발광 다이오드의 작동 원리

일반적으로 LED라고 하는 발광 다이오드 는 전자 제품 세계에서 이름이 알려지지 않은 진정한 영웅입니다. 그들은 모든 종류의 장치에서 다양한 작업을 수행합니다. 그것들은 디지털 시계 에 숫자를 형성 하고 , 리모컨 에서 정보를 전송 하고 , 시계에 불을 켜고, 가전제품이 켜져 있을 때 알려줍니다. 함께 모이면 대형 텔레비전 화면 에 이미지를 형성 하거나 신호등을 밝힐 수 있습니다.

기본적으로 LED는 전기 회로에 쉽게 들어가는 작은 전구입니다. 그러나 백열전구와 달리 필라멘트가 타지 않고 전기를 덜 사용하며 특별히 뜨거워지지 않습니다. 반도체 재료 에서 전자의 움직임에 의해서만 빛을 발하며 표준 트랜지스터만큼 오래 지속됩니다. LED의 수명은 백열전구의 짧은 수명을 수천 시간 이상 능가합니다. 이러한 장점 때문에 초소형 LED는 LCD TV 조명에 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다 .

LED는 기존의 백열 램프에 비해 몇 가지 장점이 있지만 주요 장점은 효율성 입니다. 에서는 백열 전구 , 광 제조 공정 (필라멘트가 조명하도록 가온되어야한다) 많은 열을 생성하는 것을 포함한다. 램프를 히터로 사용하지 않는 한 이 에너지는 완전히 낭비됩니다. 사용 가능한 전기의 상당 부분이 가시광선을 생성하지 않기 때문입니다. LED는 상대적으로 열이 거의 발생하지 않습니다. 훨씬 더 높은 비율의 전기 에너지가 직접 빛을 생성하는 데 사용되므로 전기 수요가 상당히 줄어듭니다.

와트당 LED는 일반 백열 전구보다 더 많은 루멘(또는 가시광선의 양)을 출력합니다. 발광 다이오드는 백열등 보다 발광 효율 (전기가 가시광선으로 얼마나 효율적으로 변환되는지)이 더 높습니다. 8와트. 그리고 동일한 LED 전구는 25,000시간 동안 사용할 수 있지만 60와트 백열등은 약 1,200시간 동안만 켜집니다. 즉, LED 전구 1 개로 60와트 백열전구 21개를 연속으로 태울 수 있습니다[출처: EarthEasy ].

최근까지 LED는 고급 반도체 재료를 중심으로 제작되었기 때문에 대부분의 조명 애플리케이션에 사용하기에는 너무 비쌌습니다. 그러나 2000년 이후 반도체 장치의 가격이 급락하면서 다양한 상황에서 LED를 보다 비용 효율적인 조명 옵션으로 만들었습니다. 백열전구보다 더 비쌀 수 있지만( 백열 전구의 경우 약 5달러 대 1달러 ), 장기적으로 더 저렴한 비용으로 더 나은 구매를 할 수 있습니다. 여러 회사에서 긴 수명의 밝은 빛과 놀라운 에너지 효율성을 약속하는 백열등 및 소형 형광등과 경쟁하도록 설계된 LED 전구를 판매하기 시작했습니다.

이 기사에서는 이러한 유비쿼터스 깜박이 뒤에 있는 기술을 살펴보고 그 과정에서 전기와 빛의 멋진 원리를 조명합니다.

내용물

1. 다이오드란?
2. 다이오드는 어떻게 빛을 생성할 수 있습니까?
3. LED 전구 대 CFL 및 백열등
4. LED TV와 발광 다이오드의 미래

다이오드는 가장 간단한 종류의 반도체 장치입니다. 일반적으로 반도체 는 전류를 전도하는 능력이 다양한 물질입니다. 대부분의 반도체는 불순물( 다른 물질의 원자 )이 추가 된 불량 전도체로 만들어집니다 . 불순물을 첨가하는 과정을 도핑 이라고 합니다.

LED의 경우 도체 재료는 일반적으로 AlGaAs(알루미늄-갈륨-비소)입니다. 순수한 알루미늄-갈륨-비소에서 모든 원자는 이웃과 완벽하게 결합하여 전류를 전도할 자유 전자(음으로 하전된 입자)를 남기지 않습니다. 도핑된 물질에서 추가 원자는 균형을 변경하여 자유 전자를 추가하거나 전자가 갈 수 있는 구멍을 만듭니다. 이러한 변경 중 하나는 재료를 더 전도성으로 만듭니다.

