LED

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Light Emitting Diode

1 개요

전류의 방향이 일정 전극 방향과 일치하면 불빛이 나는 다이오드. 20세기에 발견되어 초기부터 사용되었으며, 지속적인 연구와 개량으로 인해 성능이 이전에 비해 많이 향상되었다. 형광등과 함께 불빛의 주요 시장이 되어가고 있다.

2 원리

p-n 접합에 그 기초를 두고 있으며 작동원리는 전자와 양공이 만나면 가지고 있던 에너지 차이, 즉 에너지 밴드 갭에 해당하는 파장의 빛을 내는 구조이다. 물리2을 배웠다면 [math]E=h\nu[/math] 를 떠올려 보자. 이는 에이치 뉴 이다. 근데 고등학교 과정에서는 [math]E=hf[/math]라고 배운다.

이 과정에서 사용하는 원소를 다르게 하면 방출되는 에너지의 양이 달라지는데 이러한 에너지의 양의 차이에 의해 빛의 파장의 길이가 결정되고 그에 따라 다른 색을 낼 수 있게 된다. 빨간색은 주로 GaAs를, 초록색은 주로 GaP를, 파란색은 주로 GaN를 기반으로 한다. 셋 다 인듐 등의 원소 첨가량을 바꾸며 밴드 갭을 조절할 수 있다. 적외선이나 자외선을 내는 LED도 있는데 적외선은 AlGaAs, 자외선은 무색투명한 탄소 덩어리로 만들 수 있다.

양자점 LED라는 방식도 있는데, 이는 물질의 크기가 작아지면 양자 역학에서 말하는 양자제한효과가 일어나 유효 밴드갭이 변화하는 것을 이용한다. 따라서 동일한 물질을 가지고 입자의 크기만 달리해서 발광하는 색을 달라지게 할 수 있는데, 이를 이용하면 고효율 단색 LED로 품질 높은 백색 LED를 만들 수도 있다. OLED에 비해 색 순도가 매우 높고 무기물인데다가 OLED처럼 작게 만들 수도 있고, LED보다 싸므로 차세대 광원 및 디스플레이용으로 각광받는 연구분야이다. 하지만 RoHS 때문에 주로 사용되고 있는 CdS의 대체물질도 찾아야 하고 할 것이 많다.

흰색 LED는 일반적인 디스플레이의 구현법과 같이 R,G,B 3원색의 LED를 세트로 묶거나, 파란색 LED에 노란색 빛을 내는 형광 물질을 도포하여 제작한다. 눈에 편한 흰색을 구현하기 위해 UV LED에 R, G, B 형광물질을 이용하는 방법도 있다.

실리콘으로도 만들 수 있지만 간접천이형이라 직접천이형인 위 물질들에 비해 효율이 극히 떨어진다. 덕분에 실리콘 기반 LED는 거의 사장되었고 이렇게 효율이 떨어지는 건 태양전지도 마찬가지이다. 다만 태양 전지의 경우 CIGS 등 직접천이면서 흡수 파장대가 넓은 물질이 비싸서 실리콘 기반 태양 전지가 쓰이고 있다.

여기에 사용되는 에너지 띠 그래프의 x축은 브릴루앙 영역인데 전도대역이 최소값을 가지는 x값과 가전자대역이 최대값을 가지는 x값이 같으면 직접천이형으로 밴드 갭에 해당하는 에너지가 모두 빛으로 나오지만 x값이 다르면 간접천이형으로 밴드 갭에 해당하는 에너지가 모두 빛으로 나오지 않고 일부가 포논이 되므로 격자 진동을 일으켜 열로 소모된다. 더 자세히 알고 싶다면 고체물리를 공부하면 된다.

