發光 다이오드

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發光 다이오드
5mm 크기의 發光 다이오드
種類 受動素子 , 光電子
目的 電氣 發光
發明 올레그 로세브 (1927) [1] [2] [3]
제임스 R. 非아드 (1961) [4]
닉 홀로니惡 (1962) [5]
最初 導入 1968年 [6]
핀 構成 어노드 , 캐소드
電氣 記號

發光 다이오드 (發光diode)는 順方向으로 電壓 을 加했을 때 發光 하는 半導體 素子 이다. [7] LED ( light-emitting diode )라고도 불린다. 發光 原理는 田鷄 發光 效果를 利用하고 있다. 또한 電力 消耗도 顯著히 적을뿐더러 壽命도 白熱燈 보다 더 길어 그 利用 頻度가 漸漸 늘어나고 있다. [8]

發光다이오드의 色은 使用되는 材料에 따라서 다르며 紫外線 領域에서 可視光線 , 赤外線 領域까지 發光하는 것을 製造할 수 있다.

歷史 [ 編輯 ]

제너럴 일렉트릭 硏究所에서 닉 홀로니惡 이 1962年 에 最初로 빨간色 可視光線 을 發光하는 發光 다이오드를 開發하였다. [9]

開發 直後에는 主로 電子 測定 裝備의 標示燈으로 使用되다가, 1970年代 初盤 7세그먼트 標示 裝置 에 使用되었다. 以後 出力과 色 이 다양해지면서. 信號燈 을 비롯한 다양한 裝備에 使用되기 始作했다. [9]

發光 다이오드하면 普通 銃알 模樣의 T-34/4 램프를 떠올리는데, 이 草創期 LED는 電子 測定 裝備 標示燈의 模樣을 따라 만들었기 때문이었다. 以後 表面 室長 技術 (SMT)가 導入되면서 模樣이 바뀌었다. 바뀐 模樣은 더 나은 熱 管理를 可能케 하여, 고휘度의 LED가 나오게 되었다. [9]

原理 [ 編輯 ]

<nowiki />  PN 接合 文書를 參考하십시오.
發光 다이오드의 構造와 띠構造 의 模式圖
發光 다이오드의 極盛

發光 다이오드는 半導體 를 利用한 PN 接合 이라고 불리는 構造로 만들어져 있다. 發光은 PN 接合에서 電子가 가지는 에너지가 直接 빛 에너지로 變換되기 때문에 巨視的으로 熱이나 運動에너지를 必要로 하지 않는다.

電極으로부터 半導體에 注入된 電子 와 陽孔 은 다른 에너지띠 ( 傳導띠 나 原子價띠 )를 흘러 PN 接合 部 附近에서 띠틈 을 넘어 再結合한다. 再結合할 때 거의 띠틈 에 相當한 에너지 가 光子 , 卽 빛 으로 放出된다. [10]

電氣的 特性 [ 編輯 ]

다른 一般的인 다이오드와 同一하게 極性을 가지고 있으며, 캐소드 (陰極)에서 애노드 (兩極)로 定電壓을 加해서 使用한다. 電壓이 낮은 동안은 電壓을 올려도 거의 電流가 흐르지 않고, 發狂도 하지 않는다. 어느 電壓 以上이 되면 電壓 上昇에 對하여 電流가 빠르게 흘러서, 電流量에 比例해서 빛이 發生된다. 이 電壓을 順方向 强하電壓이라고 하고, 一般的인 다이오드와 比較해서 發光 다이오드는 順方向 强하電壓이 높다. [11] 發光色에 따라 다르지만, 빨간色(610 < λ < 760), 오렌지色(590 <λ< 610), 노란色(570 < λ < 590), 草綠色(500 < λ < 570)에서는 2.1V 程度이다. 빨간빛을 내지 않는 것은 1.4V 程度이다. 白色(Broad Spectrum)과 파란色(450 < λ < 500)은 3.5V 程度이다. 高出力 製品은 5V 前後인것도 있다.발광할 때 消費 煎類는 標示燈 用途에서는 數 mA ~ 50 mA程度이지만, 照明 用途에서는 消費 電力이 數W單位의 大出力 發光 다이오드도 販賣되고 있어 驅動 電流가 1 A를 넘는 製品도 있다.역방향으로 電壓을 加하는 境遇의 耐電壓은 一般的인 실리콘 다이오드 보다 더 낮고, 普通은 -5 V 程度이며, 이것을 넘으면 素子가 破壞된다. 따라서, 整流 用途로 使用할 수 있다. [12]

