LED·OLED 광원

왜 배우는가: LED와 OLED는 조명과 디스플레이를 모두 바꾼 광원이라 실무 설계에서 효율·수명·연색성 비교가 매일 쓰인다. 시험에서도 1교시 용어형과 3교시 논술형에 반복해 나오므로 원리와 특성을 함께 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제112회 1교시 4번, 제100회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

LED는 p형과 n형 반도체의 접합면에서 전자와 정공이 재결합하며 빛을 내는 반도체 광원이고, OLED는 유기화합물 박막에 전류를 흘려 발광시키는 자발광 광원이다.

• 전기발광(Electroluminescence)
• p-n 접합(p-n junction)
• 재결합 발광(Recombination)
• 유기발광층(Organic emissive layer)
• 자발광(Self-emission)
• 광효율(lm/W)
• 수명(lumen maintenance)
• 연색성(CRI)

2. 개념 풀이

LED를 쉽게 말하면 전기를 흘려 스스로 빛을 내는 작은 반도체 칩이다. 백열등처럼 필라멘트를 달궈 빛을 만들지 않고, 전자가 에너지 차이를 넘으며 내는 빛을 쓴다. 정식으로는 n형 반도체의 전자가 p형 반도체의 정공과 결합할 때 방출되는 에너지가 빛으로 나오는 현상을 이용한 소자다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. p-n 접합은 양(+) 성격의 정공이 많은 p형과 음(-) 성격의 전자가 많은 n형을 맞붙인 구조다. 순방향 전압을 걸면 전류가 흐르며 두 층의 경계에서 재결합 발광이 일어난다. 발광 파장은 반도체 재료의 밴드갭에 따라 정해지므로 재료에 따라 자외선부터 적외선까지 색이 달라진다.

OLED는 유기(organic) 화합물이 전기발광을 하는 얇은 막을 두 전극 사이에 둔 소자다. 유기물은 pi 전자의 비국재화로 전기가 통하는 유기 반도체 성질을 가진다. 한 화소가 스스로 빛을 내므로 LCD처럼 뒤쪽 백라이트가 필요 없다. 즉 OLED는 LED와 같은 전계발광 원리를 쓰되, 발광층 재료가 무기 반도체 결정이 아니라 유기 박막이라는 점이 다르다. OLED는 얇고 면 전체가 빛나는 면광원을 만들기 쉽다.

3. 등장 배경과 필요성

전기발광 현상은 1923년 탄화규소 결정의 발광이 관측되며 알려졌다. 이후 비소화갈륨(GaAs) p-n 접합에서 고발광효율이 확인되며 연구가 본격화됐고, 1960년대 말에 실용화됐다. 초기 LED는 빨강 계열 표시등에 주로 쓰였다.

조명 분야에서 LED가 필요해진 이유는 효율에 있다. 백열전구는 사용 전기에너지의 대부분을 열로 내보내 효율이 10~15lm/W 수준에 머물렀다. 형광램프도 약 60lm/W 수준이었다. LED는 기술 발전으로 효율이 빠르게 올라 현재 상용 제품 기준 높은 효율이 보고되고 있으며, 상용화된 고효율 램프는 200lm/W를 넘는다는 자료도 있다. 수명도 길어 상용 LED 시스템은 관련 기준이 정한 시간 이상 작동하는 것으로 알려져 있다. 수명은 초기 광속의 70% 이하로 떨어지는 시점으로 정의하는 것이 업계 관례다.

OLED는 디스플레이 분야에서 먼저 쓰였다. LCD의 백라이트 없이 자발광으로 명암비와 시야각이 우수하고, 박막·유연 기판에 적용할 수 있기 때문이다. 이후 밝은 OLED가 면 조명 요소로 개발되면서 조명 광원으로 확장되고 있다. OLED는 인쇄 전자 공정으로도 제조할 수 있어 제조 비용을 낮출 여지가 있다.

