LED이란?
LED 정의
발광 다이오드(LED)는 전류가 통과할 때 빛을 방출하는 반도체 장치입니다. 이전의 LED 기술은 갈륨 아르세니드 포스파이드(GaAsP), 갈륨 포스파이드(GaP), 알루미늄 갈륨 아르세니드(AlGaAs)를 사용했습니다. LED는 직류가 PN 접합을 가진 도핑된 결정을 통과할 때 발생하는 전기발광 효과를 통해 가시광선을 생성합니다.
도핑은 주기표의 III족과 V족 원소를 추가하는 과정입니다. 정방향 바이어스 전류(IF)로 에너지화되면 p-n 접합은 활성 영역(Eg)의 에너지 간격에 따라 결정되는 파장에서 빛을 방출합니다.
발광 다이오드(LED) 작동 원리
다이오드의 p-n 접합을 통과하는 정방향 바이어스 전류(IF)가 적용될 때 소수 전자들은 p-영역으로 주입되고, 대응하는 소수 전자들은 n-영역으로 주입됩니다. p-영역에서 전자-홀 재결합으로 인해 광자 방출이 발생합니다.
에너지 간격을 가로지르는 전자 에너지 전이는 빛을 발생시키는 방사 재결합이라고 합니다. 셔트 에너지 전이는 열을 발생시키는 비방사 재결합이라고 합니다. 아래 표는 다양한 피크 파장에 대한 일반적인 AlInGaP LED와 InGaN LED의 발광 효율을 보여줍니다.
LED 효율은 접합에서 발생하는 빛과 결정을 벗어나면서 재흡수로 인한 손실에 의해 영향을 받습니다. 대부분의 반도체의 고굴절률로 인해 많은 양의 빛이 결정으로 다시 반사되어 강도가 줄어들게 됩니다. 이 최종적으로 측정 가능한 가시 에너지를 기준으로 표현된 효율성을 외부 효율성이라고 합니다.
전기발광 현상은 1923년 자연적으로 발생하는 접합에서 관찰되었지만, 당시에는 전기를 빛으로 변환하는 데 있어 낮은 발광 효율로 인해 실용적이지 않았습니다. 그러나 오늘날 효율성이 크게 향상되어 LED는 신호, 지시등, 표지, 디스플레이뿐만 아니라 실내 조명 및 도로 조명에도 사용되고 있습니다.
LED 색상
LED 장치의 색상은 발광하는 우세 파장 λd(nm)로 표현됩니다. AlInGaP LED는 빨간색(626~630 nm), 적주색(615~621 nm), 주황색(605 nm), 황색(590~592 nm)을 생성합니다. InGaN LED는 초록색(525 nm), 청록색(498~505 nm), 파란색(470 nm)을 생성합니다. AlInGaP LED의 색상과 정방향 전압은 LED p-n 접합의 온도에 따라 달라집니다.
LED p-n 접합의 온도가 증가할수록 발광 강도는 감소하고, 우세 파장은 더 긴 파장으로 이동하며, 정방향 전압은 하락합니다. InGaN LED의 발광 강도는 운전 환경 온도(-20°C ~ 80°C)에 따른 변화가 작습니다(약 10%). 그러나 InGaN LED의 우세 파장은 LED 구동 전류에 따라 변하며, 구동 전류가 증가할수록 우세 파장은 더 짧은 파장으로 이동합니다.
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조명 조절
LED는 구동 전류를 줄여 10%의 명시된 빛 출력으로 조절할 수 있습니다. 일반적으로 LED는 펄스 폭 변조(PWM) 기법을 사용하여 조절됩니다.
신뢰성
최대 접합 온도(TJMAX)는 LED의 수명에 중요합니다. 이 온도를 초과하면 일반적으로 캡슐화된 장치가 손상됩니다. LED 수명은 평균 고장 간격(MTBF)으로 측정되며, 표준 전류와 온도에서 수많은 LED를 테스트하여 절반까지 실패할 때까지 계산됩니다.
백색 LED
현재 백색 LED는 두 가지 방법으로 제조되고 있습니다. 첫 번째 방법은 같은 패키지에 빨간색, 초록색, 파란색 LED 칩을 결합하여 백색 빛을 생성하는 방법입니다. 두 번째 방법은 인듐 갈륨 질화물(InGaN) LED 장치로부터 나오는 단파장 에너지에 의해 활성화되는 에폭시로 둘러싸인 형광제의 형광을 사용하는 방법입니다.
발광 효율
LED의 발광 효율은 소비된 전기 전력(W) 당 방출된 발광 플럭스(lm)로 정의됩니다. 파란색 LED는 약 75 lm/W, 빨간색 LED는 약 155 lm/W, 황색 LED는 500 lm/W의 내부 효율성을 가집니다. 내부 재흡수로 인한 손실을 고려하면, 황색 및 초록색 LED의 발광 효율은 약 20~25 lm/W입니다. 이 효율성의 정의는 외부 효율성이라고 불리며, 다른 빛원 유형에 일반적으로 사용되는 효율성의 정의와 유사합니다.