LED 조명의 여명기에는 청색과 백색 LED는 비싸다는 단점이 있었지만, 그나마도 중국의 힘으로(...) 기존 조명에 쓰일만한 정도의 저성능 LED는 대량 생산에 성공해 매우 싼 가격에 구할수 있게 되었다. 고성능 LED는 예전엔 Cree사나 오스람사, 니치아사 정도에서나 생산되는지라 수요에 비해 공급이 딸릴 지경이지만, 지금은 LG이노텍, 삼성전자, 서울반도체 같이 고성능 LED를 찍어내는 회사가 좀 늘어나긴 했다.

청색과 백색이 비쌌던건 당시에는 바로 나온지 얼마 안됐기 때문이기도 하고 증착하기가 매우 어렵기 때문이다. 반도체 물질의 받침으로 주로 사용되는 사파이어 기판과 격자상수가 차이가 좀 많이 나서 그냥 증착하면 계면이 쩍쩍 갈라지는 헬게이트가 열리므로, 증착 전 기판에 버퍼층을 두거나 기판을 바꾸거나 하는 방법으로 격자상수 차이를 완화해야 한다. 실제로 시판되는 청색 LED들은 계면에서 이런 헬게이트를 방지하고자 10여층의 단결정 박막이 증착된다. 이러니까 비싸지

백색은 앞에서 볼 수 있듯이 청색을 기반으로 형광 물질을 도포하는 경우가 대다수이다. 정확히 말하자면 청색이 좀 늦게 나왔다. 옛날 컴퓨터들의 본체에 쓰인 발광체들을 보면 알 수 있지만 예전에 주로 쓰이던 LED색상은 적색과 노란녹색. 청색은 SiC를 기반으로 한 간접천이형이나 적색 LED에 청색 형광 물질을 사용하여 구현했으나 효율이 극히 떨어졌다. GaN이 청색을 발광하는 성질이 있다는 것은 이전에도 알려져 있었지만 위의 격자상수 문제때문에 실험실 수준에서만 제조가 가능할 뿐이었다. 그러다 일본에서 결함을 일부러 만들어내는, 통념을 깨는 방식으로 접근해 청색 LED의 반도체 물질인 GaN의 실용적인 증착법을 개발하고, 순수 청색과 동시에 백색을 구현하는 데 성공한 것이다.

결국 청색 LED의 개발의 공로를 인정받아 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지가 2014년 노벨물리학상을 공동 수상하였다. 이중 GaN의 실용적인 증착법을 개발한 나카무라 슈지는 자신의 회사에 대해 소송을 제기하여 직무발명 분야의 기념비적인 판결을 세운 것으로도 유명하다. 그리고 이 판결의 결과는 나카무라 슈지가 5억엔 또는 8억엔을 받는 것으로 마무리가 되었다. 참고로 이 엄청난 기술을 개발한 그에게 당초 주어진 보상금은 고작 2만엔(!!)이었다.

3 제조사와 시장상황

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중국의 미친 물량공세를 보라
청색 led를 개발한 나카무라 슈지가 다니던 니치아란 회사가 현재 1위를 하고 있다. 대한민국에서 이 분야 본좌 기업은 서울반도체라는 벤처기업. 과거 저가 LED칩을 직접적으로 생산하지는 않고 타사에서 공급받은 칩을 패키징했으며 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), 유기금속화학증착 생산설비를 보유하며 아크리치 같은 교류·고전압 LED 같은 고부가가치 하이엔드 시장을 공략하고 있다. 삼성전자와 LG이노텍 같은 대기업도 점유율을 확대하고 있으며 MOCVD 생산 설비보유는 서울반도체가 이미 국내 3위로 밀려났다. 그 외에 타이탄코리아, 마이크로하이테크 등 LED를 패키징하거나 저가칩을 생산하는 업체들이 국내에도 몇몇 있다. 다만 저가 LED칩 생산은 중국발 저가칩들이 엄청나게 쏟아져 들어오며 치킨게임를 벌이고 있어 대기업과 기술력을 가진 기업 외에는 위기를 겪고있다. 삼성전자 LED 관련 기사.