物理的 特性 [ 編輯 ]

  • 構造가 簡單하기에, 大量生産이 可能하다.
  • 電球처럼 필라멘트를 使用하지 않기에, 小型이고 振動에 强하며 壽命이 길다.
  • 種類에 따라서, 直接 바라보면 눈에 나쁜 影響을 줄 수 있다.

光學的 特性 [ 編輯 ]

螢光燈 이나 白熱燈 같은 다른 大多數 鑛員과 다르게 不必要한 紫外線이나 赤外線을 包含하지 않는 빛을 簡單하게 얻을 수 있다. 그렇기 때문에 紫外線에 敏感한 文化財나 藝術 作品이나 熱調査를 꺼리는 物件의 照明에 使用된다. 入力 電壓에 對한 應答이 빨라서 通信에도 使用되고, 照明으로 使用할 境遇는 點燈하자마자 最大 빛의 세기를 얻을 수 있다.

使用에 必要한 知識 [ 編輯 ]

  • 電流의 量에 對하여 빛의 세기가 決定되며 最大 定格電流를 넘으면 素子가 破損되어 壽命이 짧아지거나 甚할 境遇 使用할 수 없게 된다. 정전압으로 驅動하면 素子의 隔差나 小子 溫度에 依한 順方向 降下 電壓의 變動으로 電流도 變하므로 基本的으로 電流量을 制御하는 使用法이 推薦된다. 發光 다이오드의 順方向 降下 電壓보다 높은 椄押을 發生하는 直流 電源 을 使用해서 直列로 抵抗器 나 정전류 다이오드를 連結하여 直流를 制限하는 方法이 잘 行해진다.
  • 極盛 이 있으므로 어노드와 캐소드를 反對로 認可했을 境遇 發狂하지 않는다. 또한 逆方向 耐電壓이 낮으며 破壞되기도 쉽다.
  • GaN系列 發光 다이오드는 靜電氣나 서지 電流에 弱하기 때문에 取扱에 注意가 必要하다.
  • 製品에 따라서 點등로가 必要하다.
  • 높은 出力 製品의 大部分은 放熱板같은 放熱 對策이 必要하다. 適切한 방열이 되지 않을 境遇에는 壽命이나 性能이 顯著하게 떨어지거나 煙氣나 불꽃으로 인한 火災가 發生될 수 있다.

材料 [ 編輯 ]

發光되는 빛의 波長 ( 色 )은 PN 接合 을 形成하는 素材의 띠틈 의 크기와 關聯있다. 發光 다이오드는 近赤外線이나 可視光線, 紫外線에 이르는 波長에 對應하는 띠틈을 가지는 半導體 材料가 利用된다. 一般的으로 發光 다이오드에는 發光再結合 確率이 높은 直接 천이 兄의 半導體가 적합하고, 一般的인 半導體 材料인 硅素 (실리콘)나 게르마늄 같은 間接 전이형 半導體에서는 電子나 正孔이 再結合할 境遇에 빛을 放出하기 어렵다. 그러나 노란色이나 黃綠色에 오랫동안 使用되어온 GaAsP契나 GaP界는 도핑韓 不純物 準位를 개입시켜 强한 發狂을 하는 材料도 있어서 넓게 使用되고 있다.

아래의 素材를 使用하여 다양한 色의 發光 다이오드를 만들 수 있다.

아래는 基板으로 使用되고 있다.

