34. LED 원리 알아보기 (1) - LED란?

전기로 직접 발광하는 최초의 발명품

제목만 보고 '무슨소리야 전구도 전기를 쓰고, 형광등도 있는데?' 라고 발끈하실 분들이 꽤 있으실 겁니다. 그런데 제목의 전제는 전기로 '직접' 발광하는 제품이라는 겁니다.

에디슨이 발명해서 오랜시간 사랑받아왔던 백열전구도 그렇고 형광등도 그렇고 전기에너지를 직접 빛에너지로 바꾸지 않습니다. 기존 조명제품은 빛을 발하지 않고 전기를 통해 열을 발산하고 이 과정에서 나오는 빛을 이용하는 등 한단계를 거치기 때문에 효율이 높지 않았습니다.

전구는 상당히 큰 저항체인 필라멘트에 전기를 가해주어서 발생한 쥴열(Joule heat)로 인한 흑체복사를 발광에 이용합니다. 그리고 형광등은 전기장을 이용하여 방전 플라즈마를 생성하게 되고 이것을 형광등 유리에 뿌려놓은 형광도료를 자극하여 발광시키는 방식입니다. 

열을 이용하던 플라즈마를 이용하던 아무튼 무언가 한다리를 거쳐 발광된다는 특징이 있지요.

2017/08/26 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 18. 형광과 인광 (1) - 형광편

*흑체복사에 관한 내용이 포함된 포스팅이니 궁금하신분들은 참고바랍니다.

그런데 LED는 전기가 가진 에너지를 사용하여 곧장 발광에 이용합니다. 그래서 불이나 전구같은 와는 다르게 냉광(冷光, Cold light)이라고 부릅니다. (그런데 LED에서 발생하는 엄청난 열을 보면 도저히 냉광이라 부르기는 싫긴 하군요 ^^;;)

우리는 장차 디스플레이 시장을 지배할 마이크로 LED(micro LED, mLED 혹은 μLED)라는 녀석을 이해하는 시간을 가질 것입니다. 그 전에 이번 시간에는 가장 기초가 되는 LED가 무엇인지 어떻게 구동되는지 또 어떻게 만들길래 마이크로 LED가 그렇게 만들기 힘들다는 것인지 차근차근 알아보겠습니다.

그림3. 다양한 발광 다이오드들 *출처 : 위키피디아

먼저 LED란 무엇인지 살펴봅시다. 

LED란?? LED(Light Emitting Diode) 빛을 내는 다이오드라는 뜻을 가지고 있습니다. 빛을(Light) 방출하는(Emitting) 것 까지는 이해하겠는데 아무리 봐도 다이오드(Diode)라는 말은 외계어 같으시죠?

다이오드는 굉장히 종류가 많습니다. 정류, 스위칭, 정전압, 가변용량, 쇼트키 다이오드 등 너무나 다양한 다이오드들이 있는데 우리가 여기에 대해서 자세히 알 필요는 없고 이것 하나만 알고 있으면 됩니다.

전기를 거꾸로 흐르지 못하게 하기 위해서 두개(Di)의 전극(Electrode)를 붙여놓은 것입니다. 그래서 합쳐서 다이오드(Diode)라고 부릅니다. '오 그렇구나'라고 넘어가기에는 조금 이상하지 않나요? 전극이라면 전기를 잘흐르는 재료를 말하는데 이거 두개 붙여놨는데 왜 한쪽방향으로만 전기가 흘러? 라고 의문을 가지는게 더 자연스럽습니다.

그림1. 다이오드의 원리

그림1의 1번그림을 보면 일반적인 전극 두개를 한쪽에는 플러스, 양극에 연결하여 애노드(anode)로 만들어주고, 한쪽에는 마이너스 음극을 연결하여 음극(cathode)를 만들어 줍니다. 아무리 붙여놓아보았자 이거 플러스 마이너스만 거꾸로 돌리면 그냥 양극과 음극 방향이 바뀌어 버립니다.

전기는 아무 방향으로 흐를 수가 있어요.

2번 그림처럼 중간에 어떠한 장치를 달아두어야 합니다. 그 역할을 다이오드가 하게됩니다. 그러면 어떻게 한쪽방향으로만 전류를 흐를 수 있는지 3번 그림을 보면서 이해해 봅시다.

3번 그림에서는 다이오드가 두가지 다른 에너지를 갖는 P와 N이라고 씌여있는 녀석으로 이루어져 있음을 알 수 있습니다. 이는 각각 P형 반도체와 N형 반도체를 나타냅니다. 일반적으로 말할때는 4족원소인 실리콘(Si)에 5족원소인 인(P)을 섞으면 인의 남는 전자가 생기므로 이 전자를 이용하여 전기 전도도가 생기므로 이 현상을 이용하여 N-type 반도체가 됩니다.

반대로 실리콘에 3족 원소인 붕소(B)를 섞으면 전자가 하나 부족해지므로 정공이 생성되어 P-type 반도체가 되겠죠? 아무튼 이렇게 만들어진 P, N type 반도체를 3번 그림처럼 붙여놓으면 P타입은 정공만 이동하기 쉽고, N타입은 전자만 이동하기 쉬운 구조가 되므로 전기를 한방향으로 흐를 수 있게 됩니다.

물론 PN접합에서 생기는 현상들이 있지만 이번시간에는 LED를 이야기 하려하기 때문에 생략하겠습니다.

그래서 이렇게 전류를 한 방향으로 만들어주는 것이 다이오드의 역할인데, 의도한 것인지는 모르겠으나 신기한 현상을 발견합니다. 특정한 반도체 재료를 사용하면 이 PN 접합 부분에서 빛이 나는 것이었습니다.

그림2. 발광 다이오드 

전자와 정공이 이 PN 접합(PN junction)의 공간에서 만나면서 재결합(recombination)이 발생하여 빛을 내게 됩니다. (OLED의 원리와 완전히 똑같죠? ^^;) 

전도대로 불리는 Conduction band에 위치한 전자가 가전자대로 불리는 Valence band로 안정화되면서 광에너지를 발생합니다. 우리가 흥분했다가 마음을 가라앉히며 XXX!!!!!!하며 샤우팅을 한번 날리면 부쩍 마음이 차분해 지는 것과 비슷하다고 해야할까요.... 아무튼 그렇습니다.

그래서 이 PN 접합의 에너지 크기에 따라 색을 조절할 수 있다는 것도 발견하게 됩니다. 이 크기를 조절하면 눈에 보이지 않는 UV영역부터 적, 녹, 파, 적외선까지 다양한 발광 다이오드를 만들어 낼 수 있습니다.

2017/07/24 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 16. OLED의 색 : 엑시톤과 에너지밴드갭 그리고 스펙트럼 (1)

반도체의 에너지 크기조절을 통해 어떻게 다양한 색상을 구현하는지는 이전에 포스팅해두었던 글을 참조바랍니다. 

이번시간에는 LED가 무엇인지 또 빛을 낼 수있는 가장 간단한 원리에 대해서 알아보았습니다.

다음시간에는 LED의 구조를 살펴보는 시간을 갖겠습니다.