4 장단점

4.1 장점

LED를 이용한 1000 와트/90000 루멘짜리 휴대용 조명

전기 에너지를 빛 에너지, 특히 가시광선 영역으로 거의 100% 변환할 수 있는 최고효율의 발광기기다. 민간에 있어서는 대개 조명계의 혁명 정도로 받아들여진다. 특히 LED를 이용한 플래시라이트가 등장하면서 손전등 방면에서는 일대 혁명을 일으켰다. 휴대성을 중시한 소형 손전등이 이전까지 아무리 날고 기어봤자 20루멘의 영역을 못벗어났다면 LED 도입 이후의 손전등은 새끼손가락만한게 100루멘, 엄지손가락 만한게 350루멘, 한손에 여유있게 잡고 쓸만한건 무려 1000루멘을 넘고 2000루멘까지도 넘보는 경지에 이르렀다.(...) 또한, 매우 고효율이라 건물 내에서 태양 없이 식물을 경작하기도 한다. 여기에는 적색과 청색 LED를 사용하는데 식물이 이 파장대의 빛을 광합성에 가장 많이 사용하는 원리를 이용한다. 일반 가정집(백열구+할로겐+형광등)이 내부 인테리어 공사하면서 몽땅 LED 로 바꾸니 전기세가 절반으로 줄어들드라 라는 이야기는 이젠 흔하다.

옛날에 쓰인 전구나 형광등에 비해 작고 견고하고 수명도 길다... 지만 저가제품은 방열처리가 제대로 되어있지 않거나 전원부가 부실해서 기존에 쓰던 형광등에 비해 더 빨리 고장나는 경우가 많다. 다른 전자제품도 마찬가지지만 저가의 제품은 폭발할 수도 있다.

크기로는 먼지 만큼 작아질 수 있어서 얇은 핸드폰에도 일찌감치 들어갈 수 있었으며, 쉽게 필라멘트가 타버리는 백열구나 유리가 깨질 위험이 있는 형광등에 비해 조그마한 플라스틱 덩어리라 비교할 수 없이 내구성이 높다. 그리고 적절한 환경에서 사용할 경우 백열구(수백시간)나 형광등(수천시간)에 비해 천배 만배 (수십만 시간) 가까운 수명을 자랑한다.
다만 반도체라 고온에서는 매우 약하다는것이 큰 단점.

TV의 적외선 리모콘 수신부가 형광등의 전자식 안정기에서 나오는 전자파의 간섭을 받아 오동작 하는 경우가 있는데, LED 등은 그런 점이 없다는 부수적인 장점이 있다.

4.2 단점

일단 단가가 비싸다. 전구가 몇백원, 형광등도 몇천원이면 사는데 LED 사업이 뜨기 이전인 2008년까지만 해도 100w 백열구와 같은 빛을 내는 LED 전구의 가격은 2만원이 넘었었다. 수명이 최소 10배 이상은 가기 때문에 옛날에 샀어도 장기적으로 볼 때 어느정도는 이득이긴 하지만 비싼 초기비용은 어쩔 수 없었다.

허나, 2009년 이후 중국제 LED 조명의 약진으로 품질을 유지하면서 계속 단가를 떨어트리는데 성공해서, 민간시장에 있어 LED는 더 이상 비싼 조명기구가 아니다. 오히려 휴대용 조명분야에서 LED가 아닌 다른 조명들은 HID정도를 제외하면 다 사장되어가는 분위기다.(...) 2015년에 접어드는 현재에는 5000원부터 전구를 구입할 수 있으며, 유명 메이커 제품이 아닌 저가 제품들은 3000원부터도 구입할수 있다. 이나마도 해외직구로 구하면 훨씬 싸게 구할수 있는 수준. 그리고 형광등값도 몇 백원대까지 내려가버렸다