파란色 發光 다이오드 [ 編輯 ]

파란色 發光 다이오드는 主로 窒化 갈륨 (GaN)을 材料로 하는 파란色 빛을 가진 發光 다이오드다. 日本 化學 會社인 니치아 化學工業 株式會社 가 큰 市場 占有率을 가지고 있다. GaN界 化合物을 利用한 發光 다이오드의 開發과 거기에 이어서 파란色 半導體 레이저 의 實現으로 紫外線부터 完全한 綠色 可視光線 短波長 領域의 半導體 發光素子가 널리 實用化되었다.

歷史 [ 編輯 ]

發光 다이오드는 낮은 電力으로 驅動할 수 있는 光源 利器 때문에 디스플레이 裝置 에 應用하는 것을 期待하고 있다. 하지만 1980年代 中旬까지 빛의 三原色 에 必要한 빨강色은 實用化되었지만, 파란色은 實用的으로 높은 輝度 를 내는 製品은 없다. 그리고 노란녹색은 일찍부터 實用化되었지만 純粹한 綠色은 파란色과 같은 GaN界 半導體 材料가 使用되기 때문에 綠色 LED의 實用化는 파란色 LED의 登場 以後이다. 그렇기 때문에 發光 다이오드에 依한 RGB 디스플레이의 具現은 쉽지 않았다.

純粹한 파란色 發狂의 具現때문에 셀렌化 亞鉛 (ZnSe) 界 化合物이나 炭化 硅素 (SiC)를 利用한 硏究가 예전부터 行해져 ZnSe契에 依한 波瀾녹 ~ 綠色 發光 다이오드 開發 以外, SiC의 파란色 發光 다이오드는 낮은 發光 强度로 市販도 되었다. 그러나 이 後에 GaN界 化合物에 依한 發光 다이오드가 急速度로 普及되었기 때문에 現在에는 이러한 材料系의 技術은 흰色 發光素子나 基板같은 用途에만 使用되고 있다.

窒化 갈륨을 利用한 고휘도 파란色 LED 開發과 關聯돼서 나齒牙 化學工業의 나카무라 슈지 ( 日本語 : 中村修二 )가 有名해 졌으며, 기초적인 部分은 나고야 大學 ( 日本語 : 名古屋大? )의 이사무 ( 日本語 : 赤崎勇 ) 敎授(現在 메이조 大學( 日本語 : 名城大? ) 敎授)가 提案한 것이 많다. 고휘도 파란色 LED의 첫 製品化는 나齒牙 化學工業이었지만 그 前에 도요타 中央 硏究所 ( 日本語 : 豊田中央?究所 )와 아카사키 ( 日本語 : 赤崎 )敎授의 協力을 받은 도요타 合成 ( 日本語 : 豊田合成 ) 株式會社에서 먼저 實現된 적도 있어서 "누가 먼저 만들었는가?"라고 하는 물음에 答하는 것은 곤란하다.

2001年 8月 에 나카무라 슈지 ( 日本語 : 中村修二 ) (現在 캘리포니아大學 산타 바바라校 敎授)가 職務上에서 發明한( 特許法 에서 職務發明이라고 函) " 404 特許 "를 놓고서 移轉 業務會社인 니치아 化學工業을 提訴해서 같은 特許의 原告에게 歸屬權 確認乃至 讓渡 代價를 둘러싸고 論爭이 되었다. " 企業 과 職務 發明者와의 關係에 對하여 論難이 생긴다"라는 社會 問題도 일으키게 되었다.

2004年 12月 에 도호쿠 大學 ( 日本語 : 東北大? ) 金屬材料 硏究所 의 가와사키 마사시 ( 日本語 : 川崎雅司 ) 敎授 (薄膜 電子材料 化學)의 硏究팀은 價格이 低廉한 酸化 亞鉛 을 利用한 파란色 發光 다이오드 開發에 成功했고, (파란色 LED의 再發明이라고 函) 12月 19日 者 英國 科學雜誌 네이처 (電子版)에 發表했다. 비싼 窒化 갈륨을 代替할 可能性도 있다.