여분의 전자를 가진 반도체 는 음전하를 띤 여분의 입자를 가지고 있기 때문에 N형 물질 이라고 합니다. N형 물질에서 자유 전자는 음전하 영역에서 양전하 영역으로 이동합니다.

여분의 정공이 있는 반도체를 P형 물질 이라고 합니다. 전자는 음전하를 띤 영역에서 양전하를 띤 영역으로 이동하면서 구멍에서 구멍으로 이동할 수 있습니다. 결과적으로 정공 자체가 양전하를 띤 영역에서 음전하를 띤 영역으로 이동하는 것처럼 보입니다.

다이오드는 각 끝에 전극이 있는 P형 재료 섹션에 결합된 N형 재료 섹션으로 구성됩니다. 이 배열은 한 방향으로만 전기를 전도합니다. 다이오드에 전압이 가해지지 않으면 N형 물질의 전자가 층 사이의 접합부를 따라 P형 물질의 정공을 채우고 공핍 영역을 형성합니다. A의 공핍 영역에 구멍이 모두 너무 전자에 대한 자유 전자 또는 빈 공간이없고, 충전되고, 전기가 흐를 수 - 상기 반도체 재료는 원래의 절연 상태로 복귀된다.

공핍 영역을 없애기 위해서는 N형 영역에서 P형 영역으로 전자가 이동하고 정공이 반대 방향으로 이동해야 합니다. 이렇게 하려면 다이오드의 N형 쪽을 회로의 음극에 연결하고 P형 쪽을 양극에 연결합니다. N형 물질의 자유 전자는 음극에 의해 반발되어 양극으로 끌려갑니다. P형 재료의 구멍은 다른 방향으로 이동합니다. 전극 사이의 전압 차가 충분히 높으면 공핍 영역의 전자가 구멍에서 부스트되어 다시 자유롭게 움직이기 시작합니다. 공핍 영역이 사라지고 전하가 다이오드를 가로질러 이동합니다.

P형 쪽을 회로의 음극에 연결하고 N형 쪽을 양극에 연결하여 반대로 전류를 흐르게 하면 전류가 흐르지 않습니다. N형 물질의 음전자는 양극으로 끌립니다. P형 물질의 양극은 음극에 끌립니다. 정공과 전자가 각각 잘못된 방향으로 움직이기 때문에 접합부를 가로질러 전류가 흐르지 않습니다. 공핍 영역이 증가합니다. ( 전체 프로세스에 대한 자세한 내용은 반도체 작동 방식 을 참조하십시오.)

이 설정에서 전자와 정공 간의 상호 작용에는 흥미로운 부작용이 있습니다. 즉, 빛을 생성합니다!

빛 은 원자가 방출할 수 있는 에너지의 한 형태입니다 . 에너지와 운동량은 있지만 질량은 없는 많은 작은 입자 같은 패킷으로 구성됩니다. 광자 라고 하는 이러한 입자 는 빛의 가장 기본적인 단위입니다.

광자는 이동하는 전자의 결과로 방출됩니다. 원자에서 전자는 핵 주위의 궤도를 따라 움직입니다. 다른 궤도에 있는 전자는 다른 양의 에너지를 가집니다. 일반적으로 더 큰 에너지를 가진 전자는 핵에서 더 멀리 떨어진 궤도에서 이동합니다.

전자가 낮은 궤도에서 높은 궤도로 점프하려면 무언가가 에너지 수준을 높여야 합니다. 반대로, 전자는 높은 궤도에서 낮은 궤도로 떨어질 때 에너지를 방출합니다. 이 에너지는 광자의 형태로 방출됩니다. 더 큰 에너지 강하는 더 높은 주파수를 특징으로 하는 더 높은 에너지의 광자를 방출합니다.

앞에서 보았듯이 다이오드를 가로질러 이동하는 자유 전자는 P형 층에서 빈 구멍으로 떨어질 수 있습니다. 이것은 전도대에서 더 낮은 궤도로 떨어지는 것을 포함하므로 전자는 광자의 형태로 에너지를 방출합니다. 이것은 모든 다이오드에서 발생하지만 다이오드가 특정 물질로 구성되어 있을 때만 광자를 볼 수 있습니다. 예를 들어 표준 실리콘 다이오드의 원자는 전자가 상대적으로 짧은 거리에 떨어지는 방식으로 배열됩니다. 결과적으로 광자의 주파수는 너무 낮아서 사람의 눈 에는 보이지 않습니다 . 즉, 광 스펙트럼의 적외선 부분에 있습니다. 물론 이것이 반드시 나쁜 것은 아닙니다. 적외선 LED는 무엇보다도 원격 제어에 이상적입니다 .