일반인에겐 익숙하지 않은 불빛이라 거부반응도 있다. 조명을 받은 대상이 얼마나 자연색(태양아래 색)에 가까운지를 의미하는 연색성이 다른 조명에 비해 상대적으로 떨어지고 조명으로 사용할 경우 점광원이기 때문에 눈이 부시므로 광확산PC나 광확산필름같은 빛을 분산시키기 위한 부품이 필요하다. 싸구려 저가형 LED 조명 중에서는 회로가 시원찮아서 60 Hz(교류) 주파수에 따라 옛날 형광등처럼 깜빡거리는 LED도 있다. 물론 눈이 쉽게 피로해지고 카메라에서는 플리커링 현상이 일어나기 때문에 매우 안 좋은데도 은근히 시중에 함정같이 많이 깔려 있으므로 주의. (직접 켜보고 테스트 한 후 사면 된다)

하지만 기술의 발전과 LED등의 개량에 힘입어 연색성은 다른 조명에 필적할 정도로 개선하는데 성공했고 회로도 계속해서 상향평준화가 이루어지고 있기 때문에 저가 제품군도 평균적인 질이 좋아지고 있다.

LED 구조상 열에 상대적으로 매우 약하다. 물론 발광에 필수적으로 열이 필요한 백열등이 발열량은 훨씬 많지만, LED는 형광등을 오래 켜둔 정도의 온도조차 치명적이라는 것. LED 자체는 발열이 크진 않지만 220볼트의 교류 전류를 직접 LED에 공급할 순 없기에 어댑터를 장착하게 되는데 이 어댑터에서 나온 열이 LED에 영향을 미치기 때문에 문제가 된다. 시중에 파는 백열전구 대체형 LED 전구가 무거운 방열판을 덕지덕지 달아둔 이유가 바로 그것. 적정한 온도에서의 LED 수명은 수십만 시간이지만, 온도가 조금씩 더 올라갈 수록 수명은 제곱분의 1로 깎인다. 100도가 넘는 상황이라면 수천시간도 못쓸 수 있으니 주위 여건을 신경써야 한다. 요즘 형광등은 수명이 8000시간 이상인데 아직도 개당 가격차가 많다는걸 생각해 보면 비싼 전등 사서 오히려 손해를 보는 셈. 욕실처럼 밀폐형 전등갓을 쓰는곳엔 설치할 수 없다.

그리고 형광등보다 광효율이 좋긴 한데, 홍보에서 주장하는 것처럼 월등하지는 않다. 흔해빠진 컴팩트 형광등이 8~11.45%의 효율인데, 일반적인 LED는 잘 나오는 게 14.9%#. 교효율 제품으로 가야 20%~30%의 효율이 나온다, 다만 그만큼 더 비싸서 의미가 있는지는 의문

값싼 T5/T8 직관 형광등+ 전자식 안정기도 요즘은 효율이 80-105 lm/W 가 나오는데 전구형 LED 램프는 70-80 lm/W 가 나오는 저가형 제품이 흔하고고휘도 고효율을 자랑하는 고가제품에서야 형광들을 어느정도 뛰어넘는 효율을 달성했으니 요즘의 개선된 형광등보다 효율이 썩 좋다고 볼 수는 없다. 값은 LED 등이 아직은 월등히 비싼데 효율은 현재의 형광등과 큰 차이가 없다. 상업조명이라면 고효율 메탈할라이드 전구나 무전극등이 LED 보다 효율도 좋고 값도 싸고 수명도 충분하다. 더구나 가로등 등 환경 조명용으로는 메탈 할라이드 효율의 150-200 lm/W 급인 LED제품이 최근에 나오긴 했으나 보급이 느리다. 남은 장점은 긴 수명 정도 뿐이지만 그나마도 중국산 저가 LED 제품은 고장이 잦고 수명도 짧아 경제적이라고 말하기 어렵다.

