발광 다이오드 원리, 구조, 동작, 색상, I-V특성,예제 풀이

1. 발광 다이오드란?

발광 다이오드는 가장 보편적인 형태의 반도체 다이오드입니다.
발광 다이오드 원리는 주로 다양한 색상 파장의 가시광, 리모컨용 무선 제어를 위한 무시무시한 적외선 광 또는 전류가 흐를 때 레이저 유형의 광을 방출합니다.

“발광 다이오드” 또는 LED는 전기적 특성이 PN 접합 다이오드와 매우 유사하기 때문에 기본적으로 특수한 종류의 다이오드입니다.
이는 LED가 전류를 전방 방향으로 통과시키지만 역방향으로 전류 흐름을 차단한다는 것을 의미합니다.

발광 다이오드 원리는 매우 얇은 층으로 상당히 고도로 도핑된 반도체 재료로 만들어지며 사용된 반도체 재료와 도핑의 양에 따라 전방 편향 상태에서 특정 스펙트럼 파장의 색상 빛을 방출합니다.

다이오드가 전방 편향 상태일 때, 반도체의 이동대 에서 발생한 전자들이 외부 대 에서 발생한 홀과 재결합하여 충분한 에너지를 방출하여 단색(단일 색상)의 빛을 방출합니다.
이 얇은 층 덕분에 이러한 광자의 상당수가 접합에서 떠나 흩어져 색상 빛 출력을 만들어냅니다.

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2. 발광 다이오드 구조

발광 다이오드(LED)는 PN 접합 다이오드와는 다르게 보다 특별한 구조를 가지고 있습니다.
이들은 전방 편향될 때 전기적 특성이 유사한 LED의 다이오드로서 작동합니다.
이는 LED가 전류가 전방 방향으로 흐르도록 허용하지만 역 방향으로 전류가 흐르지 않도록 차단한다는 것을 의미합니다.

발광 다이오드의 구조는 다른 다이오드와는 매우 다릅니다.
LED의 PN 접합은 투명하고 단단한 플라스틱 에폭시 수지로 만들어진 반구 모양의 외관을 가지고 있습니다.
이렇게 만들어진 외관은 다이오드를 진동이나 충격으로부터 보호하는 역할을 합니다.

또한, 발광 다이오드의 다이오드 PN 접합은 일반 다이오드와는 달리 매우 얇은 층으로 만들어집니다.
이 층의 두께와 반도체 재료의 도핑 양에 따라서 발광 다이오드 원리로 인해 특정 파장의 빛을 방출하는 색상이 결정됩니다.

LED의 구조는 주로 에폭시 렌즈 또는 케이스, 반사 공간 및 리드프레임으로 구성됩니다.

• 에폭시 렌즈 또는 케이스: LED의 상단에는 투명한 에폭시 렌즈 또는 케이스가 부착되어 있습니다.
  이 렌즈 또는 케이스는 LED 칩을 보호하고 외부 환경으로부터 보호합니다.
  또한, 이 렌즈 또는 케이스는 빛이 퍼져나가는 방향을 조절하여 효율적인 빛 방출을 도와줍니다.
  
• 반사 공간: LED의 반사 공간은 LED 칩 주위에 위치하며, 주로 내부에 반사 반사 코팅이 적용됩니다.
  이 반사 코팅은 반사된 빛이 LED에서 방출되는 것을 돕고, 빛의 효율적인 사용을 촉진합니다.
  
• 리드프레임: 리드프레임은 LED를 부착하는 데 사용되는 금속 구조물입니다.
  리드프레임은 LED의 전기적 연결을 제공하고 LED를 PCB 또는 다른 장치에 고정시킵니다.
  또한, 리드프레임은 열을 효율적으로 배출하여 LED의 온도를 유지하는 데 도움이 됩니다.