디지털 시계의 숫자를 밝히는 것과 같은 가시 발광 다이오드(VLED)는 전도대와 낮은 궤도 사이의 간격이 더 넓은 것이 특징인 재료로 만들어집니다. 간격의 크기는 광자의 주파수를 결정합니다. 즉, 빛의 색상을 결정합니다. LED는 리모콘에서 전자 제품의 디지털 디스플레이에 이르기까지 모든 분야에 사용되지만 가시 LED는 긴 수명과 소형 크기 덕분에 널리 사용됩니다. LED에 사용되는 재료에 따라 적외선, 자외선 및 그 사이의 가시 스펙트럼의 모든 색상에서 빛나도록 만들 수 있습니다.

모든 다이오드가 빛을 방출하지만 대부분은 매우 효과적으로 빛을 방출하지 않습니다. 일반 다이오드에서 반도체 물질 자체는 결국 많은 빛 에너지를 흡수하게 됩니다. LED는 많은 수의 광자를 외부로 방출하도록 특별히 제작되었습니다. 또한 특정 방향으로 빛을 집중시키는 플라스틱 전구에 들어 있습니다. 다이오드에서 나오는 대부분의 빛은 전구의 측면에서 반사되어 둥근 끝을 통해 이동합니다.

수십 년 동안 100와트 백열 전구 는 복도와 침실을 밝혀왔습니다. 60와트 백열등은 독서등과 벽장에서 더 부드러운 빛을 비췄습니다. 그러나 백열등은 비효율적이고 열로 많은 에너지를 낭비하며 형광등보다 수명이 짧습니다. 최근에는 더 효율적인 소형 형광등(CFL) 전구가 인기 있는 대안이 되었습니다. 백열등은 평균 약 1,200시간 동안 지속되지만 CFL은 10,000시간 동안 지속됩니다[출처: EarthEasy ]. 불행히도 CFL에는 잠재적으로 위험하고 폐기하기 힘든 독성 수은이 포함되어 있습니다.

LED 전구를 입력합니다. LED는 독성 수은의 단점 없이 CFL의 장점인 낮은 전력 소비와 긴 수명을 제공합니다[출처: Scheer and Moss ]. 예를 들어, 60와트 백열 전구는 연간 150달러 이상의 전기를 소비하고 약 800루멘의 빛을 제공합니다. 동등한 소형 형광등은 15와트 미만을 사용하고 연간 전기 비용은 약 $35입니다. LED 전구는 약 8.5와트의 전력을 소비하고 연간 약 $21의 비용이 들며 25,000시간 이상 지속됩니다[출처: EarthEasy ]. 1년은 8,760시간 밖에 없습니다. LED 전구가 평균적인 가정에서 얼마나 오래 지속되는지 상상해 보십시오!

그렇기 때문에 LED 소리가 매우 훌륭하게 들리지만 실제로도 그렇습니다. 그러나 백열 전구와 소형 형광 전구가 여전히 주변에 있는 이유가 있습니다. 가장 큰 이유는 가격입니다. 최근 몇 년 동안 LED 전구의 가격이 내려갔음에도 불구하고 LED 전구는 다른 옵션보다 비용이 많이 듭니다. 그러나 더 긴 수명과 극적으로 낮은 전력 사용량은 더 높은 진입 장벽을 보완하는 데 도움이 됩니다.

높은 비용 장벽 외에도 LED는 고온에 취약합니다. LED 회로가 너무 뜨거워지면 이 기사의 앞부분에서 언급한 접합부를 통해 더 많은 전류가 흐르게 됩니다 . 접합부가 너무 뜨거워지면 전구가 타버리게 됩니다[출처: LEDs Magazine ]. LED에는 CFL 전구와 달리 수은이 없지만 납이나 비소와 같은 다른 위험한 요소가 포함될 수 있습니다[출처: Scheer and Moss ]. 또한 한 연구에서는 LED 전구를 사용하면 빛 공해가 증가한다는 사실을 발견했습니다[출처: Brady ].

어떤 사람들은 또한 백열등의 모양을 선호하여 노란색으로 보이는 CFL 전구와 LED의 푸르스름한 밝기보다 더 따뜻하다고 느낍니다. 조명 유형의 차이는 약간의 조정이 필요할 수 있지만 LED는 다양한 색상으로도 제공됩니다. LED는 조광이 가능하고(CFL과 달리) 식물의 성장을 촉진하는 데 적합합니다. 식물의 생명에 잠재적으로 해를 끼칠 수 있는 열을 발생시키지 않으면서 수많은 빛을 효율적으로 차단하기 때문입니다.

