발광 다이오드(LED)는 전계발광이라는 과정을 통해 빛을 생성하는 효율적인 반도체입니다. 백열등이나 형광등보다 작고 오래 지속되며 신뢰성이 높습니다. 조명, 디스플레이 및 특수 분야에 응용되는 LED는 고성능과 에너지 절약 기능을 제공합니다. 이 기사에서는 LED의 작동 방식, 특성, 수명 및 고급 유형에 대한 정보를 제공합니다.
씨1. LED 개요
씨2. 반도체의 발광
씨3. LED 전기적 특성
LED 개요
발광 다이오드(LED)는 전류가 순방향으로 흐를 때 빛을 생성하는 반도체 소자입니다. 필라멘트를 가열하여 빛나는 백열전구나 가스 여기에 의존하는 형광등과 달리 LED는 전자가 반도체 내부의 정공과 재결합할 때 광자를 직접 방출하는 전자발광을 통해 작동합니다. 이 프로세스를 통해 이전 기술보다 훨씬 더 효율적이고 안정적입니다. LED는 컴팩트한 디자인, 긴 서비스 수명, 충격 및 진동에 대한 내구성, 최소한의 전력 소비로 인해 돋보입니다.
반도체의 발광
이 이미지는 LED의 작동 원리인 반도체의 발광 과정을 설명합니다. 반도체가 전류나 광 주입에 의해 여기되면 전자는 원자가 대역에서 전도대로 이동하여 전자와 정공 사이에 분리가 생깁니다. 이 에너지 차이를 밴드 갭(Eg)이라고 합니다.
일단 여기되면 전도대의 전자는 결국 원자가 대의 정공과 재결합합니다. 이 재결합 과정에서 손실된 에너지는 광자의 형태로 방출됩니다. 방출된 광자의 에너지는 물질의 밴드 갭과 정확히 일치하며, 이는 빛의 파장(또는 색상)이 반도체의 밴드 갭에 따라 달라진다는 것을 의미합니다.
LED 전기적 특성
| LED 색상 | 순방향 전압(Vf) | 순방향 전류(mA) | 노트 |
|---|---|---|---|
| 빨간색 | 1.6 – 2.0 볼트 | 5 – 20 mA | 최저 Vf, 고효율 |
| 녹색 | 2.0 – 2.4 볼트 | 5 – 20 mA | 약간 더 높은 Vf |
| 파란색 | 2.8 – 3.3 볼트 | 5 – 20 mA | 더 많은 전압이 필요합니다 |
| 화이트 | 2.8 – 3.5 볼트 | 10 – 30 mA | 청색 LED + 형광체 코팅으로 제작 |
LED 발광 출력 및 효능
| 광원 | 효능(와트당 루멘) | 노트 |
|---|---|---|
| 백열전구 | \~10–15 lm/W | 대부분의 에너지는 열로 손실됩니다 |
| 할로겐 램프 | \~15–25 lm/W | 백열등보다 약간 낫다 |
| 형광등 | \~50–100 lm/W | 안정기 필요, 수은 함유 |
| 소형 형광등(CFL) | \~60–90 lm/W | 소형 폼 팩터, 단계적으로 폐지됨 |
| 현대 LED | 120–200 루멘/W | 소비자 조명에서 사용 가능 |
| 하이엔드 LED 프로토타입 | 250–300+ lm/W | 실험실 테스트를 거쳐 미래 잠재력 보여짐 |
LED 색상 및 렌더링 품질
상관 색온도(CCT)
• 웜 화이트(2700K–3500K): 거실, 레스토랑 및 아늑한 실내 환경에 가장 적합한 노란색 빛을 생성합니다.
• 뉴트럴 화이트(4000K–4500K): 균형 잡히고 편안하며 사무실, 교실 및 소매 공간에서 자주 사용됩니다.
• 쿨 화이트(5000K–6500K): 선명하고 푸르스름한 일광과 같은 조명으로 실외 조명, 작업장 및 작업이 많은 환경에 탁월합니다.
연색성 지수(CRI)
• CRI ≥ 80: 가정용 및 상업용 조명에 적합합니다.
