LED 발광원리·종류·특징

왜 배우는가: LED는 고효율·장수명 조명의 핵심 광원이어서 실무 설계에서 발광 원리와 재료 특성을 알아야 등기구·드라이버·방열 설계를 판단할 수 있다. 시험에서는 발광 원리, 직접천이형 반도체와 파장의 관계, 백색광 구현 방식이 반복적으로 출제된다.

출제 이력: 제139회 1교시 10번, 제94회 3교시 3번, 제89회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

LED는 p-n 접합 반도체에 순방향 전압을 가해 전자와 정공이 재결합할 때 에너지를 빛으로 방출하는 반도체 발광소자이다.

• 전기발광(Electroluminescence)
• p-n 접합
• 재결합(Recombination)
• 직접천이형 반도체(Direct Transition Semiconductor)
• 에너지 밴드갭(Band Gap)
• 형광체 변환
• 백색 LED
• 연색성(CRI)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 LED는 전기를 흘려 빛을 만드는 작은 반도체 조각이다. 백열전구처럼 필라멘트를 달궈 빛을 내는 것이 아니라, 전자가 에너지를 잃으면서 바로 빛이 나온다.

정식으로는 반도체 p형과 n형을 접합한 구조에 순방향 전압을 걸면, n형의 전자(Electron)가 p형 쪽으로 이동하여 정공(Hole)과 만난다. 이때 전자가 전도대에서 가전자대로 떨어지며 밴드갭에 해당하는 에너지를 광자로 내보내는 현상을 재결합이라 한다. 이처럼 전류로 빛을 얻는 현상을 전기발광이라 한다.

재결합이 빛을 내는 복사 재결합(radiative recombination)이면 광자가 나오고, 열로 에너지가 빠지는 비복사 재결합이면 열이 생긴다. 발광 효율을 높이려면 복사 재결합이 많아야 하므로 재료 선택이 중요하다.

발광 파장은 밴드갭 에너지 Eg로 정해진다. 근사식은 다음과 같다.

$\lambda \approx \frac{1240}{E_g}\ (\text{nm})$

여기서 \lambda는 발광 파장(nm), E_g는 밴드갭 에너지(eV)이다. 밴드갭이 크면 단파장(청·자색) 빛이 나오고, 작으면 장파장(적색) 빛이 나온다.

직접천이형 반도체(direct transition)는 전도대의 전자와 가전자대의 정공이 운동량 변화 없이 바로 만나 재결합하는 반도체이다. 이 경우 에너지가 거의 모두 광자로 나와 발광 효율이 높다. 반대로 간접천이형 반도체(indirect transition)는 격자 진동을 함께 거쳐야 하므로 빛보다 열이 많이 나와 LED 재료로는 불리하다. 그래서 고휘도 LED는 GaAs, GaN, AlGaInP, InGaN 같은 III-V족 화합물 반도체를 쓴다.

한편 일반 LED 광은 좁은 파장 대역이므로 백색광이 되지 않는다. 백색광은 여러 색을 섞거나 형광체로 파장을 바꾸어 만든다.

3. 등장 배경과 필요성

반도체에 전압을 가했을 때 빛이 나는 현상은 1923년 탄화규소(SiC) 결정에서 처음 관측되었다. 이후 1923년에 보고된 비소화갈륨(GaAs) p-n 접합에서의 발광 효율이 연구의 출발점이 되었다. 1960년대 말에는 적색 LED가 실용화되었다.

초기 LED는 간접천이형 반도체에 불순물을 넣어 파장을 조정했으나 발광 효율이 낮았다. 고휘도 LED를 만들기 위해 직접천이형 화합물 반도체가 필수가 되었고, 청색 LED의 개발로 백색 조명이 가능해졌다.

조명 분야에서 LED가 필요한 이유는 다음과 같다. 백열등과 형광등에 비해 전력당 광속(효율)이 높고, 수명이 길며, 점등·소등이 빠르다. 또한 저전압 직류로 구동되어 제어가 쉽다. 이런 장점이 에너지 절감과 유지관리 비용 절감으로 이어져 건축전기설비에서 LED 채택이 빠르게 늘었다.

