총알 모양(T-34/4 램프)인데, 이는 초창기 LED가 전자 측정 장비 표시등의 모양을 따랐기 때문이다. 이후 표면 실장 기술(SMT) 도입으로 모양이 바뀌었고, 열 관리가 개선되어 고휘도 LED 개발이 가능해졌다.[196]

최초의 LED는 1927년 소련의 올레그 로세프[9]가 만들었지만, 전기발광은 20년 전부터 알려져 있었고, 탄화규소 다이오드를 사용했다. 상업적 LED는 텍사스 인스트루먼츠 엔지니어들이 1962년 GaAs 기반 다이오드에서 효율적인 근적외선 방출에 대한 특허를 받은 후 출시되었다.

2014년 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지는 청색 발광 다이오드 개발 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.[150][151]

2. 1. 파란색 발광 다이오드

청색 발광 다이오드


파란색 발광 다이오드는 질화 갈륨(GaN)을 재료로 사용하는 청색 빛을 발하는 발광 다이오드이다. '''청색 LED'''라고도 한다. 일본 화학 회사인 니치아 화학공업 주식회사가 큰 시장 점유율을 가지고 있다.[196] 다른 주요 기업으로는 도요타 합성, 세이와전기가 있다. GaN계 화합물을 이용한 발광 다이오드 개발과 그에 따른 청색 반도체 레이저의 실현으로 자외선에서 순수한 녹색의 가시광선 단파장 영역의 반도체 발광 소자가 널리 실용화되었다.

발광 다이오드는 저전력으로 구동 가능한 광원이기 때문에, 디스플레이 응용이 기대되었다. RGB를 이용한 풀 컬러 표시를 위해서는 빛의 삼원색(빨강·녹색·파랑)의 발광 소자가 필요했다. 이 중 1980년대 중반까지 실용화된 것은 순수한 적색 뿐이었다.

당시에도 "청색 다이오드"라는 이름으로 판매되는 제품이 있었지만, 색조가 보라색을 띠었고, 순수한 청색으로서 실용적인 높은 휘도를 내는 제품은 전무했다. 또한 황록색은 적색과 함께 일찍부터 실용화되었지만, 순수한 녹색을 실현하는 데에는 결과적으로 청색과 마찬가지로 GaN계 반도체 재료가 필요했고, '''순수 녹색 LED의 실용화는 청색 LED 등장 이후'''이다. 이러한 이유로 발광 다이오드를 이용한 풀 컬러 디스플레이의 실현은 불가능했다.

순수 청색 발광의 실현을 위해 셀렌화아연(ZnSe)계 화합물이나 탄화규소(SiC)를 이용한 연구가 오래전부터 진행되어, ZnSe계에 의한 청록색 - 녹색 발광 다이오드 개발에 이르렀고, SiC의 청색 발광 다이오드는 발광 강도가 약했지만 시판되기도 했다. 그러나 그 후 GaN계 화합물에 의한 청색 발광 다이오드가 급속히 보급되었기 때문에, 현재는 이러한 재료계의 기술은 백색 발광 소자나 기판 등의 용도로 전용되고 있다.

질화갈륨을 이용한 고휘도 청색 LED 개발과 관련하여, 1986년에 아카사키 이사무, 아마노 히로시 등이 고품질, 고순도 GaN 결정의 결정 생성에 성공했다. 아마노 히로시는 불가능하다고 여겨졌던 "PN 접합"이 가능하다는 것을 처음으로 증명했다. 1993년 나카무라 슈지가 세계 최초로 고휘도 청색 LED를 발명하고 실용화했다.[148]

2001년 8월, 나카무라 슈지는 직무상 1993년 11월에 발명한(직무발명) "404 특허"를 둘러싸고, 전 직장인 니치아 화학공업을 제소하여, 해당 특허의 원고에 대한 귀속권 확인 또는 양도 대가를 둘러싸고 분쟁을 벌였다('''청색 LED 소송''').[149] 이 소송은 기업과 직무 발명자의 관계에 대한 사회적 관심을 널리 환기시켰다. 도쿄 지방법원은 발명의 대가를 약 6040억엔으로 평가하고 2000억엔의 지급을 명령했지만, 도쿄 고등법원은 화해로 유도하여 1심 판결이 인정한 발명 대가 약 6040억엔의 1/100에 해당하는 6억엔을 "대가"로 제시했다. 니치아는 (어찌되었든 대가 지급이 늦었기 때문에) 지연 손해금을 포함한 약 8.4억엔을 지급함으로써 화해가 성립했다. 하지만 나카무라 슈지는 여전히 납득하지 못하고 "고등법원은 산더미처럼 제출한 서류를 전혀 읽지 않고, 처음부터 화해 금액을 정했다. 고등법원의 화해안 결정 방식은 정의라고 할 수 없다."라고 지적하기 위해, 체류 중이던 미국에서 일본을 방문했다.[149]