• CRI ≥ 90: 아트 스튜디오, 의료 시설, 고급 소매점 등 정확한 색상 판단이 요구되는 영역에 필요합니다.
LED 수명 및 루멘 유지 관리
L70 표준
LED 수명은 L70 표준으로 측정됩니다. 이 값은 LED의 광 출력이 원래 밝기의 70%로 떨어질 때까지의 작동 시간을 나타냅니다. 이 시점에서 LED는 여전히 작동하지만 더 이상 의도한 조명 품질을 제공하지 않습니다. L70은 제조업체 간 LED 성능을 일관되게 비교할 수 있는 방법을 보장합니다.
LED 수명
• 소비자 LED: 25,000 – 50,000시간 사용.
• 산업용 LED: 50,000 – 100,000+ 시간, 더 열악한 조건과 더 높은 듀티 사이클을 위해 설계되었습니다.
LED 열 관리
접합 온도(Tj)
접합 온도는 LED 칩 내부에서 빛이 발생하는 지점의 내부 온도입니다. 제조업체는 125°C 미만의 안전한 작동 범위를 지정합니다. 이 값을 초과하면 LED의 밝기, 효율성 및 수명이 감소합니다. Tj를 낮게 유지하면 LED가 정격 성능을 충족할 수 있습니다.
접합부에서 주변 열 경로
LED 내부에서 생성된 열은 접합부에서 주변 공기로 이동해야 합니다. 이 경로를 접합-주변 경로라고 합니다. 설계자는 °C/W로 표시되는 열 저항(RθJA)을 사용하여 효율성을 측정합니다. 열 저항이 낮다는 것은 열이 더 효율적으로 전달되어 LED를 더 시원하고 안정적으로 유지한다는 것을 의미합니다.
냉각 방법
• 방열판 - 알루미늄 핀은 LED에서 열을 흡수하고 분산시킵니다.
• 열 비아 - PCB의 작은 도금 구멍은 LED 패드에서 구리 층으로 열을 전도합니다.
• 금속 코어 PCB(MCPCB) - 고전력 LED에 사용되는 이 보드에는 열을 효율적으로 전달하는 금속 베이스가 있습니다.
• 능동 냉각 - 팬 또는 액체 냉각 시스템은 프로젝터, 경기장 조명 또는 산업용 설비와 같은 까다로운 환경에서 사용됩니다.
LED 구동 방식
정전류 드라이버
정전류 드라이버는 공급 전압이 변동하는 경우에도 LED 전류를 안정적으로 유지합니다. 이는 열 폭주를 방지하고 일관된 광 출력을 유지하므로 LED에 전원을 공급하는 가장 안정적인 방법입니다. 고품질 드라이버에는 단락, 서지 및 과열 조건에 대한 보호 기능이 포함되는 경우가 많습니다.
PWM 디밍
펄스 폭 변조(PWM)는 매우 빠른 속도로 LED를 켜고 꺼서 밝기를 제어합니다. 듀티 사이클(온 시간과 오프 시간의 비율)을 조정하면 인지된 밝기가 부드럽게 변합니다. 스위칭 주파수가 사람의 눈의 감지 범위보다 높기 때문에 빛이 안정적으로 나타납니다. 저주파 PWM을 사용하여 잘못 설계된 시스템은 눈에 보이는 깜박임을 유발하여 눈의 피로나 카메라 아티팩트를 유발할 수 있습니다.
아날로그 디밍
아날로그 디밍에서는 LED를 통해 흐르는 전류의 진폭을 변경하여 밝기를 조정합니다. 이 방법은 깜박임 문제를 방지하지만 특히 매우 낮은 밝기 수준에서 LED의 색상을 약간 변경할 수 있습니다. 아날로그 디밍은 부드러운 색상 제어와 정밀한 밝기 조절을 모두 달성하기 위해 고급 시스템에서 PWM과 결합되는 경우가 많습니다.
LED 패키징 및 광학
표면 실장 장치(SMD) LED
SMD LED는 현대 조명에서 가장 많이 사용되는 유형입니다. PCB에 직접 장착되며 2835 및 5050과 같은 표준 크기로 제공됩니다. SMD LED는 우수한 효율성과 유연성을 제공하므로 LED 스트립, 가정용 전구 및 패널 조명에 가장 적합합니다. 컴팩트한 크기로 얇고 가벼운 고정 장치에 쉽게 통합할 수 있습니다.
