LED 이야기(2) LED의 작동원리

이번에는 중고등학교 과학이나 기술시간으로 되돌아볼까 합니다. 아마도 그 시절에 한번쯤은 들어보았던 내용을 다시한번 정리해 볼까합니다.
‘LED는 어떻게 빛을 내는 걸까요?’
‘어떤 원리로 다른 색상의 LED를 만들 수 있나요?’
알고 쉽긴 하지만 찾아보기는 귀찮은 궁금증을 여기서 풀어보도록 하죠.

LED란?
LED는 Light Emitting Diode의 약자입니다. 한마디로 표현하자면 ‘빛을 내는 다이오드’ 정도로 말할 수 있습니다. 전기에너지를 빛에너지로 변환시켜주는 ‘광반도체’ 라고 생각하면 됩니다. LED는 양(+)의 성질을 가진 p형 반도체와 음(-)의 전기적 성질을 지닌 n형 반도체를 접합한 구조를 가집니다.

순방향으로 전압을 걸어주면 n층의 전자가 p층으로 이동해 정공과 결합하면서 에너지를 발산하게 됩니다. 이때 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출됩니다. 빛의 형태로 발산되는 것이 바로 LED의 광원이 되는 것입니다.

아래쪽 밴드에 있는 전자가 에너지를 얻어 위쪽의 에너지 밴드로 이동하면 아래쪽 에너지 밴드에는 정공(hole)이 생깁니다. 아래의 에너지 밴드에서 전자가 에너지를 얻어 올라올 수 있는 위쪽의 에너지 밴드를 전도대(conduction band)라 부르고 아래쪽에 전자의 에너지 상태가 존재하는 밴드를 가전자대(valence band)라고 합니다. 이 때 전도대의 최소 에너지 값과 가전자대의 최대 에너지 차이가 에너지 갭이 됩니다

전도대 / 가전자대 / 밴드갭

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

에너지 준위에 따른 색상 (출처:삼성반도체 이야기)

또한 어떤 화합물을 사용하느냐에 따라 LED의 색상이 달라집니다. 화합물의 재료에 따라 에너지 준위 차이가 달라지기 때문입니다. 에피단계에서 화합물의 구성요소와 비율에 따라 원하는 색상를 만들 수 있습니다. InGa 화합물(In인듐, Ga갈륨, N질소)이 많이 들어갈수록 차가운 색상이 만들어지고 AlGa(Ai알루미늄, In인듐, Ga갈륨, P인)이 많이 들어갈수록 따뜻한 색상을 나타냅니다.

화합물에 따른 LED 색상

화합물의
 에너지 준위에 따른 LED 색상 (출처:삼성반도체 이야기)

LED의 종류
LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 가시광선 LED(VLED), 적외선 LED(IR LED) 그리고 자외선 LED로 나눌 수 있습니다. 당연히 가시광선 LED가 전체 LED 시장의 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다. RGB와 같은 색상 LED와 백색 LED가 가시광선 LED에 포함됩니다. 적외선 LED는 우리가 생활에서 많이 사용하는 리모콘, 적외선 통신, CCTV 카메라등에 사용되고 자외선 LED는 살균이나 치료등의 분야에서 다양한 목적으로 사용되고 있습니다.

LED 종류

우리들의 생활에서 LED는 조명장비 이외에 다양한 제품들에 여러가지 목적으로 사용되고 있습니다. 기존의 광원에 비해서 에너지 효율이 좋고 작고 가벼워 손쉽게 제품화하기 쉽습니다. 무엇보다도 오래동안 사용할 수 있다는 장점이 다양한 제품으로 개발되는 주요한 장점이기도 합니다. 이제는 이런 기능적인 장점과 함께 다양한 색상과 빛을 만들어 낼 수 있는 미적인 효과로 건축물이나 인테리어에 적용되면서 훨씬 많은 분야에서 활용이 되고 있습니다.

지금까지 LED의 작동원리에 대해 알아보았고 다음 편에는 조명장비로 사용되는 White LED에 대해서 알아보도록 하겠습니다.