발광 다이오드 원리로 인해 전방으로 편향될 때 반도체 내의 전자들이 홀과 재결합하면서 충분한 에너지를 방출하여 단일 색상의 빛을 생성합니다.
이러한 빛은 발광 다이오드의 상단부에서 집중되어 외부로 방출되도록 디자인되어 있습니다.
이 때문에 LED의 발광 부위가 가장 밝게 나타납니다.

일부 특수한 용도의 LED는 외관이 반구 모양이 아닐 수 있습니다.
이런 LED의 경우, 상단에 평면이나 실린더 형태의 외관을 가질 수 있습니다.
또는 바디가 막대 모양이거나 화살표 모양을 가질 수도 있습니다.
발광 다이오드는 일반적으로 바닥에서 두 개의 다리를 가지고 있으며, 이 중 하나가 양극이고 나머지 하나가 음극으로 표시됩니다.

3. 발광 다이오드 원리

발광 다이오드 원리로 인해 전자와 양공이 결합할 때 발생하는 에너지를 빛으로 변환하는 반도체 디바이스를 LED라고 합니다.
이는 전류가 디바이스를 통과할 때 발생하는 PN 접합에서 일어나며, 이러한 과정은 기본적으로 전기적 에너지를 광 에너지로 변환하는 것입니다.

발광 다이오드 원리는 전압이 LED에 인가되면 P-형과 N-형 반도체 사이의 PN 접합에서 전자와 양공이 재결합하면서 에너지가 방출됩니다.
이때 방출되는 에너지는 빛으로 나타나며, 이 빛의 색상은 LED에 사용된 반도체 재료에 의해 결정됩니다.
예를 들어, 산화 알루미늄 게르마늄(AlGaAs) 또는 산화 인듐갈륨(AlGaInP)과 같은 재료를 사용하면, 발광 다이오드 원리로 인해 빨간색, 녹색, 파란색 또는 다른 색상의 빛을 생성할 수 있습니다.

발광 다이오드 원리를 이용한 특징 중 하나는 높은 효율성과 긴 수명입니다.
일반적으로 LED는 전구와 비교하여 더 적은 전력을 소비하고 더 오래 지속됩니다.

4. 발광 다이오드 색상

계속 설명을 했지만, 발광 다이오드 원리인 전기가 흐를 때 빛을 내는 반도체 소자가 LED 입니다.
이들은 다양한 색상으로 나옵니다.
가장 흔한 LED 색상에는 빨간색, 주황색, 노란색, 녹색, 파란색, 보라색 등이 있습니다.
이러한 색상은 LED에 사용되는 반도체 물질과 전기적 특성에 의해 결정됩니다.

• 빨간색(Red): 알루미늄 갈륨 인다이드(Aluminum Gallium Indium Phosphide)와 같은 반도체 재료를 사용하여 만들어집니다.
  전력이 거의 없는 상황에서도 광속이 빠르게 반응하며 시각적으로 잘 구별됩니다.
• 주황색(Orange): 주로 디오드 내부에 포함된 유리나 화학 물질의 농도를 조절하여 만들어집니다.
  일부 디오드는 노란색과 빨간색의 혼합물로 주황색을 만들어냅니다.
• 노란색(Yellow): 황화인 갈륨(Gallium Arsenide Phosphide)와 같은 반도체를 사용하여 만들어집니다.
  이러한 LED는 보통 고광도를 가지고 있습니다.
• 녹색(Green): 표준적으로 사용되는 녹색 LED는 인간의 시야에 가장 민감한 파장에 빛을 내기 위해 인간 시각에 최적화된 특정 반도체 재료를 사용하여 만들어집니다.
• 파란색(Blue): 갈륨질화물(Gallium Nitride)을 사용하여 만들어집니다.
  파란색 LED는 흔히 밝고 깨끗한 색상을 내며, 흰색 LED를 만들기 위한 핵심 요소로 사용됩니다.
• 보라색(Purple): 주로 약간의 빨간색과 파란색을 혼합하여 만들어집니다.
  주로 특수 목적으로 사용되며, 일반 조명 용도로는 많이 쓰이지 않습니다.