2014年 10月 7日 노벨 物理學賞 受賞者에 아카사키 이사무 메이兆臺 敎授, 亞麻盧 히로시 나고야 大學 敎授, 나카무라 슈지 캘리포니아州立大 敎授 等 3名의 日本系 學者가 選定됐다. 스웨덴 王立 科學 아카데미는 7日(現地時間) 靑色 鑛員을 갖고 더 效率的이고 親環境的인 發光다이오드(LED) 照明을 만들어 人類 生活에 寄與한 功勞로 이들 세 學者를 노벨 物理學賞 受賞者로 決定했다고 밝혔다.

흰色 發光 다이오드 [ 編輯 ]

흰色 發光 다이오드

흰色빛은 單色빛 이 아니고 連續된 스펙트럼 에 따라 具現된 色이기 때문에 發光 다이오드는 基本的으로 좁은 範圍의 波長만 發光하므로 單一 素子에서 흰色빛을 發生시킬 수 없다. 거기에서 人間의 눈에는 빛의 三原色 의 混合이나 補色 關係에 있는 2色 混合도 흰色으로 보이는 것을 利用하여 흰色빛을 얻는 方法이 몇가지 考案되고 있다. 以後에 "흰色"이란 "人間의 눈에 흰色으로 보이는 빛"을 意味한다.

現在 週 方式은 螢光體 를 利用하는 方法이고 파란色 發光 다이오드의 製造를 하고 있는 니치아 化學은 元來 螢光劑의 製造社여서 이 方式을 滿足해 하고 있다. 도요타 合成도 같은방식을 使用하고 있다. 發光 部分의 팁은 파란色 發光 다이오드의 物質을 利用하고 그것을 YAG 系列의 螢光體로 가리면 螢光 에서 얻을 수 있는 노란色과 透過된 파란色이 합쳐져서 흰色 發狂을 얻을 수 있다. 特히 單一의 팁과 패키지만으로 흰色 發狂의 具現이 可能하다. 이것이 世界 最初의 흰色 發光 다이오드가 되었다. 世界的으로 衝擊을 준 파란色 發光 다이오드 發表 以後였기 때문에 흰色 發光 다이오드 具現의 報道는 消極的이었지만 業界에서는 큰 뉴스였다. 그리고 螢光體에 따라 元來의 빛보다 긴 波長의 螢光을 얻을 수 있어도 反對로 할 수 없기 때문에, 흰色 發光 다이오드의 具現에는 파란色 發光 다이오드의 存在가 꼭 必要했다. 이 螢光體 方式을 開發함으로써 흰色 發光 다이오드의 本格的인 普及이 始作되었다.

파란色과 노란色으로 된 흰色빛은 빨간色이 적으며, 이는 照明에 使用했을 때 演色性이 낮아지는 短點이 있다. 特히 빨강 系列의 色 再現性이 나빠진다. (빨간 物體가 덜 빨갛게 보임) 이것은 當時 利用 可能한 螢光體 材料가 螢光燈用의 紫外線이 勵起되는 것이 주였고, 푸른色이 여기해서 綠色이나 빨간色을 發하는 適切한 螢光體가 없었던 것 때문이다. 最近에는 파란色에서 노란色 以外의 色을 發하는 螢光體나 보라色 ~ 紫外線 을 發하는 發光 다이오드가 開發되고 있다. 이에 따라 螢光燈과 같은 三原色을 여기 및 發光시켜 演色性을 向上시킨 흰色 發光 다이오드도 登場하고 있다. ( 例示1 )

그外 흰色 發狂의 具現 方法으로 單純하게 빛의 三原色人 빨간色, 綠色, 파란色의 發光 다이오드의 팁을 利用해 하나의 발光源으로서 흰色을 얻는 方法도 있다. ( 例示2 ) 原理 自體는 單純하지만 3個의 팁이 必要하고 보는 角度에 相關없이 均一한 發光色을 얻는 것이 어렵다. 그리고 點燈 回路亦是 3個의 채널이 必要하다. 하지만 螢光體가 發光 다이오드의 팁에서 發熱하여 烈火되는 問題를 避할 수 있고, 各 發光 다이오드의 光量을 調節하여 任意의 빛깔을 얻을 수 있는 長點이 있다.