2004년 12월, 도호쿠 대학 금속재료연구소의 카와사키 마사시(박막전자재료화학) 등의 연구팀은, 더 저렴한 산화아연을 이용한 청색 발광 다이오드 개발에 성공했다. 청색 LED의 재발명이라고도 불리며, 이 성과는 같은 해 12월 19일자 영국 과학 잡지 네이처 머티리얼즈(전자판)에 발표되었다.

아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지 3명은 청색 발광 다이오드에 관한 업적이 평가되어, 2014년 노벨 물리학상을 수상했다.[150][151]

2. 2. 흰색 발광 다이오드

흰색 발광 다이오드


흰색 발광 다이오드(점등 시)


'''흰색 LED'''라고도 한다. 흰색 빛은 단일 파장의 빛이 아닌, 가시광선의 모든 파장 영역에 걸쳐 연속적인 강도를 가진 빛(연속 스펙트럼)을 의미한다. 발광 다이오드(LED)는 좁은 파장 범위의 빛만 발광하므로, 단일 소자로는 이러한 흰색 빛을 생성할 수 없다. 그러나 여러 파장의 빛을 조합하여 사람의 눈에 흰색으로 인식되도록 하는 것은 가능하다. 일반적으로 빛의 삼원색을 혼합하거나, 보색 관계의 두 색을 적절한 비율로 혼합하면 흰색으로 보이는 빛을 만들 수 있다. 흰색 발광 다이오드는 이러한 원리를 이용하며, 다양한 방식이 개발되었다.

흰색 발광 다이오드는 저전압 DC 구동, 고효율(저소비전력), 긴 수명 등의 장점을 가지며, LED 조명으로 널리 사용되고 있다.
흰색 발광 다이오드의 구현 방식

  • 형광체 방식:

파란색 또는 자외선 LED 칩에 형광체를 결합하는 방식이다. LED 칩에서 방출된 빛이 형광체를 여기시켜 더 긴 파장의 빛을 생성한다. 예를 들어, 파란색 LED 칩에 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 계열 형광체를 사용하면, 형광체에서 발생하는 노란색 빛과 LED 칩의 파란색 빛이 혼합되어 흰색으로 보이게 된다. 이 방식은 단일 칩으로 흰색 빛을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

최초의 백색 LED는 1996년 가을에 판매되었다.[24] 니치아는 Ce:YAG 형광체가 있는 청색 LED를 기반으로 한 최초의 백색 LED 중 일부를 제조했다.[25]

형광체 방식의 개발로 백색 LED가 본격적으로 보급되기 시작했다. 특히, 니치아 화학과 도요타 합성이 이 방식을 주도했다. 형광체 방식은 청색 LED의 존재가 필수적인데, 이는 형광체가 받은 빛보다 짧은 파장의 빛을 낼 수 없기 때문이다.

현재 백색 LED의 주류는 청황색 계열 유사 백색 발광 다이오드이다. 이 방식은 사람의 시감도가 높은 노란색으로 형광하는 형광체와 청색 LED를 조합하여 시각적으로 매우 밝게 느껴지는 백색광을 구현한다.

램프 효율(lm/W)이 매우 높다는 장점이 있지만, 연색성이 낮아지는 경향이 있다. 특히 램프 효율을 우선한 설계에서는 평균 연색 평가 수(Ra)가 76 정도로, 일반 형광등(Ra67)과 삼파장 형광등(Ra85)의 중간 수준이다.[152]

최근에는 형광체 및 발광 파장 개선을 통해 연색성을 높인 백색 LED도 개발되고 있다. 물질·재료연구기구는 β-사이알론 형광체 개발에 성공하여 램프 효율 향상과 적색 발색 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되었으나, 적색 파장을 많이 발색시키면 램프 효율이 낮아지는 현상은 물리적 한계로 개선이 불가능하다고 확인되었다. 자외선 LED를 활용하여 형광등처럼 여러 색을 발광시켜 연색성을 향상시킨 백색 LED도 등장했다.[156]

  • 삼원색 혼합 방식:

빨강, 녹색, 파랑 LED 칩을 하나의 광원으로 결합하여 흰색 빛을 얻는 방식이다.[157] 각 LED의 광량을 조절하여 다양한 색상을 표현할 수 있어 대형 영상 표시 장치 등에 사용된다. 하지만, 세 가지 색상의 날카로운 피크만으로 구성되어 황색 및 시안 스펙트럼이 부족하므로 자연광과는 거리가 멀어 조명에는 부적합하다고 여겨진다.

