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LED

1. 개요기존 광원에 비해 에너지 절감 효과가 뛰어나고 거의 반영구적으로 사용할 수 있는 차세대 광원 ‘발광다이오드(LED)’가 서서히 그 빛을 발하고 있다. LED의 한계였던 휘도(밝기) 문제가 최근 크게 개선되면서 응용시장이 산업 전반으로 확산, 본격적인 LED시대를 예고하고 있다. 특히 미국의 이라크 공격이 임박했다는 소식으로 유가가 폭등, 에너지 절감이 국가적인 화두로 등장하면서 전력 소모량을 대폭 줄일 수 있는 LED 및 응용 제품에 대해 산업계의 이목이 집중되고 있다. 실제 세계 각국이 주 에너지원으로 사용하는 석유자원은 수십 년 정도가 지나면 바닥을 드러낼 것으로 예상된다. 따라서 선진국들은 새로운 에너지원을 찾는 데 박차를 가해왔다. 특히 한정된 석유 자원을 효율적이고도 장시간 사용할 수 있는 새로운 발광원을 찾는 데 심혈을 기울였다. LED산업이 급부상하는 이유가 바로 이 때문이다.2. LED의 발광원리‘Light Emittion Diode’의 머리글자인 LED는 지난 1960년대 초 연구되기 시작해 60년대 후반부터 상용화가 이뤄졌다. LED는 등장하자마자 우수한 내진동성, 고신뢰성, 저전력 소모량 등의 뛰어난 특성을 바탕으로 주목받았다. 그러나 엄청난 가격 부담으로 인해 초기엔 우주선 내의 표시램프 등 극소수 분야에서 사용됐다.LED의 발광원리는 간단히 말해 LED 안쪽에 위치한 발광소자에 전기에너지가 가해지면 발광소자가 전기에너지를 빛으로 변환해 출력하는 것이다. 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며 원자 내부에는 핵이 있다. 그 주위를 돌고 있는 전자는 궤도를 형성하면서 회전하는데 궤도가 핵에서 멀어질수록 궤도를 돌고 있는 전자는 많은 에너지를 가지고 있어야만 한다. 낮은 궤도에서 돌고 있던 전자가 외부로부터 에너지를 받으면 높은 궤도로 뛰어 올라가게 되며, 높은 궤도에서 불안하게 머물러 있는 전자는 궤도로 내려갈 때 에너지를 내놓는다. 이때 발산되는 에너지를 빛의 형태로 조절하는 것이 바로 LED다.LED 소자는 사용하는 재료의 종류에 파장을 가지고 있어서 청색으로 나타난다. 결국 3원색인 적(R), 녹(G), 청(B) 소자를 조합해 컬러를 구현하는 것이다.3. LED의 역사LED는 기본적으로 p형와 n형이 접합된 반도체 양쪽에 전극 단자를 만들고 단자간에 전압을 가하면 전류가 흘러 p-n접합 부근에서 빛을 방출하는 소자를 말한다. 이러한 LED의 시조는 1923년에 탄화규소(SiC)재료에서 직류전류를 흘렸을 때에 발광했던 최초의 물질로 보고되고 있다. 그러니 이 당시는 SiC의 성장이 대단히 어려웠고, 또한 다루기도 쉽지 않았기 때문에 그 후에는 진전되지는 않았다. 이후 1952년에는 Si과 Ge의 반도체 p-n 접합에서 발광이 처음 보고가 되었고, 또한 GaP와 같은 III-V의 화합물 반도체가 LED재료로써 처음으로 제안되기도 하였다. 1955년에는 GaP 단결정을 성장시켜서 점접촉의 전극에 의해 오렌지 발광을 관측하게 되었다. 실제적인 연구는 1960년대에 많이 이루어졌는데, 1962년에는 GE에서 현재와 같은 반도체 LED를 개발하였고, 1968년에는 GaAsP의 3원계 화합물로 된 적색 LED가 양산되어 미국에서 상용화되었다. LED가 처음으로 사용 된 곳은 우주선내의 표시램프가 최초라고 말해 지고 있다. 