LED – 발광 다이오드(Light Emitting Diode)

발광 다이오드는 순방향으로 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자이다.
LED (한국어: 엘이디, 영어: Light Emitting Diode)라고도 불리며,
발광 원리는 전계 발광 (영어: Electroluminescence) 효과를 이용하고 있다.
또한 수명도 백열전구보다 상당히 길다.


발광색은 사용되는 재료에 따라서 다르며 자외선영역에서 가시광선, 적외선 영역까지 발광하는 것을 제조할 수 있다.
일리노이 대학의 닉 호로니악에 의하여 1962년에 최초로 개발되었다.
오늘까지 여러가지 용도로 사용되었으며 향후 형광등이나 전구를 대체할 광원으로 기대되고 있다.

원리
발광 다이오드는 반도체를 이용한 PN 접합이라고 불리는 구조로 만들어져 있다.
발광은 PN 접합에서 전자가 가지는 에너지를 직접 빛 에너지로 변환되어,
거시적으로는 열이나 운동에너지를 필요로 하지 않는다.
전극으로부터 반도체에 주입된 전자와 정공은 다른 에너지띠 (전도띠나 원자가띠)를 흘러 PN 접합부 부근에서 띠간격를 넘어 재결합한다. 재결합할 때 거의 띠간격에 상당한 에너지가 광자, 즉 빛으로 방출된다.

전기적 특성
다른 일반적인 다이오드와 동일하게 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.
발광색에 따라 다르지만, 빨간색, 오렌지색, 노란색, 초록색에서는 2.1V 정도이다.
빨간빛을 내지 않는 것은 1.4V 정도이다. 백색과 파란색은 3.5V 정도이다. 고출력 제품은 5V 전후인것도 있다.


발광할 때 소비 전류는 표시등 용도에서는 수 mA ~ 50 mA정도 이지만, 조명 용도에서는 소비 전력이 수W단위의 대출력 발광 다이오드도 판매되고 있어 구동 전류가 1 A 를 넘는 제품도 있다.


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



광학적 특성

형광등이나 백열등같은 다른 대다수 광원과 다르게 불필요한 자외선이나 적외선을 포함하지 않는 빛을 간단하게 얻을 수 있다. 그렇기 때문에 자외선에 민감한 문화재나 예술 작품이나 열조사를 꺼리는 물건의 조명에 사용된다. 입력 전압에 대한 응답이 빨라서 통신에도 사용되고, 조명으로 사용할 경우는 점등하자마자 최대 빛의 세기를 얻을 수 있다.



재료

발광되는 빛의 파장 (색)은 PN 접합을 형성하는 소재의 띠간격의 크기와 관련있다.
발광 다이오드는 근적외선이나 가시광선, 자외선에 이르는 파장에 대응하는 띠간격을 가지는 반도체 재료가 이용된다.
일반적으로 발광 다이오드에는 발광재결합 확률이 높은 직접 천이형의 반도체가 적합하고, 일반적인 반도체 재료인 규소 (실리콘)나 게르마늄같은 간접 천이형 반도체에서는 전자나 정공이 재결합할 경우에 빛을 방출하기 어렵다. 그러나 노란색이나 황녹색에 오랫동안 사용되어온 GaAsP계나 GaP계는 도핑한 불순물 준위를 개입시켜 강한 발광을 하는 재료도 있어서 넓게 사용되고 있다.


아래의 소재를 사용하여 다양한 색의 발광 다이오를 만들 수 있다.


알루미늄 갈륨 비소 (AlGaAs) – 적외선, 빨간색
갈륨 비소 인 (GaAsP) – 빨간색, 오랜지색, 노란색
인듐 질화 갈륨 (InGaN)/질화 갈륨 (GaN)/알루미늄 질화 갈륨 (AlGaN) – (오랜지색, 노란색)녹색, 파란색, 보라색, 자외선
인화 갈륨 (GaP) – 빨간색, 노란색, 녹색
셀렌화 아연 (ZnSe) – 녹색, 파란색
알루미늄 인듐 갈륨 인 (AlGaInP) – 오랜지색, 노란색, 녹색
다이아몬드 (C) – 자외선
산화 아연(ZnO) – 근 자외선 (개발중)
아래는 기판으로 사용되고 있다.


탄화 규소 (SiC) 기판 – 파랑
사파이어 (Al2O3) 기판 – 파랑
규소 (Si) 기판 – 파랑 (연구 단계)

출처: 위키백과 – 발광 다이오드

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