發光 다이오드의 特性中 하나인 낮은 消費 電力으로 큰 빛 에너지를 얻을 수 있는 特徵으로 照明 龍으로 注目받고 있다. 그러나 照明으로 適當한 흰色의 고휘도 製品의 具現이 어렵고, 製造에 걸리는 費用이 흰色 電球나 螢光燈에 比較해 비싸기 때문에 現在에는 簡單한 램프 種類의 用途에 머물고 있다. 向後 開發이 進行됨에 따라서 旣存의 照明器具를 代替할 것으로 여겨지고 있다.

2015年 1月 現在 여러 LED照明器具들이 여러 種類 開發되어 市販되고 있다. 아직은 一般 螢光燈, 三波長 等 旣存 照明器具들과는 몇倍의 價格差異가 나고 있지만 電氣 料金이 적게 들고 交替方法이 簡單하여 家庭用 照明도 LED로 徐徐히 바뀌고 있다. 그리고 發光 다이오드의 種類는 하얀色만 있는 것은 아니다. 빨강,草綠,노랑 等 다양한 色깔로 되어있다.

製造 [ 編輯 ]

發光 다이오드의 基本은 PN 接合 이지만 實際로 發狂 效率을 올리기 위해서 二重 痢疾接合 構造나 兩者 우물接合 構造를 利用하며 技術的으로 半導體 레이저 와 共通點이 많다. 製造法은 基板위에 化學氣象 成長法 을 利用하여 薄膜을 겹쳐 쌓아가는 方式이 使用된다.

製品의 外形 [ 編輯 ]

7 세그먼트 2標示 發光 素子

가장 單純한 것은 발광부를 包含하는 透明 水枝 部分과 2個의 端子로 構成된다. 여러 가지 色을 내는 發光 다이오드를 內藏한 것은 3個 以上의 端子를 가진다.

  • 砲彈型
  • 팁型
  • 다 세그먼트( segment )型
    • 7 세그먼트型
    • 14 세그먼트型
    • 매트릭스型

應用 [ 編輯 ]

消費 電力이 낮고 壽命이 길어서 많은 電子機器에 使用되고 있다. 그리고 1個의 素子로 여러 가지 色을 낼 수 있는 構造의 發光 다이오드도 있다. 電子機器의 動作 모드에 따라서 色을 바꿀 수 있게 되어 機器의 小形化에 寄與하였다. 初期에는 輝度가 낮았기 때문에 電子機器의 動作 標示燈이나 室內 用途에 限定되었지만 빨강이나 綠色의 고휘도 種類의 發光 다이오드가 實用化되고 나서는, 役의 行先地 案內板같은 屋外用 디스플레이 裝置에도 使用되었다. 게다가 고휘度의 파란色이나 흰色 發光 다이오드가 生産되고 나서는 競技場의 스크린같은 完全한 色의 大型 디스플레이, 電球 代身한 손電燈이나 信號機, 自動車의 方向 標示燈이나 尾燈 같은 다양한 照明에 利用되고 있다. 特히 美等에 使用했을 境遇 電球보다 브레이크 페달을 밟은 後 點燈할 때까지의 時間이 짧기 때문에 安全性이 向上된다. 또한, 步行者나 다른 運轉者가 車輛을 쉽게 알아볼 수 있도록 하여, 交通事故를 막아주는 自動車의 週刊走行燈(daytime running light(lamp))에도 많이 쓰인다. 그리고 鐵道, 버스의 方向 標示에도 롤知識이나 案內板 代身 使用되고 있다. 實際로 신칸센 N700係 電動車에서 使用된 行船版에서는 풀컬러 LED가 使用되었다. 또 冷陰極 螢光 램프에서 發生되는 흰色빛을 컬러 필터에 透過해 얻을 수 있는 色깔인 빨강, 綠色, 파랑에 比해서 發光 다이오드가 發生하는 빛이 色純度가 높다. 그렇기 때문에 液晶 디스플레이의 백라이트를 冷陰極 螢光 램프에서 發光 다이오드로 變更하여서 色 再演 範圍를 크게 改善할 수 있다. 그러나 發光 다이오드는 點光源이기 때문에 넓은 面積을 調査하려면 얼룩 번짐이 생기기 쉽고, 백라이트用으로는 携帶用 小型 디스플레이에 主로 利用되었다. 大型 디스플레이用 發光 다이오드 백라이트는 2004年 11月에 소니에서 液晶 텔레비전이 實用化시켰다. 또한 發光 다이오드 自體의 壽命은 길지만 使用 目的에 따라서 수지의 熱火에 依한 照度 低下의 進行이 빨리 되기도 하기 때문에 發光 다이오드 交換이 必要한 程度까지 照度가 떨어졌을 때 基板의 交換을 包含하여 大規模 保守가 必要하게 되는 것이 앞으로 풀어야 할 課題이다.