이것은 백열전구에 비해 필라멘트가 없고, 내진동성이 우수하고, 신뢰성이 매우 높은점, 또 작은 전류로 점등하고 동시에 발열이 매우 작은점 등의 특징을 유효하게 활용하기 위하여 사용되어 진 것으로 생각된다.1970년대 전반까지는 실내에서 사용되는 표시기용으로 사용이 국한되었는데, 이 사이 반도체 기술이 실리콘을 중심으로 현저하게 진보되어 저전력화, 소형화, 집적화가 진척되었고, 이것의 기본적 기술력이 화합물 반도체에도 응용전개 된 결과, LED 관련 기술을 약진시키는 원동력으로 작용하게 되었다. 특히 화합물 반도체인 GaAs와 GaP 등의 단결정 성장 기술이 현저하게 발달되어 고품위 기판 양산 기술이 확보 된 것이다. 사실상 1980년대 초까지만 하더라도 LED의 에너지 변환효율이크 등이나 미등, 적색 신호등 등에 사용되게 되었다. 1992년에서부터는 AlGaAs기술보다 훨씬 휘도를 높일 수 있고, 신뢰성을 확보할 수 있는 InGaAlP기술이 개발됨으로써 초고휘도 적색 및 주황색 LED이 상용화되기 시작하였다. 사실상 이때부터 LED 교통 신호기의 보급의 혁명이 시작되었다고 볼 수가 있다. 1993년 말에는 일본의 니치아 화학에서 InGaN 고휘도 청색 LED가 개발되었고, 1995년에는 고휘도 녹색 LED가 개발 됨으로써 오랜 숙원이었던 빛의 삼원색인 적색, 청색, 녹색 LED가 등장하게 되었다. 1996년에는 청색 LED에 형광물질을 첨가 시켜서 구현한 백색 LED가 개발되었고, 2000년도에는 LED의 성능지수가 형광등보다도 훨씬 좋은 100 lm/W를 능가하는 적색 LED가 개발됨으로써 반도체 조명의 시대가 도래를 예고하게 되었다.4. LED의 특징21세기 빛의 혁명을 주도하고 있는 LED를 조명용 광원으로 사용하기 위해서는 무엇보다 기존 광원과 비교하여 LED 광원의 구조적, 광학적, 전기적, 환경적 특성을 이해하고, 이러한 특성을 조명기구 설계 시 적절히 반영하는 것이 요구된다. LED 광원의 주요 특징을 살펴보면 다음과 같다.(1) 작고 견고한 구조(장 수명)LED는 기존의 유리전구 형태의 광원과 다르게 단단한 고체형태의 작은 점광원으로 개당 광 출력이 매우 작은 반면 견고하고 수명이 긴 특성을 지니고 있다.LED 광원의 수명은 100,000시간 정도로 산출되어지며, 여기에 환경의 변화 및 물리적인 악조건을 감안하여도 통상 40,000~50,000 시간의 수명을 예측하고 있다. 이는 기존 전구의 수명인 1000~4000시간에 비해 배교할 수 없을 정도의 긴 수명으로 조명 기기의 유지보수를 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.LED의 개당 광 출력은 수 Lumen 정도로 조명용 광원으로 사용하기 위해서는 수십~수백 개를 직병렬로 연결하여 사용하며, 이러한 작은 점광원을 적절히 배열함으로써 다양한 형태를 갖는 조명기구의 설계가을 발광하므로 특정한 색을 요구하는 조명기구에 적용할 경우 탁원한 성능과 유효 발광효율을 기대할 수 있다. 현재 통용되는 LED의 발광효율은 20lm/W 수준으로 백열전구의 15lm/W를 추월하였으며, 각종 신호용 조명기구에서 경이적인 에너지절약 효과를 발휘하고 있다. 예로서 적색 백열전구 신호등의 경우 적색 투과율이 10% 정도로 적색 발광효율은 1.5lm/W 정도로 감소하는 반면 LED는 선명한 적색 그 자체를 20lm/W로 발광하기 때문에 전구식에 비해 90% 이상의 에너지 절약이 가능하게 된다. 이밖에 LED 교통신호등은 장 수명에 따른 유지보수비용 75% 절감, 시인성 향상에 따른 교통사고 저감 등이 기대된다. 