칩온보드(COB) LED
COB 패키지는 단일 기판에 여러 개의 LED 다이를 직접 장착하여 밀도가 높은 광원을 생성합니다. 이 디자인은 개별 SMD에 비해 더 높은 밝기, 더 부드러운 광 출력 및 눈부심 감소를 제공합니다. COB LED는 강력한 방향성 조명이 필요한 스포트라이트, 다운라이트, 고출력 램프에서 볼 수 있습니다.
칩 스케일 패키지(CSP) LED
CSP 기술은 부피가 큰 패키징을 제거하여 LED를 반도체 다이 자체와 거의 동일한 크기로 줄입니다. 이를 통해 더 작고, 더 효율적이며, 열적으로 안정적인 설계가 가능합니다. CSP LED는 소형화와 내구성이 요구되는 자동차 헤드라이트, 스마트폰 백라이트, 디스플레이 패널 등에 널리 사용됩니다.
광학 및 빔 제어
LED 패키지의 원광이 항상 직접 사용하기에 적합한 것은 아닙니다. 빛의 모양을 만들고 지시하기 위해 디자이너는 렌즈와 같은 광학 요소를 사용하여 빛의 초점을 맞추거나 확산시킵니다. 빔 각도를 리디렉션하고 제어하는 반사경. 부드럽고 균일한 조명을 위한 디퓨저.
특수 LED 유형
UV LED
살균, 접착제 경화 및 위조 탐지를 위해 자외선을 방출합니다. 수은 UV 램프에 대한 안전하고 컴팩트한 대안.
IR LED
리모콘, 야간 투시경 및 생체 인식 시스템을 위한 보이지 않는 적외선을 생성합니다. 전자 및 보안에 효율적이고 널리 사용됩니다.
올레드
얇고 유연한 유기 LED는 스마트폰, TV 및 웨어러블에 사용됩니다. 생생한 색상과 대비를 제공하지만 수명이 짧습니다.
마이크로 LED
OLED보다 더 밝고 효율적이며 오래 지속되는 성능을 제공하는 차세대 디스플레이입니다. AR/VR, TV 및 스마트워치에 가장 적합합니다.
레이저 다이오드
일관된 고강도 빔을 생성하는 반도체 장치. 광섬유, 스캐너, 의료 도구 및 레이저 포인터에 사용됩니다.
결론
LED는 조명, 디스플레이 및 첨단 기술에 사용되는 다용도 부품으로 발전했습니다. 효율성, 내구성 및 제어 가능성은 기존 광원과 차별화됩니다. UV, IR, OLED, MICRO-LED 등 특수한 형태가 그 역할을 더욱 확대합니다. 지속적인 개선을 통해 LED는 지속 가능한 고성능 조명 시스템의 미래에 핵심적인 역할을 하고 있습니다.
자주 묻는 질문 [FAQ]
1분기. LED는 어떤 재료로 만들어졌나요?
LED는 갈륨비소(GaAs), 인화갈륨(GaP), 질화갈륨(GaN)과 같은 반도체로 만들어집니다.
2분기. LED에 저항이 필요한 이유는 무엇입니까?
저항은 전류 흐름을 제한하고 LED가 타지 않도록 보호합니다.
3분기. 백색 LED는 어떻게 만들어지나요?
백색 LED는 노란색 형광체 코팅이 된 청색 LED 칩을 사용하여 백색광을 생성합니다.
4분기. 시간이 지남에 따라 LED의 색상이 변하는 이유는 무엇입니까?
LED는 열과 재료 열화, 형광체 열화로 인해 색상이 변합니다.
5분기. LED는 극한 환경에서도 작동할 수 있습니까?
예. 적절한 설계를 통해 LED는 매우 춥거나 덥거나 습하거나 먼지가 많은 조건에서 작동할 수 있습니다.
6분기. LED 수명은 어떻게 테스트됩니까?
LED는 수명을 추정하기 위해 열, 습도 및 전기적 스트레스로 테스트됩니다.