LED(Light Emitting Diode) 조명 발광다이오드

LED란?

전류의 방향이 일정 전극 방향과 일치하면 불빛이 나는 다이오드. 1962년 10월 9일, 닉 홀로니악(Nick( Holonyak)이 발명하였습니다. 지금은 지속된 연구와 개량으로 인해 성능이 이전에 비해 많이 향상되었습니다. 형광등과 함께 불빛의 주요 시장이 되어가고 있습니다.

LED는 크게 정보 표시용의 저휘도 LED와 조명용의 고휘도 LED로 나뉘어집니다. 가격은 저휘도 LED일 경우 개당 100원 이하(도매가 기준), 고휘도 LED는 300원쯤 합니다. 조명용 백색 고휘도 LED는 물론 상당히 비쌉니다. 여담으로 공구상가 등에서 LED를 대량 구매하면 하나씩 개수를 세는 게 아니라 무려 무게로 달아 파는 모습을 볼 수 있습니다.

LED의 원리
p-n 접합에 그 기초를 두고 있으며 작동원리는 전자와 양공이 만나면 가지고 있던 에너지 차이, 즉 에너지 밴드 갭에 해당하는 파장의 빛을 내는 구조입니다.
이 과정에서 사용하는 원소를 다르게 하면 방출되는 에너지의 양이 달라지는데 이러한 에너지의 양의 차이에 따라 빛의 파장의 길이가 결정되고 다른 색을 낼 수 있게 됩니다. 빨간색은 주로 GaAs를, 초록색과 파란색은 주로 GaN를 기반으로 합니다. 셋 다 인듐 등의 원소 첨가량을 바꾸며 밴드 갭을 조절할 수 있습니다. 적외선이나 자외선을 내는 LED도 있는데, 적외선은 AlGaAs, 자외선은 무색투명한 탄소 덩어리로 만들 수 있습니다. 심지어는 RGB를 모두 소화하는 단일 LED도 나오고 있습니다.

led 조명 활용-1

양자점 LED라는 방식도 있는데, 이는 물질의 크기가 작아지면 양자 역학에서 말하는 양자 제한 효과가 일어나 유효 밴드갭(띠 틈)이 변화하는 것을 이용합니다. 따라서 동일한 물질을 가지고 입자의 크기만 달리해서 발광하는 색을 달라지게 할 수 있는데, 이를 이용하면 고효율 단색 LED로 품질 높은 백색 LED를 만들 수도 있습니다. OLED보다 색 순도가 매우 높고 무기물인 데다가 OLED처럼 작게 만들 수도 있고, LED보다 싸므로 차세대 광원 및 디스플레이용으로 각광받는 연구분야입니다. 기존에는 CdS가 주로 사용되었으나 최근에는 이를 InP로 대체하여 유해성을 제거하는 연구가 진행되고 있습니다.

흰색 LED는 일반적인 디스플레이의 구현법과 같이 R, G, B 3 원색의 LED를  묶거나, 파란색 LED에 노란색 빛을 내는 형광 물질을 도포하여 제작합니다.  눈에 편한 흰색을 구현하기 위해 UV LED에 R, G, B 형광물질을 이용하는 방법도 있습니다.

실리콘으로도 만들 수 있지만 간접천 이형이라 직접천 이형인 위 물질들에 비해 효율이 극히 떨어집니다. 덕분에 실리콘 기반 LED는 거의 사장되었고 이렇게 효율이 떨어지는 건 태양전지도 마찬가지입니다. 다만 태양 전지의 경우 CIGS 등 직 접천이면서 흡수 파장대가 넓은 물질이 비싸서 실리콘 기반 태양 전지가 쓰이고 있습니다.

여기에 사용되는 에너지 띠 그래프의 x축은 브릴루앙 영역인데  전도 대역이 최솟값을 가지는 x값과 가전자 대역이 최댓값을 가지는 x값이 같으면 직접천 이형으로 밴드 갭에 해당하는 에너지가 모두 빛으로 나오지만 x값이 다르면 간접천 이형으로 밴드 갭에 해당하는 에너지가 모두 빛으로 나오지 않고 일부가 포논이 되므로 격자 진동을 일으켜 열로 소모됩니다. 더 자세히 알고 싶다면 고체물리를 공부하면 됩니다.

led 조명

LED 조명의 여명기에는 청색과 백색 LED는 비싸다는 단점이 있었지만, 그마저도 중국의 힘으로(...) 기존 조명에 쓰일 만한 정도의 저성능 LED는 대량 생산에 성공해 매우 싼 가격에 구할 수 있게 되었습니다. 고성능 LED는 예전엔 Cree사나 오스람사, 니치 아사 정도에서나 생산되는지라 수요에 비해 공급이 딸릴 지경이지만, 지금은 LG이노텍, 삼성전자, 서울반도체같이 고성능 LED를 찍어내는 회사가 좀 늘어나긴 했습니다.

청색과 백색이 비쌌던 건 당시에는 바로 나온 지 얼마 안 지났기 때문이기도 하고 증착하기가 매우 어렵기 때문입니다. 반도체 물질의 받침으로 주로 사용되는 사파이어 기판과 격자상수가 차이가 좀 많이 나서 그냥 증착하면 계면이 쩍쩍 갈라지는 헬게이트가 열리므로, 증착에 앞서 기판에 버퍼층을 두거나 기판을 바꾸거나 하는 방법으로 격자상수 차이를 완화해야 합니다. 실제로 시판되는 청색 LED들은 계면에서 이런 헬게이트를 방지하고자 10여 층의 단결정 박막이 증착됩니다.

백색은 앞에서 볼 수 있듯이 청색을 기반으로 형광 물질을 도포하는 경우가 대다수입니다.  정확히 말하면, 청색이 좀 늦게 나왔다. 옛날 컴퓨터들의 본체에 쓰인 발광체들을 보면 알 수 있지만 예전에 주로 쓰이던 LED 색상은 적색과 노란 녹색. 청색은 SiC를 기반으로 한 간접천 이형이나 적색 LED에 청색 형광 물질을 사용하여 구현했으나 효율이 극히 떨어졌습니다. GaN이 청색을 발광하는 성질이 있다는 것은 이전에도 알려져 있었지만 위의 격자상수 문제 때문에 실험실 수준에서만 제조가 가능할 뿐이었습니다. 그러다 일본에서 결함을 일부러 만들어내는, 통념을 깨는 방식으로 접근해 청색 LED의 반도체 물질인 GaN의 실용적인 증착법을 개발하고, 순수 청색과 동시에 백색을 구현하는 데 성공한 것입니다.

결국 청색 LED의 개발의 공로를 인정받아 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지가 2014년 노벨 물리학상을 공동 수상하였다. 이 가운데 GaN의 실용적인 증착법을 개발한 나카무라 슈지는 자신의 회사에 대해 소송을 제기하여 직무발명 분야의 기념비적인 판결을 세운 것으로도 유명합니다. 그리고 이 판결의 결과는 나카무라 슈지가 5억 엔 또는 8억 엔을 받는 것으로 마무리가 되었습니다. 참고로, 이 엄청난 기술을 개발한 그에게 준 보상금은 고작 2만 엔(!!)입니다. 쉽게 말해서, 청색 LED라는 황금알을 낳는 거위를 제작한 인재에게 겨우 20만 원 남짓을 쥐여줬다는 것입니다!

 

 

다음 시간에는 LED의 제조사 대해서 알아보겠습니다.