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LED란 무엇일까? LED의 기본 원리와 종류, 장점

10여 년 전만 해도 생소한 기술이었던 LED. 하지만, 지구 온난화 등 환경문제와 에너지 절감의 필요성이 대두하면서 전 세계적으로 환경 규제가 강화되고, 이에 따라 친환경 기술인 LED가 주목받고 있습니다.

LED는 일반 가정/전시 등에 사용되는 실내조명과 건축/스포츠/테마파크 등에 사용되는 경관조명, TV, 자동차, 휴대폰, 전광판 등 우리 실생활 곳곳에서 쉽게 접할 수 있는데요,

반짝반짝 아름답게 빛을 발하는 LED도 반도체라는 사실, 알고 계셨나요? 우리가 흔히 알고 있는 작고 얇은 반도체 IC칩처럼, LED도 반도체의 종류인데요,

이번에는 빛나는 반도체인 LED의 기본원리와 종류, 그리고 장점 등에 대해 알아보겠습니다.

■ LED(Light Emitting Diode), 발광 다이오드 혹은 빛나는 반도체

LED(Light Emitting Diode)는 우리 말로는 ‘발광다이오드’라고 표기하며, 전류를 가하면 빛을 발하는 반도체 소자입니다. 반도체는 크게 단원소 반도체, 화합물 반도체, 그리고 유기물 반도체로 분류되는데요, LED는 이 중 화합물 반도체에 속합니다.

화합물 반도체란 실리콘, 게르마늄 등 하나의 원소로 이루어진 단원소 반도체와 달리, 2종 이상의 원소로 이루어진 반도체입니다. LED는 주로 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 갈륨비소인(GaAsP), 갈륨질소(GaN) 등으로 만들어지며, 어떤 화합물을 쓰느냐에 따라 LED 빛의 색깔이 달라집니다.

유기물 반도체는 탄소와 불소 등으로 구성되어 얇고 유연한 것이 특징인데요, CES 2013에서 공개되었던 플렉시블 OLED ‘윰(YOUM)’이 바로 유기물 반도체의 일종입니다. 굽히고 말고 자유자재로 변형이 가능한 차세대 디스플레이로, 전 세계의 관심을 받기도 했습니다.

■ 자외선부터 적외선까지, 전기에너지를 빛에너지로 발산하는 LED

그렇다면 LED는 어떻게 빛을 발하는 것일까요? LED는 쉽게 설명하면, 전기에너지를 빛에너지로 변환시켜주는 ‘광반도체’입니다. 기본적으로 LED는 양(+)의 전기적 성질을 가진 p형 반도체와 음(-)의 전기적 성질을 지닌 n형 반도체의 이종접합 구조를 가집니다. 전자(electron)가 많아 음의 성격을 띤 n형 반도체와 전자의 반대 개념인 정공(hole)이 많아 양의 성격을 띤 p형 반도체가 얇은 층 형태로 붙어 있는데요

LED는 어떻게 빛을 발하는 것일까요

순방향으로 전압을 가하면, 수 볼트의 전압으로 전류가 흘러 발광합니다. 즉, n층의 전자가 p층으로 이동해 정공과 결합하면서 에너지를 발산하는 것인데요, 이 때 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산하는 것이 바로 LED입니다. 

n층의 전자와 p층의 정공이 결합

n층의 전자와 p층의 정공이 결합하면서 전도대(Conduction Band, Ec)와 가전자대(Valance Band, Ev) 사이의 에너지 준위(eV) 차이에 따라 에너지를 발산하는데요, 이 에너지 준위 차이인 밴드갭 에너지(Eg)에 따라 빛의 색상이 정해집니다. 즉, 에너지의 차이가 크면 단파장인 보라색 계통의 빛을 나타내고, 에너지 차이가 작으면 장파장인 붉은색 계통의 빛이 나옵니다.

또한, 앞에서 어떤 화합물을 쓰느냐에 따라 LED 빛의 색깔이 달라진다고 했는데요, 이는 화합물의 재료에 따라 에너지 준위(eV) 차이가 달라지기 때문입니다.

가시광 영역

LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 가시광선 LED(VLED), 적외선 LED(IR LED), 자외선 LED(UV LED)로 구분되는데요, 가시광선 LED는 전체 LED 시장의 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 적색, 녹색, 청색, 백색 LED 등이 있습니다. 적외선 LED는 우리가 자주 사용하는 리모콘이나 적외선통신, cctv 적외선 카메라 등에 사용되고 있으며, 자외선 LED는 살균, 피부치료 등 생물•보건 분야와 검사 목적 등으로 사용되고 있습니다.

■ 친환경이기에 더욱 가치 있는 광원, LED

방출하는 빛의 종류에 따라 쓰임새도 다양한 LED의 장점은 무엇일까요?

1) 에너지 효율은 UP↑, 전력소모는 Down↓

LED의 가장 큰 특징은 바로 ‘고효율, 저전력, 장수명’이라는 것입니다. 전 세계적인 에너지 고갈과 환경오염으로 고효율/저전력 기술에 관한 관심과 기대가 커지고 있는데요, 친환경 특성으로 차세대 광원으로 주목받고 있는 LED는 기존 백열등 대비 1/5 수준의 전력만 소비하기 때문에 에너지를 크게 절감할 수 있는 것이 특징입니다.

또한, 현재 1만에서 5만 시간에 이르는 반영구적인 장수명도 큰 장점인데요, 이는 백열등 대비 15배 이상의 긴 수명으로, 하루 10시간씩 1년을 사용한다고 가정했을 때, 기본적으로 30년 이상 사용할 수 있는 장수명입니다. 이렇게 사용했을 때 기존 조명 대비 전기요금이 최대 87% 수준으로 절감되는 것 또한 큰 특징이지요!

2) 지구를 보호하는 친환경 기술!

LED는 지구를 보호하는 친환경 기술입니다. 환경규제 물질로 지정된 수은(Hg)을 사용하는 형광등과 달리 LED는 수은(Hg)을 전혀 함유하지 않아, 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않는 친환경 기술인데요, 또한, 자외선과 다른 유해성분 방출이 없어, 지구와 함께 우리의 소중한 피부까지 보호할 수 있다는 사실!

3) Digital, 반도체로 빠른 응답속도!

기존 아날로그 조명과 달리 LED는 디지털 반도체 소자이기 때문에 제어하기 쉬운데요, 빛의 색상이나 온도, 밝기 등을 제어할 수 있어 단순히 빛을 밝히는 광원이 아닌, 다양한 기능을 갖춘 조명으로 만들 수 있습니다. 다양한 컬러와 밝기, 디밍(Dimming) 등으로 감성적인 조명과 분위기를 연출할 수 있는 것이죠! 또한, LED 칩은 반도체 소자이기 때문에 쌀알 크기보다 작은데요, 이처럼 작은 특성으로 공간을 절약할 수 있고, 다양한 디자인을 구현할 수 있어 새로운 가능성을 제시하고 있습니다.

지금까지 LED의 정의와 기본 원리, 종류, 장점에 대해 알아보았는데요, LED도 반도체라는 사실, 이제 아셨죠?! 다음에는 지금의 LED 기술이 있기까지의 역사와 그 발전과정에 대해 알아보겠습니다. 많이 기대해주세요~