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NOTICE LED란 무엇인가?

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작성자 A-SUNG 조회 136회 작성일 21-03-19 11:48

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LED는 왜 발광하는가?



LED란?

LED란 「발광 다이오드」로 일컬어지는 반도체로,"Light Emitting Diode"의 이니셜을 조합한 것입니다. 1993년에 질화갈륨을 베이스로 한 고휘도 청색 LED가 실용화됨에 따라, 백색 LED가 실현되어, 제4의 조명용 광원으로서 주목받고 있습니다.


LED는 왜 발광하는가?

LED는 전자 (마이너스 성질)이 많은 N형 (- : negative) 반도체와 정공 (플러스 성질)이 많은 P형 (+ : positive) 반도체를 접합한 것입니다. 이 반도체에 순방향 전압을 인가하면, 전자와 정공이 이동하여 접합부에서 재결합하고, 이러한 재결합 에너지가 빛이 되어 방출됩니다. 전기 에너지를 일단 열 에너지로 변환하고, 그 후 빛 에너지로 변환하는 기존의 광원에 비해, 전기 에너지를 직접 빛 에너지로 변환하기 때문에 전기 에너지가 낭비되지 않아 고효율의 빛을 얻을 수 있습니다.



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LED의 종류

LED에는 램프 타입 (리드 타입)과 칩 타입 (면실장 타입)의 2가지 종류가 있으므로, 용도에 따라 사용할 수 있습니다.


램프 타입, 칩 타입


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파장과 색


LED는 사용 재료에 따라 발광색 (발광 파장)이 다릅니다. 특정 용도의 교통 신호 및 자동차의 스톱램프 등과 같이 공적인 규격이 존재하는 것은 전구를 광원으로 규격화되어 있는 경우가 많아, 이러한 파장 사양을 만족시키는 LED를 선택해야 합니다. 파장의 규격에는 λP (피크 파장)과 λD (주파장 또는 도미넌트 파장)의 2종류가 있으며, λD가 실제로 눈으로 봤을 때의 색상에 해당됩니다. (λ=람다)


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백색은 어떻게 만들까?

LED에서 백생광을 얻기 위해서는 몇가지의 방법이 있습니다. 본 페이지에서는 대표적인 발광 방법을 소개하고자 합니다.


1) 청색 LED+황색 형광체

청색 LED와 그 보색인 황색 형광체를 조합하여 백색광을 얻는 방법.

이 방법은 다른 방법에 비해 구조가 단순하고 효율이 높아, 현재 주로 많이 사용되고 있습니다.


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2) 적색 LED+적색 LED+청색 LED

빛의 삼원색인 LED를 조합하여 백색광을 얻는 방법.

주로 조명용보다 풀 컬러 LED 표시 장치로 사용되고 있습니다.


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LED란? 주의가 필요한 특성


1. 온도에 대한 특성 변화 <광도 파장 순방향 전압 (VF)

LED의 특성은 주위 온도 및 LED의 발열을 포함한 칩 온도 (Tj : 발광부인 Junction 온도)에 따라 특성이 변화합니다. 하기는 대표적인 특성 변화에 대한 설명입니다.



광도

LED는 Tj가 상승하면 광량이 저하됩니다. 이는 발광에 기여하지 않는 전자와 Hall의 재결합이 증가하기 때문입니다.


파장

광도 변화와 같이, 온도의 변화에 따라 발광 파장도 변화합니다. 주로, 온도가 변화함에 따라 반도체의 Band gap 폭이 변화하므로, 파장 변화가 발생하는 것입니다. 파장 변화량은 재료에 따라 달라집니다. InGaAlP계 LED는 온도 상승에 따라 λd가 0.1nm/°C 정도, 장파장측으로 변화합니다. 까다로운 파장 규격 용도에서는 세트의 동작 보증 온도 범위에서의 파장 변화를 검토할 필요가 있습니다.


순방향 전압 (VF)

VF의 변화는 특수한 경우를 제외하고, 발광 파장과 같이 반도체 Band gap 폭이 변화하기 때문에 발생하는 것입니다. 온도 상승에 따라VF는 2mV/°C 정도의 비율로 저하됩니다. VF의 변화는 회로 설계에서 중요한 요소입니다. LED의 동작이 정전류인 경우에는 VF의 변화는 회로 정수로서는 심각한 문제는 아닙니다. 그러나, LED의 동작이 정전압인 경우, 또는 정전압에 가까운 경우에는 온도 상승에 따라VF가 저하되어 전류가 증가합니다. 전류가 증가하면, Tj가 높아지고VF가 낮아져 평형 상태가 될때까지 전류가 증가하게 됩니다. 또한, 반대로 저온이 되면VF가 높아지고 전류가 감소하여, 정전압 동작에서는 필요 광도를 얻을 수 없는 경우가 있습니다.