주요 응용분야로는 LED 교통신호등을 비롯하여 항공장애등, 비상구, LED 등명기 등이 있다.(3) 용이한 광 출력 제어와 빠른 응답LED의 광 출력을 제어하기 위해서는 전원전압을 제어하는 방법과 전원전압을 일정하게 유지하면서 펄스폭을 변조하는 방법이 있다. 일반적으로 신호등과 같이 단순한 조명장치는 전압 제어 방식을, 전광판과 같이 다양한 밝기와 색을 연출하여야 하는 복잡한 조명장치는 디지털 기술을 이용한 펄스 폭 변조방식을 사용하고 있다.기존 백열전구의 경우 빛을 발광하기 위해서는 전원 공급 후 필연적으로 필라멘트가 가열되는 시간이 필요하게 되며, 통상 2/10초가 소요되는 것으로 평가되고 있다. 이에 반해 LED는 전원 공급과 동시에 전자와 양전하가 결합하여 순간적으로 빛을 발광하게 된다. 이러한 순간 점등특성을 이용하여 특수 조명기구에 응용할 경우 큰 효과를 기대할 수 있다.예로써 자동차의 브레이크등(적색)에 적용할 경우 반사경을 사용하지 않아 컴팩트하게 다양한 모양으로 설계가 가능하며, 폐차 시 까지 램프의 교환 없고 소비전력을 1/10로 줄일 수 있는 장점 외에 빠른 점소등 응답으로 교통안전에 크게 기여하는 것으로 평가되고 있다.(4) 큰 지향성 - Task lightingLED는 반사 컵과 에폭시 렌즈의 구조 등에 의해 배광특성이 수록 중심 축 광도는 작아진다.(5) 낮은 UV / IR가시광선의 좁은 파자대를 발광하는 LED 광원은 적외선과 자외선 방출에 의한 열전달은 거의 없는 반면 접합부위에서 큰 열이 발생한다. 이러한 열 발생은 LED 성능을 크게 좌우하므로 조명시스템 설계 시 열처리 기술은 매우 중요한 요인의 하나로 고려된다. 기존 광원의 경우 IR 발생비율이 높은 반면 LED의 경우 열 발생비율이 높다.IR과 UV가 적다는 것은 빛에 의해 피사체에 전달되는 에너지가 적다는 의미로 국부적으로 발열된 에너지를 외부로 적절히 방출할 경우 박물관 조명, 냉동 냉장고의 내부 조명에 우수한 효과를 기대할 수 있다. 예로써 현재 형광등을 주로 사용하는 냉장 쇼 케이스의 경우 짧은 수명에 깨지기 쉽고, 불균일한 조도와 빛에 의한 열전달 등이 문제되나 LED를 사용할 경우 작은 점광원을 균일하게 분배하여 조도를 균일하게 유지하기 용이하고, 외부로 방열처리 시 냉장효율을 증가시킬 수 있다. 또한 형광등의 경우 저온에서 광출력이 25% 감소하는 반면 LED는 광 출력이 증가하여광 이용효율 향상도 이룰 수 있다.5. LED의 종류(1) GaP:ZnO 적색 LEDGaP 적색 LED는 1970년경부터 생산되어 LED의 주축이 되었고 현재의 가시 LED 램프에서 GaP가 차지하는 비율은 매우 높다. 이 LED는 고전류 밀도영역에서의 발광효율에 한계가 있고 저전류에서의 사용에 적합하기 때문에 표시소자는 포터블 타입을 비롯해 옥내용 각종 기기에 많이 이용되고 있다.(2) GaP:N 녹색 LEDZnO 적색 LED와 마찬가지로 GaP이며, GaP 기판 결정 위에 LPE법을 이용해 p-n접합을 형성하여 제작하는 LED로 옥외용 디스플레이로도 사용되고 있다.(3) GaAsP계 적색 LEDGaAsP 결정은 GaAs1-XPX의 성분비 x를 바꿈으로써 적외선(x=0)부터 녹색(x=1)까지 발광한다.(4) GaAsP계 등황색.황색 LEDGaAsP의 등황색 LED는 기판결정에 GaP를 이용하여 VPE법에 의해 발광용 p-n

공학/기술| 2007.05.08| 9페이지| 1,500원| 조회(480)

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