LED는 어떻게 작동하나요?
LED(발광 다이오드)는 집 조명, 스마트폰 화면 전원 공급, 교통 안내 등 현대 생활의 여러 측면에서 사용됨에도 불구하고 정교한 반도체 물리학으로 인해 백열등이나 형광등과 같은 기존 조명 기술과는 다릅니다.LED특수 제작된 반도체 재료에 전류가 흐를 때 광자(빛 입자)가 방출되는 전계발광이라는 프로세스를 사용합니다. 이는 필라멘트를 가열하여 빛을 생성하는 백열등이나 가스와 UV 방사선을 사용하는 형광등과 대조됩니다. 이것이 어떻게 일어나는지 이해하려면 먼저 반도체의 기본 원리, LED의 설계, 전기를 가시광선으로 변환하는 순차적 절차를 살펴봐야 합니다.
기본: 에너지 및 반도체 밴드
모든 LED는 도체(구리 등)보다 전기 전도성이 낮지만 유리 등 절연체보다는 전기 전도성이 좋은 물질인 반도체로 구동됩니다. 전자 에너지 밴드-전자가 차지할 수 있는 에너지 영역-은 반도체의 고유한 동작에 필수적입니다. 전자는 모든 물질에서 뚜렷한 에너지 준위를 가지고 있지만, 고체에서는 이러한 준위가 결합하여 전도대와 가전자대라는 두 가지 주요 밴드를 형성합니다.
물질의 원자는 원자에 단단히 부착된 가전자대의 전자에 의해 결정 구조로 함께 유지됩니다. 전기 전도성은 물질을 통해 자유롭게 흐르는 전도대의 전자에 의해 가능해집니다. 전자가 존재할 수 없는 에너지 범위인 밴드 갭은 이 두 밴드 사이에 존재합니다. 물질의 밴드 갭 크기는 그것이 절연체인지, 도체인지 또는 반도체인지를 결정합니다. 반도체는 작고 측정 가능한 밴드 갭을 가지며(전자는 전류와 같은 작은 에너지 입력으로 갭을 통과할 수 있음), 도체는 밴드 갭이 없으며(전자는 밴드 사이에서 자유롭게 이동합니다), 절연체는 매우 큰 밴드 갭을 갖습니다(전자가 전도대로 점프하기 어렵습니다).
LED에 사용되는 반도체는 미량의 불순물을 추가하여 재료의 전기적 특성을 수정하는 절차인 "도핑"됩니다. n-형 반도체와 p-형 반도체는 모두 도핑을 통해 생산됩니다. 인과 같이 추가 전자를 가진 원소가 N-형 반도체에 도핑되면 전도대에서 자유롭게 이동하여 물질에 순 음전하를 부여합니다. 붕소와 같이 전자 수가 적은 원소는 P-형 반도체를 도핑하는 데 사용됩니다. 이로 인해 양전하로 기능하고 전자가 재료를 채울 때 재료를 통과할 수 있는 "정공", 즉 가전자대에 전자가 누락됩니다. LED는 두 도핑 영역의 교차점인 p-n 접합으로 인해 기능합니다.
LED의 구조: 광 출력에서 P-N 접합까지
간단하면서도 정확한 LED 디자인은 에너지 손실을 줄이면서 광 출력을 극대화합니다. p-n 접합은 일반적으로 갈륨 비소 또는 갈륨 질화물과 같은 갈륨- 기반 반도체 재료의 얇은 층에 위치합니다. 지지력을 제공하고 열 방출을 돕는 기초 재료인 기판은 이 반도체 층이 부착되는 곳입니다. 과열은 LED의 수명을 단축시킬 수 있으므로 이는 중요합니다.
한 전극은 반도체 층 상부의 p-형 영역(양극, 양극 단자)에 부착되고 다른 전극은 n-형 영역(음극, 음극 단자)에 부착됩니다. 이러한 전극에 전압이 공급되면 p-n 접합에 전기장이 생성됩니다(음극은 음극, 양극은 양극). n-형 반도체의 자유 전자는 이 자기장에 의해 접합쪽으로 밀려나는 반면, p-형 반도체의 정공은 같은 방향으로 그려집니다.
p-n 접합에서 생성된 빛이 빠져나가기 위해서는 반도체층이 투명 또는 반투명해야 합니다(또는 한쪽에 반사층이 있어야 함). 현대의LED초기 LED는 빛 출력을 제한하는 불투명 반도체 재료를 자주 사용했지만, 가시광선에 투명하고 대부분의 광자가 표면에 도달하도록 보장하는 질화갈륨(GaN)과 같은 재료를 사용합니다. 반도체의 p{1}}n 접합은 1차 발광-과정이 일어나는 곳이지만, 일부 LED에는 빛의 초점을 맞추거나 색상을 변경하는 렌즈나 코팅도 있습니다.
