발광 다이오드: 입문서
발광 다이오드(LED)라고 하는 반도체는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환합니다. 반도체 재료와 구성은 출력광의 색상을 결정하며 LED는 종종 자외선, 가시광선 및 적외선의 세 가지 파장으로 분류됩니다.
단일 소자 출력 전력이 최소 5mW인 상업적으로 이용 가능한 LED는 파장 범위가 275~950nm입니다. 제조업체에 관계없이 각 파장 범위에 대해 특정 반도체 재료 계열이 사용됩니다. 이 기사에서는 LED 기능에 대한 개요와 해당 부문에 대한 간략한 정보를 제공합니다. 또한 다양한 LED 종류, 적절한 파장, 구성에 사용되는 재료 및 특정 조명의 일부 용도에 대한 논의가 있을 것입니다.
UV LED(자외선 LED): 240~360nm
특히 물 소독, 의료/생의학 응용 분야 및 산업용 경화에는 UV LED가 사용됩니다. 280nm의 짧은 파장에서 100mW 이상의 전력 출력 수준이 달성되었습니다. 파장이 360nm 이상인 질화갈륨/질화알루미늄갈륨(GaN/AlGaN)은 UV LED에 가장 많이 사용되는 재료입니다. 더 짧은 파장은 전용 재료를 사용합니다. 더 짧은 파장은 소수의 공급자에 의해서만 생산되며, 360nm 이상의 파장에 대한 시장이 가격 인하와 큰 폭의 증가로 인해 안정화되고 있음에도 불구하고 이러한 LED의 비용은 나머지 LED 제품 제공과 비교할 때 여전히 상당히 높습니다. 공급.
근자외선에서 530nm까지의 녹색 LED 범위
질화인듐갈륨(InGaN)은 이 파장 범위의 제품에 사용되는 재료입니다. 395~530nm 사이의 파장 값을 가진 LED를 생산하는 것이 기술적으로 가능하지만 대부분의 주요 공급업체는 인광체 기반 백색 조명용 파란색 LED(450~475nm)와 520~520nm의 녹색 LED 생성에 중점을 둡니다. 교통 신호 녹색 조명의 경우 530nm 범위. 대부분의 사람들은 이러한 LED의 이면에 있는 기술이 고급이라고 생각합니다. 지난 몇 년 동안 광학 효율성의 개선이 느려지거나 중단되었습니다.
황록색에서 적색에 이르는 LED: 565~645nm
이 파장 범위에 사용되는 반도체 물질은 알루미늄 인듐 갈륨 인화물(AlInGaP)입니다. 주로 교통 신호등 노란색(590nm) 및 빨간색(625nm) 파장에서 생성됩니다. 흔하지는 않지만 이 기술에서는 라임 그린(또는 황록색 565nm)과 오렌지색(605nm)도 제공됩니다.
순수 녹색(555nm) 이미터가 InGaN 또는 AlInGaP 기술의 특징이 아니라는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이 순수한 녹색 영역에는 오래되고 덜 효과적인 기술이 있지만 효율적이거나 훌륭하다고 생각되지 않습니다. 이는 대부분 이 파장 범위에 대한 대체 재료 기술 개발을 위한 자금 조달 부족과 상업적 관심 또는 수요 부족으로 인해 발생합니다.
660 ~ 900nm: 짙은 빨간색 ~ 근적외선(IRLED)
이 분야의 장치 구성은 다양한 형태를 취할 수 있지만 항상 알루미늄 비화 갈륨(AlGaAs) 또는 비화 갈륨(GaAs) 요소를 사용합니다. 수많은 의료 용도(660–680nm)와 적외선 원격 제어 및 야간 투시 조명이 응용 분야 중 하나입니다.
LED 작동 이론
반도체 다이오드인 LED가 전기가 통할 때 빛을 내기 위해서는 공핍 영역을 가로질러 전자가 이동하고 다른 쪽의 정공과 결합하여 전자-정공 쌍을 형성하기에 충분한 전압이 가해져야 합니다. 전류는 장치의 순방향으로 적용됩니다. 이것은 전자가 빛의 형태로 에너지를 방출하면서 광자를 방출하게 합니다.
방출되는 빛의 파장은 반도체의 밴드갭에 따라 다릅니다. 더 높은 밴드갭 물질은 더 짧은 파장이 더 많은 에너지를 가지기 때문에 더 짧은 파장을 방출합니다. 더 큰 밴드갭을 가진 물질의 전도를 위해서는 더 큰 전압이 필요합니다. 근적외선 LED는 1.5~2.0V의 순방향 전압을 갖는 반면, 단파장 UV-청색 LED는 3.5V의 순방향 전압을 가집니다.
파장에 대한 가용성 및 효율성 요인
시장 잠재력, 소비자 요구 및 산업 표준 파장은 특정 파장이 상업적으로 실행 가능한지 여부를 결정하는 주요 요인입니다. 이것은 420–460 nm, 480–520 nm 및 680–800 nm 파장 범위에서 가장 두드러집니다. 대량 사용이 없기 때문에 이러한 파장 범위의 LED 장치를 생산하는 대량 제조업체가 없습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 특정 파장을 채우기 위한 제품을 맞춤형으로 제공하는 중소 규모의 벤더를 찾는 것은 가능합니다.