이 방식은 3개의 칩이 필요하고, 균일한 발광색을 얻기 어려우며, 각 칩의 전압이 달라 3계통의 점등 회로가 필요하다. 그러나 형광체 열화 문제를 피할 수 있고, 액정 백라이트 등 표시 장치에서는 색 순도가 높은 선명한 표시색을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
발광 다이오드(LED)의 재료에 따른 종류일반적인 발광 다이오드(LED)는 다양한 무기 반도체 재료로 만들어진다.

재료색상파장 (nm)전압 (V)
적외선λ > 760ΔV < 1.9
빨강610 < λ < 7601.63 < ΔV < 2.03
주황색590 < λ < 6102.03 < ΔV < 2.10
노랑570 < λ < 5902.10 < ΔV < 2.18
녹색500 < λ < 5701.9[78] < ΔV < 4.0
파랑450 < λ < 5002.48 < ΔV < 3.7
보라색400 < λ < 4502.76 < ΔV < 4.0
자주색여러 종류2.48 < ΔV < 3.7
자외선λ < 4003.1 < ΔV < 4.4
백색광범위 스펙트럼2.7 < ΔV < 3.5


3. 원리

발광 다이오드의 구조와 띠구조 모식도


발광 다이오드의 극성


발광 다이오드는 반도체를 이용한 PN 접합 구조로 만들어져 있다. 발광은 PN 접합에서 전자가 가지는 에너지가 직접 빛 에너지로 변환되기 때문에 거시적으로 열이나 운동 에너지를 필요로 하지 않는다.

전극으로부터 반도체에 주입된 전자와 양공은 다른 에너지띠 (전도띠나 원자가띠)를 흘러 PN 접합부 부근에서 띠틈을 넘어 재결합한다. 재결합할 때 거의 띠틈에 상당하는 에너지가 광자, 즉 빛으로 방출된다.[197]

4. 전기적 특성

다른 일반적인 다이오드와 마찬가지로 극성을 가지고 있으며, 캐소드(음극)에서 애노드(양극)로 정전압을 가해서 사용한다. 전압이 낮은 동안은 전압을 올려도 거의 전류가 흐르지 않고, 발광도 하지 않는다. 어느 전압 이상이 되면 전압 상승에 대하여 전류가 빠르게 흘러서, 전류량에 비례해서 빛이 발생된다. 이 전압을 순방향 강하전압이라고 하고, 일반적인 다이오드와 비교해서 발광 다이오드는 순방향 강하전압이 높다.[198] 발광색에 따라 다르지만, 빨간색·주황색·노란색·녹색에서는 2.1V 정도이다. 빨간빛을 내지 않는 것은 1.4V 정도이다. 백색과 파란색은 3.5V 정도이다. 고출력 제품은 5V 전후인 것도 있다.

발광할 때 소비 전류는 표시등 용도에서는 수 mA ~ 50 mA 정도이지만, 조명 용도에서는 소비 전력이 수 W 단위의 대출력 발광 다이오드도 판매되고 있어 구동 전류가 1 A를 넘는 제품도 있다.

역방향으로 전압을 가하는 경우의 내전압은 일반적인 실리콘 다이오드보다 더 낮고, 보통은 -5V 정도이며, 이것을 넘으면 소자가 파괴된다. 따라서, 정류 용도로 사용할 수 없다.[199]