백색 LED는 청색 LED와 황색 형광체의 조합이 가장 널리 쓰인다

4. 구성요소·원리·절차

LED 소자는 p형 반도체와 n형 반도체가 맞닿은 p-n 접합(p-n junction)을 기본 구조로 한다. 접합부 양쪽에서 전자와 정공이 만나 재결합할 때 두 캐리어가 잃는 에너지가 광자로 방출되는 것이 발광의 핵심이다. 구성요소를 역할별로 나누면 아래 표와 같다.

표의 구성은 발광 물리와 실장 구조를 함께 보여 준다. 칩이 빛을 만들고, 형광체와 패키지가 색과 배광을 바꾸며, 드라이버가 전류를 안정시키는 역할 분담이다. 방열은 칩 온도가 오르면 발광 효율과 수명이 떨어지므로 함께 설계해야 한다.

원리는 다음과 같다. 순방향 전압을 가하면 n층의 전자가 p층 쪽으로 이동하고, 접합부에서 정공과 만나 재결합한다. 이때 직접천이형(direct transition) 반도체에서는 전도대 아래 전자가 가전자대 정공과 수직 천이하며 거의 밴드갭 에너지와 같은 광자가 나온다. 간접천이형 반도체는 운동량 보존을 위해 격자 진동이 끼어들어 발광 효율이 낮고 열이 많이 난다. 그래서 고휘도 LED에는 직접천이형 화합물(III-V족 등)을 쓴다.

발광 파장과 밴드갭의 관계는 다음 식으로 나타낸다.

$\lambda = \frac{hc}{E_g} \approx \frac{1240}{E_g}$

여기서 \lambda는 발광 파장(nm), h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도, E_g는 밴드갭 에너지(eV)이다. 예를 들어 E_g가 2.0eV이면 \lambda \approx 620nm로 적색 계열이 된다. 밴드갭이 클수록 파장은 짧아지고 청색 쪽으로 이동한다.

순방향 강하전압은 발광색에 따라 다르다. 적색·황색 계열은 약 2V 안팎, 청색·백색은 약 3~3.5V 수준이다. 광속은 대체로 순방향 전류에 비례하므로 구동 전류 제어가 조광의 기본이다.

발광 절차는 다음 순서로 정리한다.

• 드라이버가 정전류를 공급하여 p-n 접합에 순방향 전압을 가한다.
• 전자와 정공이 접합부로 주입되어 활성층에서 만난다.
• 재결합 시 밴드갭 에너지에 해당하는 광자가 방출된다.
• 백색은 형광체가 청색광 일부를 흡수해 황색 등으로 변환하여 혼합한다.
• 패키지 렌즈와 반사판이 빛을 원하는 방향으로 모은다.
• 발생한 열은 기판과 방열체를 통해 외부로 빼낸다.

도식 설명은 아래 구성도 블록으로 대신한다.

5. 관련 법령·기준·표준

LED 조명에 직접 적용되는 법정 기준은 주로 조명기구의 안전·성능과 에너지 효율에 관한 것이다. 설계 단계에서는 조도·휘도 기준을 건축물 용도별 기준(KDS 조명 관련 규정, 건축물의 에너지 절약 설계기준)과 함께 본다. 세부 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓴다.

위 표의 수치는 LED 소자와 백색 LED 방식에 관한 기술 자료에서 확인된 값이다. 실제 설계에서는 제품 사양서의 광속·효율 값을 우선한다. 개정 연혁으로는 소방이나 전기와 달리 LED 자체를 규정한 단일 법령보다 조명기구·에너지 절약 기준이 여러 차례 갱신되어 왔다는 점을 기억하면 된다.

LED 발광 파장은 밴드갭 에너지로 결정되고, 백색은 청색칩과 형광체 또는 RGB 혼합으로 만든다.

6. 유형과 비교

LED는 발광색, 패키지 형태, 백색을 얻는 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 유형별 차이를 알아 두면 용도에 맞는 광원을 고르는 근거를 답안에 쓸 수 있다.