LED(light emitting diode) 구동원리

①LED 란?
LED(light emitting diode)라고도 한다. 반도체에 전압을 가할 때 생기는 발광현상은 전기 루미네선스[전기장발광]라고 하며, 1923년 탄화규소 결정의 발광 관측에서 비롯되는데, 1923년에 비소화갈륨 p-n 접합에서의 고발광효율이 발견되면서부터 그 연구가 활발하게 진행되었다. 1960년대 말에는 이들이 실용화되기에 이르렀다.

발광다이오드에 적합한 재료로는 ① 발광파장이 가시(可視) 또는 근적외영역(近赤外領域)에 존재할 것, ② 발광효율이 높을 것, ③ p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 것으로서 주로 비소화갈륨 GaAs, 인화갈륨 GaP, 갈륨-비소-인 GaAs1-x Px, 갈륨-알루미늄-비소 Ga1-xAlxAs, 인화인듐 InP, 인듐-갈륨-인 ln1-xGaxP 등 3 B 및 5 B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있는데, 2 B, 6 B족이나 4 A, 4 B족인 것에 대하여도 연구가 진행되고 있다.

발광기구는 크게 나누어 ① 자유 캐리어의 재결합에 의한 것과, ② 불순물 발광중심에서의 재결합에 의한 것이 있다. ①에서 발광파장은 대략 ch/Eg(c 는 광속, h 는 플랑크 상수, Eg 는금지띠의 에너지폭)와 같으며, 비소화갈륨의 경우에는 약 900nm인 근적외광이 된다. 갈륨-비소-인에서는 인의 함유량 증가에 따라 Eg가 증가하므로 가시발광 다이오드가 된다.

한편, ②에서는 발광파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류에 따라 다르다. 인화갈륨인 경우, 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 적색(파장 700nm)이고, 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 550nm)이다. 발광 다이오드는 종래의 광원(光源)에 비해 소형이고, 수명은 길며, 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율(率)이 좋다.

또한 고속응답이라 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자표시 장치나 계산기의 카드 판독기 등에 쓰이고 있다. 또, 주입형 반도체 레이저는 주입 밀도가 매우 높은 발광 다이오드의 일종이며, 반전분포(反轉分布)가 발생하여 간섭성(干涉性) 빛을 생기게 할 수 있다.

Light-Emitting Diode 의 약어인 LED는 일반 전자기기의 표시등 이나 숫자 표시에 사용됨으로써 우리생활과 친숙해졌다. 초창기에는 낮은 휘도와 색깔의 한계가 있었으나 현재 새로운 LED 원재료와 진보된 생산기술로 백색을 포함한 가시광선 영역의 모든 색깔의 고휘도 LED가 생산되고 있으며 이러한 고휘도, 고효율, 다양한 색깔의 LED는 이미 선진국 및 국내에서 대형 전광판, 비상구등, 교통신호등, 승용차/트럭 각종표시등에 응용되고 있다. LED는 작고, 가볍고, 내구성이 크며, 긴수명은 향후 한층 더 광범위한 영역에서 응용되어질 것이며 많은 전문가들은 우리가 일상생활에서 접하는 기존 광원을 결국은 대체할 것으로 전망하고 있다.

LED는 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 Positive-negative 접합(Junction)부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데 전자와 정공이 떨어져 있을때보다 작은 에너지가 되므로 이때 발생하는 에너지의 차이로 인해 빛을 방출한다. 이렇게 빛을 방출하는 칩은 보편적으로 0.25㎟로 매우 작으며 LED 크기는 플라스틱 렌즈와 리드프레임으로 결정된다. 현재 가장 보편적으로 사용하는 LED는 5㎜(T 1 3/4) 플라스틱 Package이나 특정 응용분야에 따라 새로운 형태의 Package를 개발하고 있다.

②LED 광원의 특징

단파장의 발광 Diode는 이하에 나타내는 것과 같은 뛰어난 특징을 갖고 있다. 환경 친화적이고 안전한 "새로운 고체소자 조명광원"으로서 21세기를 향하여 그 실용화가 기대된다.
1) 광변환 효율이 높기 때문에 소비전력이 매우 적다.(전구의 1/8, 형광등의 1/2)
2) 작은 광원이기 때문에 소형화, 박형화, 경량화를 할 수 있다.
3) 수명이 길다.(50~100배)
4) 열적 방전적 발광이 아니기 때문에 여열시간이 불필요하여 점등, 소등속도가 매우 빠르다. (200만배)
5) 점등회로, 구동장치 등의 기구를 간이로 할 수 있어 부속품이 적게 든다.
6) gas, filament 가 없기 때문에 충격에 강하고 안전하다.
7) 안정적인 직류 점등방식을 위한 소비전력이 적고 높은반복, pulse 동작이 가능하다.
8)시신경의 피로를 저감할수 있다.
9) intelligent 조명광원이다.
10) 반영구적인 사용이기 때문에 쓰레기를 발생시키지 않는다.
11) 형광등과 같은 수은, 방전용 gas를 사용하지 않기 때문에 환경 친화적인 조명광원이다.

 

      반도체의 pn접합에 전류를 흘려 빛이 방출되도록 한 다이오드. LED라고도 한다.    반도체다이오드의 pn접합에 전류가 흐르면 n형반도체의 전자는 p형반도체 영역으로,    p형반도체의 양공(陽孔)은 n형반도체 영역으로 확산된다. 이들 전자와 양공은 각각의   영역에 있는 양공·전자와 재결합하는데, 이때 반도체의 금지대 폭에 맞는 에너지에   대응하는 파장의 빛을 방출한다.

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