5. 물리적 특성


  • 구조가 간단하여 대량생산이 가능하다. 가격은 적색 LED의 경우 개당 5JPY~10JPY 정도로 저렴하다.
  • 필라멘트를 사용하지 않기에 소형이고 진동에 강하며 수명이 길다. 전구처럼 충격으로 인해 파손되는 빈도도 낮다.
  • 종류에 따라 직시하면 눈에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 특히 자외선이나 고출력 LED는 그 경향이 강하다.
  • 발광 다이오드(LED)에서 반도체 내 전자와 정공의 재결합은 빛(적외선, 가시광선 또는 자외선)을 생성하는데, 이 과정을 "전기발광"이라고 한다.
  • 빛의 파장은 사용된 반도체의 에너지 밴드갭에 따라 달라진다.
  • 레이저와 달리, LED에서 방출되는 빛은 스펙트럼적으로 결맞지 않으며, 고도로 단색성을 띠지도 않는다. 그 스펙트럼은 인간의 눈에 순수한 (채도가 높은) 색으로 보일 만큼 충분히 좁다.[12][13]
  • 대부분의 레이저와 달리, LED의 방사선은 공간적으로 결맞지 않으므로, 레이저의 특징인 매우 높은 강도에 도달할 수 없다.
  • LED는 기존 조명 방식처럼 색 필터를 사용하지 않고도 원하는 색상의 빛을 방출할 수 있어 더 효율적이며 초기 비용을 낮출 수 있다.
  • 대부분의 광원과 달리 LED는 적외선(IR) 형태의 열을 거의 방출하지 않아 민감한 물체나 직물에 손상을 주지 않는다. 낭비되는 에너지는 LED 기판을 통해 열로 방출된다.
  • LED는 조광을 통해 또는 순방향 전류를 낮춤으로써 펄스폭 변조할 수 있다.[67]
  • LED는 매우 빠르게 빛을 내는데, 일반적인 빨간색 표시등 LED는 1마이크로초 미만으로 최대 밝기에 도달한다.[68]
  • LED의 고체 패키지는 빛을 집중시키도록 설계될 수 있다.
  • LED는 극성을 가지고 있기 때문에, 음극과 양극을 잘못 연결하면 발광하지 않고 파손되기 쉽다.
  • LED를 병렬 연결할 때는 주의가 필요하다.[146] 여러 개의 LED를 동시에 점등하는 경우, 가능한 한 직렬로 연결한 후 저항이나 능동 소자로 정전류 제어한 회로를 1단위로 하고, 이 단위 회로를 병렬로 전원에 연결한다.
  • GaN계 등의 LED 소자는 정전기나 서지 전류에 약하다.

6. 광학적 특성

형광등이나 백열등과 같은 대부분의 다른 광원과 달리, LED는 불필요한 자외선이나 적외선을 포함하지 않는 빛을 쉽게 얻을 수 있다. 따라서 자외선에 민감한 문화재나 예술 작품, 열 조사를 꺼리는 물건의 조명에 사용된다.[40] 입력 전압에 대한 응답이 빨라 통신에도 사용되며, 조명으로 사용할 경우 점등하자마자 최대 밝기를 얻을 수 있다.


  • 색상: LED는 기존 조명 방식처럼 색 필터를 사용하지 않고도 원하는 색상의 빛을 방출할 수 있어 더 효율적이며 초기 비용을 낮출 수 있다.
  • 냉광: 대부분의 광원과 달리 LED는 적외선(IR) 형태의 열을 거의 방출하지 않아 민감한 물체나 직물에 손상을 주지 않는다. 낭비되는 에너지는 LED 기판을 통해 열로 방출된다.
  • 색 재현성: 대부분의 냉백색 LED는 흑체 방사체인 태양이나 백열등과는 상당히 다른 스펙트럼을 가지고 있다. 460nm에서의 피크와 500nm에서의 감소는 색의 외관이 태양광이나 백열광원보다 냉백색 LED 조명 아래에서 다르게 보이게 할 수 있다. 이는 색의 동시이성 때문이며,[66] 특히 일반적인 형광체 기반 냉백색 LED는 붉은색 표면을 매우 잘못 재현한다. 녹색 표면에서도 마찬가지이다. LED의 색 재현 품질은 연색 지수(CRI)로 측정된다.
  • 조광: LED는 조광을 통해 또는 순방향 전류를 낮춤으로써 펄스폭 변조할 수 있다.[67]
  • 점등 시간: LED는 매우 빠르게 빛을 낸다. 일반적인 빨간색 표시등 LED는 1마이크로초 미만으로 최대 밝기에 도달한다.[68] 통신 장치에 사용되는 LED는 더 빠른 응답 시간을 가질 수 있다.
  • 집광: LED의 고체 패키지는 빛을 집중시키도록 설계될 수 있다. 백열등과 형광등은 빛을 모아 사용 가능한 방식으로 조절하기 위해 외부 반사판이 필요한 경우가 많다.
  • 면 광원: 단일 LED는 구형 광 분포를 제공하는 점광원에 근사하지 않고 라베르트 법칙 분포를 따른다. 따라서 LED는 구형 광장이 필요한 용도에 적용하기 어렵다. LED는 수도(degree) 미만의 발산을 제공할 수 없다.[69]
  • 파장의 편향: 형광등이나 백열전구 등 다른 많은 광원과 달리, LED는 특정 파장에 치우친 빛을 방출한다.