그러나 환경 측면에서 형광등은 머지않아 퇴출될 예정이므로 대안은 LED 밖에 없다. 2013년 스위스 제네바에서 세계 140여개 나라가 국제수은협약에 합의함에 따라 2020년까지 수은이 들어간 배터리, 조명기기, 화장품, 온도계의 제조·수출입이 금지된다. 형광등은 수은이 대기 중으로 노출되기 쉬운 품목으로 형광등 1개에 약 25㎎의 수은이 함유되어 있다. 우리나라에서는 연 1억6천만 개의 폐형광등이 발생되고 있는데, 수거율은 약 20%에 불과하다. 이에 따라 정부는 2020년까지 모든 조명의 60%를 LED 조명으로 바꿀 계획이다.#

LED의 단점으로는 반도체이기 때문에 전원환경에 매우 민감하다는 것이다. 한방에 훅하고 고장나는 일이 많다. 다만 이건 기술 노하우가 쌓이지 않은 일부 제조업체가 처음부터 잘못 만들어서 문제가 되는 경우거나, 저출력의 싸구려 LED를 여러개 갖다붙인 형식의 전구일 경우 부하를 이기지 못하고 고장나는 경우가 꽤 있다. 노란색 입자도 잘 안보일 정도의 싸구려 LED 수십개 갖다붙인 형식은 나중에 고장날 염려도 크기 때문에 오랫동안 쓸 생각은 하지 않는것이 좋다. 쓰다보면 슬슬 LED가 하나 둘씩 고장나서 못쓰게 되어가는 경우가 있다. 물론 이건 그만큼 싸기 때문에 딱히 금전적으로 손해볼일은 별로 없기는 하다. 게다가 싸구려 기구의 경우 여러 칩을 직렬연결 하도록 회로구성을 한 경우도 많다. 당연히 칩 하나가 나가면 한 라인의 LED가 다 꺼진다. LED제조사에서는 직렬로 길게 연결하거나 병렬로 연결하는것을 금하고 있는 경우가 많다.

5 용도

한국에서는 신호등, LED광고판, 자동차의 라이트, 그리고 아래의 2. 등에서 사용하고 있으며, 백색 LED의 개발에 따라 형광등 및 백열등을 대체할 조명기구로 각광받고 있다. 국제수은협약에 따라 2020년에 형광등이 퇴출(기사)된다면 그 수요가 늘어날 전망이다.

소니에서는 화소로 LED를 이용한 LED TV를 발표하기도 했으나 전시회 출품용으로, 실제 판매될지는 알 수 없다. 좋은 색 재현성이나 빠른 화면 응답 속도 등은 장점이지만 문제는 이미 LCD, LED 백라이트, PDP 등이 치열하게 경쟁하는 상황이였고 LED BLU. 또한 소니에서는 OLED(=유기발광다이오드)를 이용한 TV를 출시하기는 했지만 48인치 짜리가 1000만원으로 말 그대로 프로토타입인 셈이였으나, 기술발전이 매우 빨라 2014년 기준으로 OLED TV는 55인치가 300만원 대에 팔리고 있다.

대형 전광판에는 LED로 화면을 만드는 경우가 많다.

각종 스포츠 경기에도 광고판으로 사용하고 있다. 자세한 내용은 LED 광고판/스포츠 참조.

자동차에서도 여러 군데 사용 중이다. 가장 많이 쓰이는 곳이 각종 등화류들. 순정 자동차를 기준으로 계기판 및 실내 스위치 조명을 시작으로 보조제동등(테일램프의 브레이크등과 같이 들어오는 것), 사이드미러의 방향지시등, 테일램프의 브레이크등, 최근에는 주간주행등과, 방향지시등, 심지어 옵션이지만 전조등까지 사용되고 있다.

단점에서 언급되었다시피 LED의 푸른색 파장을 방출하는 성질을 이용해 포충기에서는 이 파장으로 곤충들을 유인해서 포충할 수 있다.

여담으로 작고 빛나기에 공대개그로 종종 쓰인다. 예를 들면 이런거

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