1단계: 전자-정공 재결합 및 전압 사용
LED 전극에 외부 전압이 가해지면 순방향 바이어스가 설정되어 발광 과정이 시작됩니다. 이는 LED에 대한 전류 흐름의 적절한 방향입니다.주도의기능하다; 반면에 역방향 바이어스는 전류를 멈추고 빛을 생성하지 않습니다. 순방향 바이어스가 인가될 때 p-n 접합을 가로지르는 전기장에 의해 n-형 영역의 자유 전자는 p-형 영역으로 가속되고, p-형 영역의 정공은 n-형 영역으로 가속됩니다.
이러한 전자와 정공은 같은 방향으로 이동하면서 결국 p-n 접합이나 그 근처에서 합쳐집니다. n- 유형 영역의 전도대에서 나온 자유 전자는 p- 유형 영역의 가전자대에 있는 정공과 충돌할 때 정공으로 "떨어지며" 전도대의 더 높은 에너지 상태에서 가전자대의 낮은 에너지 준위로 변경됩니다. 전자와 정공은 이러한 전이 중에 서로 상쇄되는데, 이를 재결합이라고 하며, 이들이 잃은 추가 에너지는 광자로 방출됩니다.
반도체 밴드 갭의 크기는 빛에 색상을 부여하는 이 광자의 에너지에 직접적인 영향을 미칩니다. 전자가 정공과 재결합하고 더 넓은 밴드 갭으로 인해 더 많은 에너지를 잃을 때 더 높은 에너지(파란색 또는 보라색 빛과 같이 더 짧은 파장)를 갖는 광자가 생성됩니다. 빨간색이나 주황색 빛과 같이 더 긴 파장을 갖고 더 적은 에너지를 갖는 광자는 더 작은 밴드 갭에서 생성됩니다.
예를 들어:
갈륨비소(GaAs)는 밴드 갭이 좁기 때문에 파장이 약 650nm인 적색광을 방출합니다. 밴드 갭이 넓기 때문에 질화갈륨(GaN)은 파장이 약 450nm인 청색 또는 보라색 빛을 방출합니다.
제조업체는 다양한 반도체 재료(예: 갈륨 인듐 질화물 또는 InGaN)를 결합하여 녹색, 노란색 또는 백색광을 생성하는 LED를 생산하기 위해 밴드 갭을 수정할 수 있습니다(흰색 LED에 대한 자세한 내용은 아래 참조).
2단계: 효율성 및 광 추출
재결합에 의해 생성된 광자 중 일부는 반도체 재료 자체에 흡수되는 반면, 일부는 전극이나 p{0}}n 접합에서 반사되어 열로 방출됩니다. 이 광자 모두가 우주를 떠나는 것은 아닙니다.주도의가시광선으로. LED 설계자는 효율성을 최적화하기 위해 "광 추출"을 향상시키는 다양한 전략을 사용합니다.
투명한 기판: 대부분의 빛은 초기 LED에 사용된 불투명 기판(예: 게르마늄)에 의해 갇혔습니다. 탄화규소나 사파이어와 같은 투명 기판은 현대 LED에 사용되어 광자가 표면에 도달하도록 합니다.
표면 질감: 재료로 다시 반사되는 빛의 양을 줄이기 위해 반도체 표면은 범프나 홈과 같은 미세한 패턴으로 자주 에칭됩니다. 빛이 표면에 닿는 각도를 변경하면 빛이 반사되기보다는 탈출할 가능성이 높아집니다.
반사층: 반도체 뒷면은 종종 알루미늄이나 은과 같은 금속으로 구성된 얇은 반사층으로 덮여 있습니다. 이 층은 기판을 통해 LED 전면으로 다시 손실될 광자를 반사하여 LED를 떠나는 빛의 양을 증가시킵니다.
백열등보다 훨씬 적지만 이러한 발전에도 불구하고 일부 에너지는 여전히 열로 손실됩니다. 백열등의 90~95%가 빛으로 변환되는 데 비해 LED에서는 에너지의 10~25%만이 열로 손실되며, 에너지의 75~90%가 빛으로 변환됩니다. LED는 효율성이 뛰어나기 때문에 기존 조명보다 훨씬 적은 에너지를 사용합니다.
백색 LED 작동 방식: 독특한 상황
대부분의 LED는 한 가지 색상, 즉 단색광만을 발산하지만 헤드라이트, TV, 가정용 조명 등에 사용되는 백색 LED는 백색광을 직접 만들어내는 밴드갭을 갖는 반도체 소재가 없기 때문에 다른 전략이 필요하다. 오히려 백색 LED는 다음 두 가지 주요 기술 중 하나를 사용합니다.