LED는 효율적인 활용법으로, 광원의 종류에 따라 불필요한 자외선이나 적외선을 포함하지 않는 단색광을 쉽게 얻을 수 있기 때문에, 자외선에 의한 열화가 문제가 되는 문화재나 예술 작품, 열 방사를 꺼리는 물품의 조명에 사용된다.

반대로, 밝더라도 특정 파장의 빛이 포함되지 않기 때문에, 조명으로 사용했을 경우 동식물의 성장을 저해하는 경우도 있다.

입력 전류 변화에 대한 광 출력의 응답이 빠르기 때문에, 통신 등에도 이용된다. 또한, 조명으로 사용한 경우 점등과 동시에 최대 광량을 얻을 수 있기 때문에, 순간적으로 밝게 하고 싶은 장소에도 적합하다.

7. 재료

발광 다이오드는 다양한 무기 반도체 재료를 사용하여 만들어지며, 빛의 파장(색)은 PN 접합을 형성하는 재료의 밴드갭 크기와 관련이 있다. 발광 다이오드는 직접 천이형 반도체가 적합하며, 규소나 게르마늄같은 간접 천이형 반도체에서는 빛을 방출하기 어렵다.[11] 그러나, GaAsP계나 GaP계와 같이 도핑된 불순물 준위를 통해 강한 발광을 하는 재료도 널리 사용된다.

다양한 색상의 발광 다이오드를 만드는 데 사용되는 재료는 다음과 같다.

재료색상
알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs)적외선, 빨간색
갈륨 비소 인 (GaAsP)빨간색, 오렌지색, 노란색
인듐 질화 갈륨 (InGaN)／질화 갈륨 (GaN)／알루미늄 질화 갈륨 (AlGaN)녹색, 파란색, 보라색, 자외선, (오렌지색, 노란색)
인화 갈륨 (GaP)빨간색, 노란색, 녹색
셀렌화 아연 (ZnSe)녹색, 파란색
알루미늄 갈륨 인듐 인 (AlGaInP)오렌지색, 노란색, 녹색
다이아몬드 (C)자외선
산화 아연(ZnO)근 자외선 (개발중)



발광 다이오드의 기판으로 사용되는 재료는 다음과 같다.



인듐과 비교하여 갈륨의 자원은 부족하지 않다. 그러나 그 산출지가 주로 중화인민공화국, 카자흐스탄, 우크라이나에 편재하고, 이들 각국에 특유의 정치적 국가리스크의 관점에서 반도체 재료를 갈륨에 지나치게 의존하는 것에 대한 우려가 제기되고 있다. 이 때문에 산화아연이나 실리콘, 탄화규소와 같은 재료를 이용한 실용적인 청색 발광 다이오드의 실현이 시급해지고 있다.

8. 제조

PN 접합이 기본이지만, 실제로 발광 효율을 높이기 위해 이중 이질접합 구조나 양자 우물접합 구조를 이용하며, 이는 반도체 레이저와 기술적으로 공통점이 많다. 제조 방법으로는 기판 위에 화학기상 성장법을 이용하여 박막을 겹쳐 쌓는 방식이 사용된다.[75]

LED는 다양한 모양과 크기로 생산된다. 플라스틱 렌즈의 색상이 방출되는 빛의 실제 색상과 같을 때도 있지만, 항상 그런 것은 아니다. 예를 들어, 자외선 LED에는 자주 보라색 플라스틱이 사용되며, 대부분의 청색 소자는 무색 하우징을 가지고 있다. 조명 및 백라이트에 사용되는 것과 같은 최신 고출력 LED는 일반적으로 표면 실장 기술(SMT) 패키지에서 찾을 수 있다.


다양한 확산형 5 mm THT LED


가장 일반적인 크기의 미니어처 표면 실장 LED 이미지. 왼쪽 상단에 표시된 기존의 5mm 램프형 LED보다 훨씬 작을 수 있다.


금색 와이어 본딩 디테일이 있는 매우 작은 (1.6×1.6×0.35mm) 적색, 녹색 및 청색 표면 실장 미니어처 LED 패키지


RGB-SMD LED


11 × 44 LED 매트릭스 lapel 네임 태그 디스플레이의 합성 이미지(1608/0603형 SMD LED 사용). 상단: 21 × 86 mm 디스플레이의 절반 조금 넘는 부분. 중앙: 주변광에서 LED의 클로즈업. 하단: LED의 고유 적색광에서 LED.


