LED (발광다이오드 : Light Emitting Diode)

[가이아]

LED (발광다이오드 : Light Emitting Diode)

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 LED (발광 다이오드; Light-Emitting Diode)는 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 지금까지 정보·통신기기를 비롯한 전자장치의 표시·화상용 광원으로 이용되어 왔다. 90년대 중반 이후, 질화갈륨 (GaN) 청색 LED가 개발되면서 LED를 이용한 총천연색 display가 가능하게 되었으며, LED는 우리 생활 곳곳에 자리 잡기 시작했다. 가장 대표적인 예로, 핸드폰의 액정표시소자 (LCD)와 key pad용 back-light를 들 수 있으며, 이외에도 LED를 이용한 display는 2002 월드컵에서 볼 수 있었던 옥외용 총천연색 대형 전광판, 그리고, 교통 신호등, 자동차 계기판, 항만, 공항, 고층 빌딩의 경고 및 유도등과 같은 다양한 곳에서 사용되고 있다. (그림 1) 또한, LED는 반도체의 빠른 처리 속도와 낮은 전력 소모 등의 장점과 함께, 환경 친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높아서 차세대 국가 전략 품목으로 꼽히고 있다.

LED의 원리

LED(Light Emitting Diode:발광다이오드)는 화합물 반도체(예:GaP, GaAs)의 PN접합 다이오드에 순방향 전류가 흐를 때 빛을 발하는 현상을 이용한 소자로서, 아래 그림에서 보는 바와 같이, p-n접합에 순방향으로 전압, 즉 P측에 ＋극, N측에 －극을 접속하면, P측의 정공은 N측에, N측의 전자는 P측으로 이동하여 소수 운반자(carrier)가되고 PN 접합점에서 전자와 정공이 결합하면서 전자가 반도체의 밴드 갭(band gap)에 해당하는 에너지를 빛으로 방출하면서 발광하는 원리이다.
즉 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 양공)를 만들어내고, 이들의 재결합(再結合)에 의하여 전자와 정공의 에너지 차에 해당하는 빛을 방출한다.

<순방향 전압 하에서의 p-n 접합 LED>

- Peak Wavelength = 1240nm/Eg로 계산.
Eg는 반도체 결정의 재료 및 농도 등에 의하여 차이를 가짐에 따라 발광 색상 역시 변함.

레이저라든가 발광다이오드는 전자가 여기되어 있다가 아래쪽 상태로 천이를 하면서 두 level 사이의 에너지가 변환되는 것입니다. 그리고 이때 나오는 빛의 에너지는

E = h×c/λ

h : 플랑크상수(4.14x10-15 eV/s)

c : 빛의 속도 (3x108 m/s)

λ : 빛의 파장 (청색의 경우는 450 ~ 500nm, 평균 4.75x10-7 m)

위의 식에 상수들을 대입해서 계산하면 청색광의 에너지는 2.61eV입니다.

그럼 이정도의 에너지를 얻으려면 어떻게 해야 될까요? 아래 표는 대표적인 금속들의 일함수입니다.2.6eV 정도의 일함수를 갖는 원소나 화합물이 있고 또 그것을 조절하기가 쉽다면 청색 발광다이오드를 만들기가 쉽지만 그런 성질을 가지는 것이 아직 좋은 것이 없군요...

그래서 어려워요

금속의 종류와 일함수값

물질일함수(eV)물질일함수(eV)물질일함수(eV)

Na2.27 Fe4.36 Ag4.28

Mg3.46 Co4.18 Cd3.92

Al3.74 Ni4.84 Sn4.11

Ti4.09 Cu4.47 W4.50

Cr4.51 Zn3.74 Au4.58

Mn3.95 Se4.72 Pb4.02

LED의 종류

구동방법으로는 병렬형, 직렬과 병렬의 병용형, 메트릭스형이 있습니다. 병렬형은 각각의 LED를 독립해서 구동하기 때문에 숫자표시나 레벨미터 등 소수의 LED를 이용한 디스플레이의 구동에 적용합니다. 병용형은 다수의 LED소자를 사용하는 옥외용 LED 램프 등의 구동에 이용됩니다. 그리고 메트릭스형은 복잡한 문자, 화상표시 등에 이용됩니다. 또한 LED는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나뉘어 진다.

▶ Visible LED Chip

VLED(Visible Light Emitting Diode) Chip를 뜻하며 빨강, 녹색, 오랜지색 등이 개발되어 있다. 이 칩은 램프로 조립(LED)되어 각종 전자제품의 표시나 신호등 및 전광판 등의 광원으로 쓰입니다.