이러한 다양한 색상의 LED는 각각의 적용 분야와 요구 사항에 따라 선택됩니다.

5. 발광 다이오드 I-V 특성

발광 다이오드 원리를 이해하고, 설계하기 위해서는 LED의 I-V 특성에 대해 알아야 합니다.

• 전압-전류 관계: LED는 전압을 인가할 때 일정한 전압 이상이 걸리면 전류가 흐르기 시작합니다.
  이러한 특성은 일반적으로 LED의 전압-전류 특성 그래프에서 직선 영역으로 표현됩니다.
• 순방향 전압(Forward Voltage): LED가 동작하기 위해 필요한 최소한의 전압을 순방향 전압이라고 합니다.
  이 전압은 LED의 색상과 재료에 따라 달라집니다. 빨간색 LED는 진동 전압이 낮고 파란색 LED는 높습니다.
• 정방향 전류(Forward Current): LED가 켜진 상태에서 흐르는 전류를 정방향 전류라고 합니다.
  일정한 전압 이상이 걸리면 정방향 전류가 급격히 증가하며, 이는 LED가 빛을 발하는 영역입니다.
• 역방향 전류(Reverse Current): LED는 정방향 전압 이하에서는 전류가 흐르지 않아야 합니다.
  그러나 역방향 전압이 인가될 경우 일부 전류가 흐를 수 있습니다.
  이는 역방향 전압에서 발생하는 이온화와 유사한 현상에 의해 발생합니다.
• 온도 의존성: LED의 I-V 특성은 온도에도 영향을 받습니다.
  보통 LED의 온도가 높아지면 진동 전압이 증가하고, 이로 인해 정방향 전류도 증가할 수 있습니다.

발광 다이오드 원리를 이해하고, LED의 I-V 특성은 이해해야 LED를 설계하고 제어하는 데 중요한 정보를 얻을 수 있습니다.
또한, LED의 안정적인 동작을 보장하기 위해 반드시 고려되어야 합니다.

6. 발광 다이오드 – 직렬 저항 계산

6-1) 저항 계산 수식

LED의 직렬 저항 값 R_S​은 Ohm의 법칙을 사용하여 계산됩니다.
LED의 원하는 정방향 전류 I_F​, 회로 전압 V_S​, 그리고 LED의 원하는 전압 저하 V_F​를 알고 있다면 다음과 같이 직렬 저항을 계산할 수 있습니다

R_S​=​(V_S​−V_F​​)/I_F

• 여기서
• R_S​는 직렬 저항 값 (Ω).
• V_S​는 회로 전압 (V).
• V_F​는 LED의 전압 강하 (V)
• I_F​는 LED의 원하는 정방향 전류 (A)

이 공식에 적절한 값을 대입하여 LED를 통한 전류를 원하는 수준으로 제한하는 데 필요한 직렬 저항 값을 결정할 수 있습니다.
이는 회로 내 LED의 적절한 동작과 수명을 보장합니다.

6-2) 예제 풀이

주황색 LED의 전압 강하가 2V이며, 안정화된 5.0V 직류 전원 공급원에 연결되어야 합니다.
전류를 10mA 미만으로 제한하기 위해 필요한 직렬 저항 값을 계산해 보겠습니다.
또한, 계산된 값 대신에 100Ω의 직렬 저항을 사용할 경우 다이오드를 통과하는 전류도 계산해 보겠습니다.

먼저 직렬 저항을 계산합니다.

R_S​=​(V_S​−V_F​​)/I_F =(5V-2V)/0.01A = 300Ω

따라서 300Ω의 직렬 저항이 필요합니다.

이제 100Ω의 직렬 저항을 사용할 경우의 전류를 계산합니다

I=V/R=3V/100Ω=0.03A

따라서 100옴의 직렬 저항을 사용하면 전류가 0.03A가 됩니다.