7 세그먼트 2표시 발광 소자


7세그먼트 2연 표시 소자


5×7 매트릭스 표시 소자


일반적인 LED는 다음과 같은 형태로 제작된다.

  • 포탄형
  • 칩형
  • 다세그먼트형
  • * 7세그먼트형[158]
  • * 14세그먼트형
  • * 매트릭스형
  • 반사형

9. 사용에 필요한 지식


  • 전류의 양에 따라 빛의 세기가 결정되며, 최대 정격전류를 초과하면 소자가 파손되어 수명이 짧아지거나 사용할 수 없게 된다. 정전압으로 구동하면 소자의 특성 차이나 온도 변화에 따라 순방향 전압 강하가 변동하여 전류도 변하므로, 전류량을 제어하는 방법이 추천된다. 발광 다이오드의 순방향 전압 강하보다 높은 전압을 가진 직류 전원을 사용하여 저항기나 정전류 다이오드를 직렬로 연결하여 전류를 제한하는 방법이 일반적이다.[47]
  • 극성이 있으므로 애노드(양극)와 캐소드(음극)를 반대로 연결하면 발광하지 않는다. 또한 역방향 내전압이 낮아 파괴되기 쉽다.
  • GaN(질화갈륨)계 발광 다이오드는 정전기나 서지 전류에 약하므로 취급에 주의해야 한다.[48]
  • 고출력 제품은 방열판 등 방열 대책이 필요하다. 적절한 방열이 이루어지지 않으면 수명이나 성능이 저하되거나 연기, 화재가 발생할 수 있다.[49]
  • 일반적인 다이오드와 마찬가지로 극성을 가지고 있으며, 캐소드(음극)에 대해 애노드(양극)에 양전압을 가하여 사용한다. 순방향으로 가한 전압이 낮을 동안에는 전압을 높여도 전류가 증가하지 않고, 발광도 하지 않는다. 어떤 전압을 초과하면 전압 상승에 대한 전류의 증가가 급격해지고, 전류량에 따라 빛을 발하게 된다. 이 전압을 “순방향 전압강하(VF)”라고 부르며, 일반적인 실리콘을 주원료로 사용한 다이오드와 비교하면, 발광 다이오드는 순방향 전압강하가 높다.
  • 일반적인 다이오드와는 달리, 정류 용도로 LED를 사용할 수 없다. 역방향으로 전압을 인가했을 때의 내전압은, 일반적인 실리콘 다이오드보다 훨씬 낮고, 보통 -5 V 정도이다. 이를 초과하면 파괴될 위험이 있다.
  • LED를 회로에 연결할 경우에는, 원칙적으로 과도한 전류가 흐르지 않도록 저항기를 LED와 직렬로 연결해야 한다.[143] 이 목적으로 회로에 삽입되는 저항기를 "전류 제한 저항"이라고 부른다.
  • 정전압 전원에 연결하여 사용하는 경우, 전류 제한 저항을 LED와 직렬로 연결함으로써 LED에 흐르는 전류를 거의 일정하게 할 수 있다.
  • 전원 전압과 LED의 순방향으로 걸어야 하는 정격 전압이 같더라도, 전류 제한 저항을 생략하면, 자주 LED에 과도한 전류가 흘러 LED가 파손될 수 있다.[144]
  • 정전류 다이오드(CRD)를 직렬로 연결하는 등, 능동 소자로 정전류 회로를 구성함으로써 자동차나 이륜차의 배터리 등, 전원 전압이 어느 정도 변동하는 환경에서도 대응할 수 있다.
  • LED가 방출하는 빛의 세기는 전류의 양에 거의 비례한다. 하지만 특히 큰 전류 영역에서는 발광 효율이 저하되고, 그만큼 발열한다. 일반적으로 LED는 발열이 적다고 하지만, 고출력 제품에서는 상당히 발열한다. LED는 열에 약하기 때문에, 방열의 필요성은 백열전구나 형광등보다 오히려 높다. 히트싱크 등으로 적절히 방열하지 않으면 효율 저하나 수명 단축으로 LED의 장점이 사라질 뿐만 아니라, 발연·발화 등의 사고로 이어질 수 있다.
  • 연속 최대 전류, 순간 최대 전류를 초과하지 않도록 한다. 정격 전류보다 많은 전류를 LED에 흘리면 높은 광속을 얻을 수 있지만, 수명이 극단적으로 짧아진다.
  • LED는 극성을 가지고 있기 때문에, 음극과 양극을 잘못 연결하여 전압을 인가하면 LED가 발광하지 않는다. 또한 역방향에 대한 내전압이 낮기 때문에 LED가 파손되기 쉽다.
  • LED를 병렬 연결할 때는 주의가 필요하다.[146] 순방향 전압 강하 (VF)는, 일반적인 LED에서는 같은 품번의 제품이라도 개체 차이가 있으며, 병렬로 연결하면 가장 순방향 전압 강하(간단히 말하면, 전류가 흐르기 시작하는 전압)가 낮은 소자에만 전류가 집중된다. 전류 집중으로 더욱 발열하여 전기 저항과 VF 값이 감소하고, 더욱 전류 집중이 촉진되는 악순환이 일어난다.