▶ Infrared LED Chip

ILED(Infrared Emitting Diode) Chip를 뜻하는 것이다. 이 칩은 가공되어 IR Emitter, TV 리모콘, 광학스위치, IR LAN, 무선 디지털 데이터 통신용 모듈 등에 쓰입니다.

▣ LED 발광물질 및 파장

LED(Light Emitting Diode)란 발광다이오드의 약자로서 빛을 발하는 반도체 소자를 말하여, 방출하는 빛의 색깔은 반도체 칩 구성원소의 배합에 따라 파장을 만들며, 이러한 파장이 빛의 색깔을 결정합니다. LED 발광색상은 현재 빨강·녹색·노랑·오렌지색 등이 개발되어 있습니다. 첨가하는 불순물의 함량에 따라 재질의 파장이 달라 파장은 인간의 가시광선 영역인 4백나노미터에서 7백나노미터 사이이며 적색은 7백나노미터대, 녹색은 5백65나노미터, 노랑은 5백85나노미터, 오렌지색은 6백35나노미터의 파장을 형성하고 있습니다.

LED는 휘도(휘는 각도)에 따라 General급, Super급, Ultra급으로 나눠진다. 100mcd 이하는 General급이고, 500mcd이하는 Super급, 그 이상은 Ultra급입니다. 일반적으로 사용되는 반도체 물질에 따라서 색깔이 다르다. 다음 General급 표를 보면 이해할 수 있다. 같은 반도체라도 인화갈륨(GaP)의 불순물이 섞인 경우에는 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 파장 700nm이 되는 적색이고, 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 550nm)이 된다. 현재 고휘도 LED에 주로 사용하는 Alumiium Gallium Indium Phosphide(AlGaInP) 칩에서는 Red부터 Amber까지, Indium Gallium Nitride(InGaN) 칩에서는 Blue 와 Green, 그리고 Blue chip에 Phosphor 기술을 접목하여 White LED를 가능하게 하였습니다.

▶ General급 발광물질 및 파장.

발광물질	GaP		GaN	GaAs		GaAIAs
색상	Green	Red	Blue	Red	Infrared	Red	Infrared

파장(㎚)	400~450	450~470	470~557	557~567	567~572	572~585	585~605	605~630	630~700
색상	Pure Blue	General Blue	Pure Green	General Green	Yellow Green	General Yellow	General Amber	General Orange	General Red

▶ Super급 발광물질 및 파장.

발광물질	GaAIAs	GaAsP		GaN	InGaN	GaP
색상	Red	Red	Yellow	Blue	Green	Green
파장(㎚)	650	660	572	470	572	572

▶ Ultra급 발광물질 및 파장.

발광물질	GaAIAs	InGaAIP			GaN	InGaN
색상	Red	Red	Orange	Yellow	Blue	Green
파장(㎚)	639	660	624	591	470	572

GaP 적·녹색 LED

각종 기기의 스위치 on/off나 기능표시를 비롯하여 완구 오락 등 폭넓게 활용됩니다.

GaAsP 적, 등 황색 LED

7세그멘트형과 메트릭스형이 있는데, 현재 각 세그멘트에 LED 칩을 배열하여 반사판을 이용하는 세그멘트형이 주류.

GaAlAs 고휘도 적색 LED

종래 LED는 휘도부족 때문에 실내표시에 사용되어 왔으나 최근 LED는 고휘도화, 다색화, 저가격화가 진전, 옥외표시·차량 등 새로운 응용이 전개되었습니다. 옥외형 대형 LED는 복수의LED를 동일 하우징내에 직접 설정하는 것에 의해 휘도를 향상시킨 것입니다.

청색 LED

여러 사람을 대상으로 한 정보표시로서 LED를 메트릭스형상에 배치한 패널 디스플레이를 말한다. 역구내나 공항내의 교통정보표시에 이용되고 있습니다.

옥외표시 LED

 종래 LED는 휘도부족 때문에 실내표시에 사용되어 왔으나 최근 LED는 고휘도화, 다색화, 저가격화가 진전, 옥외표시·차량 등 새로운 응용이 전개되었습니다. 옥외형 대형 LED는 복수의 LED를 동일 하우징내에 직접 설정하는 것에 의해 휘도를 향상시킨 것입니다.

LED 패널 디스플레이

 여러사람을 대상으로 한 정보표시로서 LED를 메트릭스형상에 배치한 패널 디스플레이를 말한다. 역구내나 공항내의 교통정보표시, 병원·호텔의 안내나 뉴스, 증권회사의 주식시세판 등으로 이용되고 있습니다.