4. 구성요소·원리·절차

LED 램프는 발광 소자인 LED 칩과 이를 구동하는 전원 회로, 열을 빼내는 방열 구조, 빛을 모으는 광학 부품으로 이루어진다. 발광의 핵심은 칩 내부의 p-n 접합이다. 칩에 순방향 전압을 가하면 n형 반도체의 전자가 p형 쪽으로 이동하여 정공과 재결합하고, 이때 생긴 에너지가 빛으로 방출된다. 방출되는 빛의 파장, 즉 색은 반도체 재료의 밴드갭(에너지 간격)으로 정해진다.

LED 발광은 전기에너지를 반도체 접합부의 전자-정공 재결합으로 빛에너지로 바꾸는 현상이다.

백색 LED는 청색 LED 칩에 황색 형광체를 덮어 만드는 방식이 널리 쓰인다. 청색광 일부가 형광체를 통과하고 나머지는 형광체에서 황색광으로 바뀌어 두 빛이 섞여 백색이 된다. 이 방식에서는 형광체의 조성에 따라 색온도와 연색성이 달라진다.

LED 램프의 동작 절차는 다음과 같다.

• 교류 전원을 드라이버 회로에서 정전류 직류로 변환한다.
• 정전류가 LED 칩의 p-n 접합에 순방향으로 흐른다.
• 전자와 정공이 접합부에서 재결합하며 빛을 낸다.
• 칩에서 발생한 열을 방열 구조가 외부로 배출한다.
• 광학 부품이 빛을 원하는 방향과 배광으로 분배한다.

광효율(lm/W)은 입력 전력 대비 발생한 광속의 비율이다. 광효율은 칩 자체의 효율과 드라이버·광학 손실을 합쳐 결정된다. 램프 광효율은 다음과 같이 나타낸다.

$\eta_{lamp}=\frac{\Phi_{v}}{P_{in}}$

\Phi_v는 광속(lm), P_{in}은 입력 전력(W)이다. 드라이버 손실이 있으므로 \eta_{lamp}는 칩 효율보다 낮다.

한편 OLED는 유기 화합물 박막이 발광층이다. 두 전극 사이의 유기층에 전류가 흐르면 전자와 정공이 유기층 안에서 결합하여 발광한다. 발광층이 면 전체에 얇게 깔리므로 면발광이 가능하고, 각 화소가 자체 발광하므로 별도의 백라이트가 필요 없다. 유기층은 여러 층으로 적층되어 전자 주입·수송·발광·정공 수송 기능을 나눠 맡는다.

OLED 조명의 절차는 다음과 같다.

• 투명 전극(양극)과 금속 전극(음극) 사이에 유기층을 적층한다.
• 두 전극에 직류 전압을 가하여 전자와 정공을 각각 주입한다.
• 유기 발광층에서 전자와 정공이 재결합하여 빛을 낸다.
• 빛은 투명 전극을 통해 면 형태로 방출된다.

5. 관련 법령·기준·표준

LED 조명과 OLED 조명을 직접 규정하는 단일 법령은 없다. 조명 설계는 건축물의 조도 기준, 에너지 절약 관련 기준, 전기설비 기준을 따른다. 전기설비 측면에서는 2021-01-01 부터 시행되는 한국전기설비규정(KEC)이 배선과 기구 설치의 기준이 된다. 조도와 배광 설계는 KS 조명 관련 규격과 건축물 설계 기준을 따른다.

아래 표는 LED·OLED 조명의 성능 판정에 쓰는 기준값이다. 값은 설계와 평가에서 널리 쓰이는 기준이다.

수명 기준은 LED는 광속 70% 유지 시점, OLED는 초기 밝기 대비 일정 비율 감소 시점으로 정의된다. 두 정의가 다르므로 수명을 비교할 때 기준을 같게 맞춰야 한다. 광효율은 제품과 시기에 따라 값이 달라지므로 설계 시 제조사 시험 성적서의 값을 쓴다.

개정 연혁으로는 2021-01-01 한국전기설비규정 시행이 있다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 이때 대체되었다.

6. 유형과 비교

LED 광원은 반도체 칩의 재료와 구조에 따라 무기 LED와 유기 EL(OLED)로 나뉜다. 무기 LED는 p형과 n형 무기 반도체의 접합에서 발광하고, OLED는 유기 화합물 박막의 전기발광으로 발광한다. 두 방식은 발광층의 물질이 달라 구동 전압, 면발광 특성, 적용 분야가 다르다.