각 재료 기술이 가장 효과적인 파장 영역은 각 범위의 거의 중앙에서 찾을 수 있습니다. 반도체의 도핑 수준이 이상적인 수준보다 높아지거나 낮아지면 효율성이 떨어집니다. 이러한 이유로 파란색 LED는 녹색 또는 근자외선 LED보다 훨씬 더 많은 빛을 생성하고 황색은 황록색 LED보다 더 많은 빛을 생성하며 근적외선은 660nm보다 더 많은 빛을 생성합니다. 에지보다는 스펙트럼의 중간을 디자인하는 것이 항상 더 나은 선택입니다. 또한 재료 기술의 경계를 넘지 않는 상품을 얻는 것이 더 간단합니다.
LED에 전류 및 전압 공급
LED는 다이오드이며 반도체이고 작동하려면 최소 전압이 필요하지만 전류 모드에서 작동해야 합니다. DC 모드에서 LED를 사용하는 경우 두 가지 기본 방법이 있습니다. 전류 제한 저항을 사용하는 것이 가장 간단하고 널리 사용됩니다. 저항의 상당한 열 및 전력 손실은 이 기술의 단점입니다. 공급 전압은 LED의 순방향 전압보다 상당히 높아야 전류가 온도 변화에 걸쳐 그리고 장치 간에 안정적으로 유지됩니다.
상용 기성품 LED 드라이버는 다양한 공급업체에서 제공합니다. 밝기 제어를 위해 일반적으로 펄스 폭 변조 원리를 활용하여 작동합니다.
직렬 및 병렬로 연결된 어레이에 대해 고전류 및/또는 고전압 모드에서 LED를 펄싱할 때 별개의 문제가 발생합니다. 초보 설계자가 5A 및 20V를 제공할 수 있는 전류 제어 펄스 드라이브를 만드는 것은 실용적이지 않습니다. 일부 회사는 펄스 LED용 특수 도구를 생산합니다.
사람이 볼 수 있는 애플리케이션의 LED
정확한 색상은 루멘 또는 칸델라의 정확한 출력보다 LED를 직접 보거나 조명 장치로 활용하는 상황에서 훨씬 더 중요합니다. 뇌는 광도의 변화에 대해 탁월한 조정을 하는 반면 인간의 눈은 이에 비교적 무관심합니다. 예를 들어 건물에서 LED 비디오 화면을 보는 보통 사람은 화면의 일부가 바로 축에 있는 부분과 비교하여 축에서 10도에서 20도 떨어져서 보여지기 때문에 밝기가 20% 감소하는 것을 알아차리지 못할 것입니다. 이것은 시야의 가장자리를 향해 움직일 때 감지되지 않는 점진적인 변화입니다. 대조적으로, 사람의 눈은 색 변화를 알아차리고 한 영역의 LED가 다른 영역의 LED와 10nm 파장 차이가 있는 경우 불편함을 느낄 것입니다.
오늘날 사용되는 대부분의 백색 LED는 청색 LED에 더 긴 파장의 가시광선 형광체를 주입하여 생성됩니다. 햇빛과 스펙트럼 유사성은 연색 지수(CRI)로 측정됩니다. 오늘날 일반 조명에 사용되는 대부분의 LED는 CRI가 80 이상이며 100은 햇빛에 해당하는 것으로 간주됩니다. 백색 LED는 CRI의 발전과 향상된 광학 효율로 인해 대부분의 조명 응용 분야에서 가장 많이 찾는 제품이 되었습니다.
LED의 이점 및 용도
필터링된 조명과 비교하여 LED는 파장 스펙트럼이 보다 정확하게 지정되기 때문에 단색 응용 분야에 여러 가지 이점이 있습니다. 일반 조명 용도로 필터링된 백열 전구를 사용하면 에너지 절감 효과가 100배 이상 높아질 수 있습니다. 교통 신호 및 건축 조명과 같은 애플리케이션은 이로부터 큰 이점을 얻습니다. 작은 태양 전지판은 큰 발전기 대신 저전력 휴대용 고속도로 LED 표지판에 쉽게 전력을 공급할 수 있으며 이는 분명한 이점입니다.
일반적으로 LED는 저렴하고 신뢰할 수 있으며 레이저보다 저렴한 전자 장치로 전원을 공급받을 수 있습니다. LED는 이제 미국과 유럽 연합에서 별도로 분류됩니다. 다행스럽게도 레이저 및 레이저 다이오드와 달리 LED에는 동일한 눈 안전 문제나 경고가 없습니다. 반면에 LED로 광학적으로 조밀하고 매우 작고 고도로 시준된 스폿을 생성하는 것은 불가능합니다. 조밀한 영역에서 예외적으로 높은 전력 밀도를 요구하는 응용 분야에는 거의 항상 레이저가 필요합니다.
오늘날 LED는 다양한 분야와 응용 분야에서 활용되고 있습니다(표 1). 이 장치는 매우 경제적이며 레이저 및 램프에 비해 뛰어난 신뢰성, 고효율 및 총 시스템 비용 절감 덕분에 소비자 및 산업 시장 모두에 매력적입니다. 각각의 고유한 LED 기술 및/또는 색상은 특정 용도의 요구를 충족하도록 만들어졌습니다.