5. LED 생산공정

In-Line 공정

In-line공정은 die bonding 공정과 wire bonding 공정으로 이루어진다.

이 두 공정은 자동화상 인식시스템에 의해 전자동으로 이루어진다.

Die bonding 공정은 칩을 lead frame의 cup 중앙에 미리 발라진 silver epoxy 위에 적당한 압력으로 눌러 위치시키는 것이 중요하며, wire bonding 공정은 gold wire를 반도체 칩 위면 전극과 한쪽 lead frame을 적당한 압력으로 접착.연결하는 것이 중요하다.

Mold 공정

Mold 공정은 칩이 bonding된 lead frame을 epoxy로 싸는 공정이다.

자동으로 이형제가 뿌려지고 epoxy가 담겨진 mold cup에 lead frame을 담근 후 전기 oven에 넣고 경화시켜 LED 램프를 완성한다.

주요 불량율 원인인 mold cup과 lead frame과의 삽입 높이, 수평 유지, center 위치 등이 이루어진다.

Test 및 분류 공정

LED 램프의 전기적. 광학적 특성을 측정하여 그 성능에 따라 분류하는 공정이다.

Tapping 공정

PCB 기판에 전자부품을 자동으로 삽입시켜 주는 자동삽입기에 쓸 수 있도록 LED 램프의 형태를 만들어 주고 (Forming)Tape에 붙이는 공정이다.

"아래 그림을 보고 각 부분의 명칭을 보아라. LED를 잘 들여다 보면 긴다리와 짧은 다리가 있단다. 긴 다리는 (+)를 나타내고 짧은 다리는 (-)를 타나내고 있지"

  

  1. Chip
  2. Lead frame
  3. Gold wire
  4. Epoxy  : 수지(PKC)
  5. Cathode : 음극
  6. Anode : 양극

 

LED는 발광다이오드(Light Emittion Diode)의 약자이다. LED의 안쪽에는 발광소자가 있으며, 이 발광소자에 전기에너지가 가해지면, 발광소자는 전기에너지를 빛으로 변환하여 출력하는 형태이다. 그 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.

물질은 원자로 이루어져 있으며, 원자 내부에는 핵이 있고 그 주위를 전자가 돌고있다는 것은 이미 중고등학교 때 배우셨을 것으로 안다. 여기서, 전자는 궤도를 형성하여 핵 주위를 돌고있는데, 궤도가 핵에서 멀어질수록 그 궤도를 돌고있는 전자는 많은 에너지를 가지고 있어야만 한다. 만약 낮은 궤도에서 돌고있던 전자가 외부로부터 어떠한 형태이던간에 에너지를 받으면 '흥분해서' 높은 궤도로 뛰어올라가게 된다.

이 때, 높은 궤도에서 머물러있기란 대단히 불안한 것이기 때문에 전자는 서둘러서 낮은 궤도로 내려가려고 하며, 높은 궤도로 올라오기 위해서 '먹었던 에너지를 뱉어내야' 한다. 여기서 뱉어내는 에너지의 형태를 빛으로 조절해 놓은것이 발광다이오드이다. 소자로 사용하는 물질의 종류에 따라서 전자가 올라갔다 내려가는 준위에 차이가 있으며, 이러한 준위의 차이는 곧 만들어내는 에너지의 차이로 이어진다. 같은 빛이라 하더라도 높은 에너지준위에서 만들어지는 빛은 짧은 파장을 가지고 있어서 파란색이 되며, 낮은 에너지준위에서 만들어지는 빛은 긴 파장을 가지고 있어서 적색 등이 되는 식이다.

여기서, 청색의 고휘도 LED가 비싸다는 것이 설명된다. 가시광선의 색상과 파장과의 관계를 나타내면 다음과 같다.

적색은 파장이 가장 길며, 따라서 에너지는 가장 작다. 적은 에너지를 발생시키기 위한 소자가 높은 에너지를 발생시키는 소자보다 만들기가 쉽다는 것은 쉽게 이해할 수 있다. 특히 청색 LED의 경우 그러한 고에너지를 발생시키면서 충분한 수명을 가지는 소자를 쉽게 만들수가 없었기 때문에 얼마 전까지만 해도 상당히 비쌌으며, 그래서 전광판 등에도 사용되지 못했다. 그러나 지금은 소자가 다양해지고 수율도 상당히 높아졌기 때문에 널리 사용되고 있으며 총천연색의 전광판을 볼 수 있는 이유이기도 하다.(총천연색을 만들기 위한 R, G, B 삼색 중에서 B(Blue)를 예전에는 만들수가 없었다.) 여하튼 아직도 발광소자 중에서는 가장 만들기 어려운 소자이기 때문에 가격대 역시 상당히 높다. 현재 국내에서 판매되는 청/녹색 등의 단파장 고휘도 LED는 거의 다 일제라고 보면 된다.