2. 특성의 편차

LED는 제조 단계에서 특성치의 분포, 즉 편차가 발생하므로, 광도 랭크 및 전기적 특성에서도 최소치 등을 규정하고 있습니다. 따라서, 광학 설계 · 회로 설계 시에는 편차를 고려하여 설계해야 합니다.

예를 들어 VF는 온도에 따라 변화하기 이전에, 분포 상 편차를 가지고 있습니다. 따라서, 설계 마진이 없을 경우에는, VF편차가 큰 제품의 경우 온도 변화 시에도 원하는 특성을 얻을 수 있는 지를 검토해야 합니다. 회로 특성 및 세트의 특성에 따라서는 LED 특성치의 편차폭을 좁게 할 필요가 있습니다. 이 경우, 특별 규격 도입 검토와 그 대응이 가능한지를 판단할 필요가 있습니다.




LED 회로 구성


순방향 전압

LED의 정방향으로 전류를 흘릴 때, 애노드 · 캐소드 사이에 발생하는 전압을 순방향 전압 (VF)이라고 합니다. 단위는 전압이므로 V (볼트)입니다. 데이터 시트 등에는, 흐르는 전류에 따라 발생하는 순방향 전압의 특성 그래프 <순방향 전류 (IF) – 순방향 전압 (VF) 특성>이 게재되어 있습니다. 이 특성은, 실제로 LED 점등 회로 검토 시, 가장 고려해야 할 중요한 특성 항목입니다.



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이 순방향 전류 (IF) – 순방향 전압 (VF) 특성은, LED 소자의 재질 및 사이즈, 발광색에 따라 달라집니다. 또한, 주위 온도에 따라서도 변화합니다. 뿐만 아니라, 반도체 특유의 특성치 분포, 즉 편차도 가지고 있습니다. LED의 동작이 정전류 구동인 경우, 순방향 전압 (VF)의 변화는 심각하게 문제시되지 않지만, 정전압 구동인 경우에는 변화 및 편차를 고려하여 설계할 필요가 있습니다.



LED 점등 회로

【직렬 점등 회로의 경우】

LED를 정전압 구동으로 직렬 점등하는 경우, 일반적으로는 하기 그림과 같이, 전류를 제어하는 저항을 LED와 직렬로 배치하여 회로를 구성합니다.


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이 회로의 경우, 먼저 순방향 전류 (IF) – 순방향 전압 (VF) 특성에서 점등하는 LED의 순방향 전류 (IF)와 그 순방향 전압 (VF)의 값을 도출합니다. 그 값을 상기 식에 입력하여 계산함으로써, R (전류 제어 저항)의 값을 결정합니다.


【병렬 점등 회로의 경우】

LED를 정전압 구동으로 병렬 배치하는 경우에는, 위에서 기술한 직렬 점등 회로를 병렬로 배열하고 각 LED마다 제어 저항을 배치하여 회로를 구성하기를 권장합니다.


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【병렬 LED 점등 회로 예 1】



LED의 순방향 전류 (IF) – 순방향 전압 (VF) 특성은, 소자의 재질 및 발광색에 따라 달라지며, 동일한 재질과 발광색일 경우에도 반도체 특유의 특성으로 인해 각각 편차가 있습니다. 하기 그래프와 같이, LED①과 LED②의 순방향 전압 (VF) 값이 다른 경우, 저항 1개로 전류를 제어하면, 각각의 LED에 흐르는 전류 (IF1 및 IF2)를 제어하기 어렵습니다. 각 LED마다 저항을 배치하여 구성하는 회로에서는 각각의 LED에 흐르는 전류 (IF1 및 IF2)를 설정할 수 있으므로, 전류치를 맞추거나, 밝기의 편차를 억제하는 등 임의의 설정이 용이해집니다. 또한, 입력전압 (Vin)을 높게 설정하는 등 저항에 걸리는 전압분을 크게 함으로써 편차에 대응하는 설계도 가능합니다.


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【순방향 전류 (IF) - 순방향 전압 (VF) 특성 예 2】





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【병렬 LED 점등 회로 예 2】



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출처 : rohm



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