LED 발광 원리·종류·특징

LED란 무엇인가

LED는 p-n 접합 반도체에 전기를 흘려 빛을 내는 발광 소자다.

백열전구처럼 필라멘트를 달구지 않고, 전자가 에너지를 잃으면서 바로 빛이 난다.

이처럼 전류로 빛을 얻는 현상을 전기발광이라 한다.

발광 원리

순방향 전압을 걸면 n형의 전자가 p형 쪽으로 이동한다.

정공은 반대로 p형에서 n형 쪽으로 움직여 접합부에서 전자와 만난다.

재결합할 때 잃은 에너지가 광자로 나오면 빛이 된다.

열로 빠지는 재결합이 많으면 발광 효율이 떨어진다.

밴드갭과 파장

빛의 파장은 밴드갭 에너지 Eg로 정해지며 λ≈1240/Eg(nm)로 근사한다.

예를 들어 Eg가 2.0eV이면 파장은 약 620nm로 적색 계열이 된다.

Eg가 2.7eV이면 약 459nm로 청색 계열이 된다.

밴드갭이 클수록 파장이 짧아지고 청색 쪽으로 이동한다.

직접천이형 반도체

직접천이형 반도체는 전도대의 전자와 가전자대의 정공이 바로 만나 재결합한다.

운동량 변화가 없어 에너지가 거의 모두 광자로 나오므로 효율이 높다.

간접천이형은 격자 진동이 끼어들어 열이 많아 LED 재료로 불리하다.

그래서 고휘도 LED에는 GaAs, GaN, InGaN 같은 III-V족 화합물을 쓴다.

백색광 구현 방식

백색광은 여러 색을 섞거나 형광체로 파장을 바꾸어 만든다.

형광체 변환형은 청색 LED에 황색 형광체를 더한다. 효율과 가격에서 유리하다.

RGB 혼합형은 적·녹·청 칩을 섞는다. 색을 자유롭게 바꾸는 연출 조명에 적합하다.

두 방식은 스펙트럼과 제어 방식이 달라 용도에 맞게 고른다.

열 관리와 수명

LED 칩의 접합부 온도가 오르면 광속이 떨어지고 수명도 짧아진다.

그래서 방열 구조를 확보하고 정격 전류 안에서 구동하는 것이 원칙이다.

드라이버와 조광 방식이 맞지 않으면 깜빡임이나 색 변화가 생긴다.

정리

정리하면 LED는 재결합으로 빛을 내는 반도체 소자다.

발광 파장은 밴드갭으로 정해지고, 직접천이형 재료가 효율에 유리하다.

백색은 형광체 변환과 RGB 혼합으로 만들며, 방열 설계를 함께 검토한다.