한편, 흰색 LED는 무엇일까? 처음 청색이 만들어졌을 때는 흰색의 LED를 만들기 위해서 R, G, B 각각의 색상을 가지는 LED를 모두 집적시켰다. 그러다 보니 가격이 상당히 비쌌는데, 이것을 해결한 것이 형광물질을 사용한 LED다. 백색의 LED에 사용되는 발광소자 위에는 청색 빛을 받아서 녹색과 적색의 파장을 만들어주는 형광물질이 칠해져있다.(필자가 재료공학이나 그런쪽과는 거의 관련이 없지만, 단파장의 청색광을 보다 장파장으로 바꿔주는건 그렇게 어려운 일은 아닐 것으로 보인다.) 그래서 발광소자가 빛을 내면 청색 뿐만 아니라 적색 및 녹색의 빛까지도 발생하기 때문에 흰색으로 보이는 것이다. 그런데, 백색 고휘도 LED가 발현하는 빛을 파장에 따라서 강도를 측정해 보면 다음과 같다.

잘 보면 청색광보다 녹색, 적색광의 강도가 상당히 적은 것을 볼 수 있다. 물론 녹/적색광이 광범위하게 분포되어 있지만, 청색광이 좀 더 강하게 나타난다는 것은 부인할 수 없는 사실이다. 도포된 형광물질이 녹/적색광을 본래의 발광소자가 발하는 청색광만큼 밝은빛으로 내어줄 수 없기 때문이다. 이렇다 보니 백색 고휘도 LED는 순백색을 발광하지 않고 은은한 청색을 띄게 된다. 고휘도 백색 LED를 사용하시는 분은 색상을 잘 살펴보면 약간의 녹/청색 기운이 있는 것을 발견할 수 있을 것이다.

LED LAMP

1. LED 란?

2. LED 부분별 명칭

1. Chip 2. Lead frame 3. Gold wire 4. Epoxy 5. Cathode 6. Anode

3. LED에 사용되는 반도체

● General 급

GaP	GaN	GaAs	GaAlAs
Green, Red	Blue	Red, Infrared	Red, Infrared

● Super 급

GaAlAs	GaAsP	GaN	InGaN	GaP
Red	Red, Yellow	Blue	Green	Green

● Ultra 급

GaAlAs	InGaAlP	GaN	InGaN
Red	Yellow, Orange, Red	Blue	Green

4. LED 파장별 색

● LED는 휘도에 따라 General급, Super급, Ultra급으로 나눠진다.

100mcd 이하는 General급이고, 500mcd 이하는 Super급, 그 이상은 Ultra급이다.

● General급

400~450	450~470	470~557	557~567	567~572	572~585	585~605	605~630	630~700
Pure Blue	General Blue	Pure Green	General Green	Yellow Green	General Yellow	General Amber	General Orange	General Red

● Super급

470	572	650	660
Super Blue	Super Yellow Green	Super Red	Super Red

● Ultra

591	610	624	639	660
Ultra Yellow	Ultra Amber	Ultra Orange	Ultra Red	Ultra Red

5. LED 생산공정

In-Line 공정

In-line공정은 die bonding 공정과 wire bonding 공정으로 이루어진다.

이 두 공정은 자동화상 인식시스템에 의해 전자동으로 이루어진다.

Die bonding 공정은 칩을 lead frame의 cup 중앙에 미리 발라진 silver epoxy 위에 적당한 압력으로 눌러 위치시키는 것이 중요하며, wire bonding 공정은 gold wire를 반도체 칩 위면 전극과 한쪽 lead frame을 적당한 압력으로 접착.연결하는 것이 중요하다.

Mold 공정

Mold 공정은 칩이 bonding된 lead frame을 epoxy로 싸는 공정이다.

자동으로 이형제가 뿌려지고 epoxy가 담겨진 mold cup에 lead frame을 담근 후 전기 oven에 넣고 경화시켜 LED 램프를 완성한다.

주요 불량율 원인인 mold cup과 lead frame과의 삽입 높이, 수평 유지, center 위치 등이 이루어진다.

Test 및 분류 공정

LED 램프의 전기적. 광학적 특성을 측정하여 그 성능에 따라 분류하는 공정이다.