인의 전환: 파란색주도의(질화 갈륨으로 만들어짐) 황색 형광체-한 파장의 빛을 흡수하고 다른 파장의 빛을 방출하는 물질-이 가장 널리 사용되는 기술로 사용됩니다. 인광체는 파란색 LED에서 방출되는 파란색 광자의 일부를 흡수하고-노란색 광자를 다시 방출합니다. 우리의 눈은 남은 파란색 광자가 노란색 광자와 결합되면 흰색 빛으로 해석합니다. 제조업체는 백색광의 색온도 또는 "따뜻함" 또는 "차가움"을 변경하기 위해 코팅에 미량의 빨간색 또는 녹색 형광체를 추가합니다. 예를 들어, 청색광을 추가하면 차가운 백색광(5,000K~6,500K)이 생성되고, 적색 형광체를 추가하면 따뜻한 백색광(2,700K~3,000K)이 생성됩니다.
RGB 혼합: 이 덜 인기 있는 기술은 세 가지 다른 LED-빨간색, 녹색, 파란색-을 단일 패키지로 결합합니다. 세 가지 색상이 결합되어 각 LED의 밝기를 변경하여 백색광(또는 기타 가시 스펙트럼 색조)을 생성합니다. 이 기술은 인광체 변환보다 비용이 더 많이 들지만 무대 조명이나 고급{4}}디스플레이와 같이 정확한 색상 관리가 필요한 상황에 사용됩니다.
LED와 기존 조명의 차이점
LED의 작동 방식을 알면 LED가 거의 모든 범주에서 형광등 및 백열등보다 성능이 더 뛰어난 이유를 더 쉽게 알 수 있습니다.
에너지 효율성: LED는 자연적으로 효율적인 전기발광을 사용합니다. 필라멘트를 가열하는 데 에너지를 소비하는 백열등과 달리 형광등은 UV 복사를 생성하는 에너지를 낭비하지 않습니다.
긴 수명: LED에는 움직이는 부품이나 섬세한 필라멘트가 없기 때문에 쉽게 꺼지지 않습니다. 수명이 1,000~2,000시간인 백열등과 달리 LED는 반도체 재료가 시간이 지남에 따라 극도로 점진적으로 열화되기 때문에 50,000~100,000시간의 수명을 갖습니다.
즉시 켜짐/꺼짐: 완전히 켜지는 데 몇 초가 걸리는 형광등과 달리 LED는 예열 시간이 없으며-즉시 최대 밝기로 활성화됩니다.
내구성: 왜냐면LED고체-전자 장치이므로 충격, 진동, 고온을 견딜 수 있으므로 실외 애플리케이션이나 열악한 환경(예: 자동차 또는 공장)에 적합합니다.
LED 기술의 미래
연구원과 엔지니어가 지속적으로 LED 기술을 개선함에 따라 새로운 개발로 인해 LED 기술의 잠재력이 높아지고 있습니다. 예를 들어:
QLED 또는 양자점 LED: 작은 반도체 입자인 양자점을 사용하여 밝기와 색상 정확도를 향상시킵니다. 연구원들은 QLED를 일반 조명용으로 더욱 에너지 효율적으로 만들기 위해 노력하고 있으며-현재 고급 TV에서 사용되고 있습니다.-
마이크로 LED: 가로가 몇 마이크로미터에 불과한 이 믿을 수 없을 정도로 작은 LED는 조밀한 배열로 그룹화되어 유연한 조명이나 고해상도 화면을 생성할 수 있습니다.{0}} 향후 스마트폰과 TV에는 수명이 길고 출력이 좋아지는 마이크로 LED가 OLED 대신 마이크로 LED를 채용할 것으로 예상된다.
페로브스카이트 LED: 기존 갈륨- 기반 재료에 비해 페로브스카이트는 생산 비용이 저렴한 새로운 종류의 반도체 재료입니다. 연구원들은 밝고 효율적인 빛을 제공할 수 있는 가능성을 입증한 페로브스카이트 LED의 안정성을 상업적 용도로 높이려고 노력하고 있습니다.
결론적으로
LED전자-정공 재결합을 사용하여 전기 에너지를 빛으로 변환하는 ap{0}}n 접합이 있는 도핑된 반도체로 만들어진 매우 간단한 장치입니다. 이는 지금까지 개발된 조명 기술 중 가장 효과적이고 적응성이 뛰어난 조명 기술 중 하나이지만, 그 단순성에는 광 추출 엔지니어링부터 밴드 갭의 정확한 조절에 이르기까지 모든 것을 포함하는 구성의 복잡성이 숨겨져 있습니다. LED의 작동 방식을 알면 이를 뒷받침하는 정교한 과학과 LED의 유용한 장점(긴 수명, 저렴한 에너지 비용)을 모두 파악할 수 있습니다. LED 기술이 더욱 발전함에 따라 전 세계 에너지 사용을 줄이고, 기후 변화를 막고, 미래의 조명 설계에 영향을 미치는 데 훨씬 더 크게 기여할 것입니다.-때때로 가장 중요한 혁신은 가장 근본적인 과학적 원리에서 비롯된다는 점을 입증합니다.
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