10. 응용

LED는 낮은 소비 전력, 긴 수명, 그리고 소형화가 가능하다는 장점 덕분에 다양한 전자기기에 널리 사용되고 있다. 특히, 하나의 소자로 여러 가지 색을 표현할 수 있어 기기의 동작 모드에 따라 색을 바꾸는 등, 기기 소형화에 크게 기여했다.

초기 LED는 휘도(밝기)가 낮아 전자 기기의 동작 표시등과 같은 실내용으로만 사용되었다. 그러나 적색이나 황록색의 고휘도 LED가 개발되면서 야외에서도 사용되기 시작했다. 전광판은 물론이고, 철도역의 발차표 등에도 LED가 사용되었다.

고출력 발광 다이오드가 장착된 LED 스타베이스(Luxeon, Lumileds)


고휘도 청색, 녹색, 그리고 이를 응용한 백색 LED가 등장하면서 LED의 활용 범위는 더욱 넓어졌다. 풀컬러 대형 디스플레이, 손전등이나 신호등의 전구 대체, 자동차 방향 지시등 및 브레이크등, 각종 조명 등 다양한 분야에서 LED가 사용되고 있다. 특히 브레이크등에 LED를 사용하면, 전구보다 브레이크 페달을 밟은 후 점등될 때까지의 시간 지연이 짧아져 안전성이 향상된다. 2006년에는 일본 최초로 초고휘도 LED를 사용한 전조등이 JR 도카이 313계 전차에 채용되었고, 2012년에는 도쿄 스카이 트리의 야간 조명이 모두 LED로 설치되었다.

하지만 발광 다이오드 자체의 수명은 길지만, 사용 환경에 따라 수지 열화로 인해 광량이 줄어드는 경우가 있어, LED 교체나 기판 교체와 같은 유지보수가 필요할 수 있다는 점은 앞으로 해결해야 할 과제이다.

색각 이상이 있는 사람들은 발광 다이오드의 색을 구별하기 어려워하는 경우가 있다. 예를 들어, 적색, 주황색, 황색, 황록색, 녹색 LED가 모두 같은 색으로 보일 수 있다. 따라서 교통 신호등 외에도 색각 이상자를 위한 대책 마련이 필요하다.

  • 교통 신호등:


기존 백열전구를 사용한 신호등은 전구 수명이 짧아 잦은 유지보수가 필요했다.[160] 그러나 2000년대 이후 LED 제조 비용이 하락하면서, 에너지 절약적이고 내구성이 높은 LED가 철도 및 도로 교통 신호등에 널리 사용되기 시작했다.

백열전구를 사용한 신호등은 큰 외함이 필요했고,[160] 컬러 렌즈를 통해 색을 표현했기 때문에 태양광이 들어오면 실제 점등 부위와 구별하기 어려운 유사 점등 현상이 발생했다.[161] 반면, LED 신호등은 렌즈 자체가 무색이고, LED도 점등하지 않으면 무색이므로 유사 점등 현상을 방지할 수 있다.

  • 각종 안내판:

역의 발차 안내 표시판, 공항의 출발 안내판, 철도 차량 및 버스의 행선 표시, 택시의 탑승 여부 표시기 등에도 기존의 플랩식, 자막식, 막식을 대신하여 LED가 널리 보급되었다.[163]

초기에는 적색, 황록색, 주황색의 3색(주황색은 적색과 황록색 LED로 표현) LED 표시기가 사용되었지만, 이후 백색 LED를 탑재한 것, 단색(적색, 청색, 녹색), 2색 혼색(황색, 청록색, 마젠타), 3색 혼색(백색)으로 총 7색을 표현하는 멀티 컬러 LED, 그리고 고휘도 적색, 청색, 녹색 LED로 모든 색을 표현하는 풀 컬러 LED도 등장했다.