Tapping 공정

PCB 기판에 전자부품을 자동으로 삽입시켜 주는 자동삽입기에 쓸 수 있도록 LED 램프의 형태를 만들어 주고 (Forming)Tape에 붙이는 공정이다.

6. LED 산업 전망

LED는 반도체라는 특성으로 인해 처리속도, 전력소모, 수명 등의 제반사항에서 큰 장점을 보여 각종 전자제품의 전자표시부품으로 각광받고 있다. 그리고 높은 휘도의 제품들이 생산되면서 앞으로 조명기구의 역할도 대치할 수 있을 것이다.

기존 전구램프처럼 눈이 부시거나 엘러먼트가 단락되는 경우가 없는 LED는 소형으로 제작되어 각종 표시소자로 폭넓게 사용되고 있으며 반영구적인 수명(약 1백만시간)으로 그 활용도가 높다.

특히 청색LED의 상용화로 LED의 풀컬러 구현이 가능해지고 가격도 크게 낮출 수 있게 되면서 제품의 활용도는 급속히 높아질 전망이다.

BLUE & WHITE LED Lamp

LED램프는 사용된 반도체 칩의 종류에 의해 색깔, 밝기 등 모든 것이 결정된다.

LED 램프가 빛을 낼 수 있는 발광소자임에도 불구하고 널리 사용되지 못한 한가지 이유는 빛의 3원색 중 청색 반도체 칩의 개발이 뒤늦게 이루어졌기 때문이다.

아직 청색 칩의 가격이 높긴 하지만 계속적으로 하락하고 있으므로 full color LED 램프를 각종 제품에 다양하게 적용가능한 시기에 와 있다.

따라서 앞으로 그 수요는 기하급수적으로 팽창히리라고 예상된다.

즉 GaN 계 화합물 반도체를 이용한 Blue, Green, White 대역의 발광소자(LED)를 개발로 옥내외 전광판, 신호등, 가정용 전구, 고휘도 표시등 등에 사용될 것으로 예상된다.

또한 이 Blue LED 에 형광체 물질을 도포하여 white LED를 만들수 있으며 앞으로 전구를 대체할 수 있는 백색광을 구현할 수 있을 것이다.

GaN 의 응용과 연구방향

고체를 이용한 인공의 빛은 적색 (R), 녹색(G), 청색(B)의 순서로 개발되어 왔다. 빛의 3요소 중 청색은 SiC, ZnSe, GaN 등을 이용하여 얻을 수 있으나, GaN 만이 갖는 독특한 고유성질로 인해 현재는 GaN-기지 발광소자가 상용화되고 있다. 고휘도 청색 소자의 개발은 선명한 대형 display를 가능케 하였고, 건물 외벽에 설치된 LED display를 실생활에서 쉽게 접할 수 있게 되었다.

GaN-based blue LED의 개발로 인해 청색 레이저 다이오드 연구는 집중적인 관심을 끌고 있으며, 이 분야의 선구자인 일본의 Nakamura는 blue LD prototype을 몇 년전 발표한 바 있다. 국내 연구진 들에 의해서도 LED의 성공은 여러차례 발표된 바 있고, 마찬가지로 LD에 대한 연구에 집중적인 투자가 이루어지고 있다. 그러나, blue-LD가 실용화되기에는 여전히 소자 수명이 지나치게 짧은 상태에 머물고 있으며, 이에 대한 근본적인 질문들이 제기되고 있는 실정이다.

현재 상용화되고 있는 소자에는 사파이어를 기판으로 기판으로 채택하고 있는데, Si 기판위에 GaN을 성장시키는 것은 cost-down 뿐만 아니라 기존의 첨단 Si집적회로 공정과의 접목 측면에서 연구가치가 매우 높다고 생각된다.

CHIP LED ( S M D )

SMD(Surface Mount Device) LED 램프 소자의 개발

FULL COLOR SMD 모형도

정보통신기기의 소형.슬림화 추세에 따라 기기의 각종 부품인 저항, 콘덴서, 노이즈 필터 등은 더욱 소형화.마이크로화되고 있으며 PCB기판에 직접 장착하기 위하여 SMD형으로 만들어지고 있다.

이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED램프도 SMD형으로 개발되고 있다. SMD의 크기는 3.0 *3.0*1.1mm로 극히 작으며, 색상의 가시각도를 줗게하기 위한 구조를 갖고 있다.

첫째, 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용으로 사용된다.

둘째, 다양한 칼라를 표출하는 문자표시기로 사용된다.

셋째, 다양한 칼라를 구현하는 영상표시기로 사용된다.