CFL 및 백열 전구는 인클로저의 색상으로 제한되지만 일부 LED 전구는 수백만 가지 색상을 방출하도록 변경할 수 있습니다. 이 전구는 일반적으로 흰색 LED 전구보다 비싸지만 시간에 따라 색상이 바뀌도록 프로그래밍할 수 있어 사람들이 환경을 더 잘 제어할 수 있습니다.

LED는 디지털 시계판을 밝히는 초창기부터 먼 길을 왔습니다. 2000년대에 LCD TV는 고화질 시장을 장악하고 구형 표준 화질 CRT TV를 뛰어넘는 큰 발전을 이뤘습니다. LCD 디스플레이는 100파운드(45.4kg)가 훨씬 넘는 HD 후면 프로젝션 세트보다 훨씬 더 큰 단계였습니다. 그러나 LED 기술은 시장을 변화시켰습니다. LCD TV는 대형 후면 투사 세트보다 훨씬 얇고 가벼웠지만 여전히 냉음극 형광관을 사용하여 화면을 구성하는 픽셀에 백색광을 투사했습니다. 그것들은 TV 세트에 무게와 두께를 더합니다. LED는 두 가지 문제를 모두 해결했습니다.

두께가 1인치도 되지 않는 거대한 평면 TV를 본 적이 있습니까? 아마도 LED 텔레비전이었을 것입니다. 다음은 두문자어가 약간 혼동되는 부분입니다. LED TV는 화면 자체가 액정으로 구성되어 있기 때문에 여전히 LCD TV 입니다. 기술적으로는 LED 백라이트 LCD TV입니다. 형광등 대신 LED가 화면 뒤에서 빛을 비추고 픽셀을 비추어 이미지를 만듭니다. LED 백라이트 TV는 크기가 작고 전력 소모가 적기 때문에 일반 LCD보다 훨씬 얇고 에너지 효율도 높습니다. 또한 더 넓은 색 영역을 제공하여 보다 생생한 사진을 생성할 수 있습니다.

여러 가지 다른 유형의 LED 백라이트 세트가 시장에 나와 있지만 모두 동일하게 제작되는 것은 아닙니다. 많은 세트가 흰색 LED 가장자리 조명 을 사용 하여 디스플레이 전체에 빛을 비춥니다. 이 세트가 제공하는 유일한 진정한 이점은 얇다는 것입니다. 반면에 RGB LED 백라이트 세트 는 향상된 색상을 제공합니다. 일부 구성 에서는 디스플레이의 다른 부분에 있는 LED를 독립적으로 밝게 하거나 어둡게 하여 보다 역동적인 그림을 생성할 수 있는 로컬 디밍 ( local dimming ) 이라는 기술을 허용합니다. [출처: Morrison]. 그리고 CFL에 비해 LED의 또 하나의 큰 장점을 강조합니다. LED는 실제로 즉시 켜고 끌 수 있기 때문에 어두운 장면에서 멋진 블랙 레벨을 생성합니다. 흰색 형광등은 TV를 사용하는 동안 켜져 있어야 하기 때문에 일부 빛이 새어 나와 어두운 장면에서 화면을 밝게 하는 경향이 있습니다.

최신 LED 디스플레이 중 일부는 유기 발광 다이오드 또는 OLED 로 만들어집니다 . 이러한 반도체를 만드는 데 사용되는 유기 재료는 유연하기 때문에 과학자들이 구부릴 수 있는 조명과 디스플레이를 만들 수 있습니다. 일부 제조업체는 이미 더 작은 OLED 화면을 사용하는 스마트폰 및 기타 장치를 생산하기 시작했습니다. 기술이 더 좋고 더 큰 디스플레이를 허용함에 따라 이전에는 화면을 찾을 수 없었던 곳에서 볼 수 있습니다. 또한 OLED를 사용하면 개별 픽셀을 완전히 끌 수 있어 시청자가 트루 블랙을 볼 수 있습니다.

원래 게시: 2002년 1월 31일

LED는 무엇을 의미합니까?

LED는 무엇에 사용됩니까?

LED 조명은 얼마나 오래 지속됩니까?

모든 조명 소켓에 LED 전구를 사용할 수 있습니까?

LED 전구는 그만한 가치가 있습니까?

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