  • 대형 전광판 및 상점 간판:

대형 전광판의 발광 소자로 사용되던 CRT이나 VFD를 대체하여 LED가 사용되고 있다. 기존 방식보다 비용과 휘도가 우수하여 널리 보급되었다. 상점 간판에서도 형광등(FL 형광관)을 대체하여 LED 모듈 등 LED 제품이 널리 사용되고 있으며, 간판의 소형화, 경량화, 고장 감소, 비용 절감 등의 장점을 제공한다.

  • 액정 디스플레이 백라이트:

액정 디스플레이의 백라이트 광원으로 냉음극관 대신 RGB 3색 LED를 사용하면 색 순도가 높아져 색 재현 범위를 넓힐 수 있고, 전력 소비도 줄일 수 있다. 이러한 장점 덕분에 LED 백라이트 방식이 널리 보급되었다. '''LED TV'''는 일반적으로 LED 백라이트를 탑재한 액정 TV를 가리킨다.

  • 마이크로LED:


발광 소자에 초소형 LED를 채용한 디스플레이로,[169] 액정 디스플레이나 유기EL 디스플레이보다 화질과 수명 면에서 우수하다고 평가받지만,[170] 구현 비용 문제로 일반 가정용 디스플레이에서는 개발이 더디게 진행되고 있다.

  • LED 조명:


백색 LED의 개발로 에너지 절약, 고휘도, 긴 수명을 실현할 수 있게 되면서, 백열전구나 형광등을 대체하는 실내외 조명 재료로 LED 조명이 각광받고 있다. LED는 디자인이나 광색 조절이 비교적 쉬워 전구나 형광등보다 자유도가 높은 조명이 가능하다. 현재는 손전등, 승용차용 램프, 전구형 조명, 스포트라이트, 야간등, 사이드 조명, 가로등, 도로조명등 등 다양한 분야에서 LED 조명이 사용되고 있다.

일본에서는 백열전구와 형광등을 모두 LED 조명으로 교체하면 원자력발전소 13기분에 해당하는 전력을 절약할 수 있다는 연구 결과도 발표되었다.[172]

  • 자동차 및 자전거 램프:

자동차에서는 2000년대 후반부터 테일램프(미등)용 광원으로 LED가 사용되기 시작했다. LED는 수명이 길고, 점등 속도가 빨라 안전성이 높다는 장점이 있다. 2007년에는 세계 최초로 LED 헤드램프가 렉서스 LS(LS600h)에 탑재되었다.[177]

자전거 램프의 경우, LED 보급률이 자동차보다 빠르게 상승했다. LED는 소비 전력이 적어 페달을 밟는 힘을 줄일 수 있고, 비접촉식 발전기에서도 충분한 전력을 얻을 수 있으며, 건전지 수명도 길다는 장점이 있다.

  • 무대 조명:

고휘도 LED를 탑재한 무대 조명 기구는 소비 전력이 적고, 하나의 조명으로 다양한 색상을 표현할 수 있다는 장점 덕분에 할로겐 백열전구 방식의 무대 조명을 대체하고 있다.

  • 태양광 LED 조명:

LED의 낮은 전력 소비량을 활용하여 태양전지와 충전식 배터리를 결합한 LED 조명 장치가 제작되었다. 외부 전력 공급 없이 정원 등에 설치하여 사용할 수 있다.

  • LED 프린터:

레이저 프린터의 광학계 정밀도 문제와 소형화의 어려움을 해결하기 위해 LED 어레이 헤드를 사용한 LED 프린터가 개발되었다. LED 프린터는 기계적 구동계가 불필요하고, 광학계가 간단하여 신뢰성 향상, 비용 절감, 기기 소형화를 실현했다.

11. 기타

서울반도체에서 개발한 LED는 DC-DC 컨버터 없이 AC 전원으로 작동할 수 있다. 각 반주기 동안 LED의 일부는 빛을 내고 일부는 어둡게 되며, 다음 반주기에는 이것이 반대로 바뀐다. 이러한 유형의 HP-LED의 효율은 일반적으로 40lm/W이다.[54] 직렬로 연결된 많은 수의 LED 소자는 직접적으로 전원 전압으로 작동할 수 있다. 2009년, 서울반도체는 'Acrich MJT'라는 고전압 DC LED를 출시했는데, 이는 간단한 제어 회로를 사용하여 AC 전원으로 구동할 수 있다. 이러한 LED의 낮은 전력 소비는 기존의 AC LED 설계보다 더 큰 유연성을 제공한다.[128]

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