各州 [ 編輯 ]

  1. ↑ “The life and times of the LED ? a 100-year history” (PDF) (英語). The Optoelectronics Research Centre, University of Southampton. 2007年 4月. 2012年 9月 15日에 原本 文書 (PDF) 에서 保存된 文書 . 2012年 9月 4日에 確認함 .  
  2. ↑ Nosov, Yu. R. (2005). “О. В. Лосев ? изобретатель кристадина и светодиода” . 《Электросвязь》 (러시아語) (5): 63.  
  3. ↑ Novikov, M. A. (2004). “Олег Владимирович Лосев ? пионер полупроводниковой электроники” (PDF) . 《Физика твердого тела》 (러시아語) 46 (1). 2007年 9月 28日에 原本 文書 (PDF) 에서 保存된 文書 . 2008年 1月 1日에 確認함 .  
  4. ↑ “The first LEDs were infrared (invisible)” (英語). Smithsonian National Museum of American History. 2007年 10月. 2010年 4月 1日에 原本 文書 에서 保存된 文書 . 2013年 7月 24日에 確認함 .  
  5. ↑ “Inventor of Long-Lasting, Low-Heat Light Source Awarded $500,000 Lemelson-MIT Prize for Invention” (英語). Massachusetts Institute of Technology. 2004年 4月 21日 . 2011年 12月 21日에 確認함 .  
  6. ↑ Schubert, E. Fred (2003). 〈1〉. 《Light-Emitting Diodes》 (英語). Cambridge University Press. ISBN   0-8194-3956-8 .  
  7. ↑ Illuminating Engineering Society. “Light Emitting Diode (LED) - IES” . 《Illuminating Engineering Society》 (美國 英語) . 2017年 3月 26日에 確認함 .  
  8. ↑ licht.de. 《LED: The Light of the Future》 (PDF) . licht.de. 18쪽. ISBN   978-3-926193-57-5 . 2017年 3月 26日에 原本 文書 (PDF) 에서 保存된 文書 . 2017年 3月 26日에 確認함 .  
  9. ↑ 가 나 다 The IESNA Light Sources Committee. 《IESNA Technical Memorandum on Light Emitting Diode (LED) Sources and Systems》 (PDF) . 1쪽. 2017年 3月 26日에 原本 文書 (PDF) 에서 保存된 文書 . 2017年 3月 26日에 確認함 .  
  10. ↑ The IESNA Light Sources Committee. 《IESNA Technical Memorandum on Light Emitting Diode (LED) Sources and Systems》 (PDF) . 6쪽. 2017年 3月 26日에 原本 文書 (PDF) 에서 保存된 文書.  
  11. ↑ Winder, Steve (2016年 12月 28日). 《Power Supplies for LED Driving》 (英語). Newnes. ISBN   9780081010242 .  
  12. ↑ Winder, Steve (2016年 12月 28日). 《Power Supplies for LED Driving》 (英語). Newnes. 17쪽. ISBN   9780081010242 .  

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