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LED이론 LED Resource - I


Ⅰ.
발광원리

물질에서 빛이 나오는 원리를 이해하기 위해서는 물질의 구조까지 공부하지 않으면 안 되지만 물질을 형성하고 있는 원자의 구조는 그림처럼 간단하게 표시할 수 있다. 이 원자의 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자(최외각 전자)에 높은 온도가 가해지거나, 외부로부터 자유 전자나 X선이 부딪치는 경우처럼 외부로부터 에너지가 가해지면 에너지가 증가된 최외각 전자는 가속되어서 지금까지 움직여왔던 궤도보다 바깥쪽 궤도로 코스를 바꾸어서 움직이게 된다.  

이 바깥쪽에는 몇 개의 궤도가 미리 정해져 있다. 이 바깥쪽 궤도로 최외각 전자가 이동하는 것을 전자의 여기라고 부른다. 이 상태는 원래의 원자 구조에서 생각하면 비정상적인 상태이므로 불안정하다.

이 여기 상태에서 원래의 궤도로 전자가 돌아갈 때의 빛이 방출된다.




Ⅱ. 발광디바이스의 종류.

 

1. 발광 다이오드 (LED)

광을 조사하면 전도대에 전자를, 가전자대에 정공을 생성할 수 있으나, 광을 조사하지 않아도 N형 반도체를 이용하면 전도대에 전자를, P형 반도체를 이용하면 가전자대에 정공을 생성할 수 있다. 그래서 pn 접합을 구성하여 그림 1과 같이 순바이어스를 인가하면 N영역의 전자는 P영역으로 P영역의 정공은 N영역으로 주입되어 접합부에서 전자, 정공 밀도가 높아져 전자-정공의 재결합 확률이 높아진다.

[그림 1] PN접합의 발광현상

이때, 전자는 에너지 상태가 높은 전도대에서 낮은 가전자대로 천이하게 된다. 이천이 과에서 에너지 자를 광으로 방출한다. 이와 같은 원리에 의한 발광소자가 발광다이오드(LED : light emitting diode)이다.

발광효율을 높이기 위한 GaAs 발광다이오드의 구조도를 그림 2에서 나타냈다. 이는 기본적으로 pn 접합 구조이나, pn 접합의 P층을 P와 P+으로 나누어 불순물밀도를 다르게 한다. 또, P+층에서는 Ga의 일부를 x% 만큼 Al로 치환한 3원의 화합물 반도체인 AlxGa1-xAs을 이용하여 제작한다.

이와 같이 금지대 폭이 다른 두 개의 접합으로 되는 구조를 이중-이종(double-hetero) 접합구조라 한다. 이렇게 하여 그림 2(b)에서와 같이 P층 영역에 전자와 정공을 저장하여 발광효율을 높이고 발광한 광이 좌측의 창까지 나갈 때까지 통과하는 도중에 흡수되는 것을 방지하기 때문에 전체의 발광효율은 높아지게 된다. 발광파장은 전자가 천이하여 재결합하는 P층의 금지대 폭으로 결정된다. GaAs 결정은 Eg가 1.4[eV]이므로 그 파장은 약 890nm로 된다.

[그림 2] GaAs 발광다이오드



2. 레이저 다이오드


a. 레이저의 원리

LED의 동작조건과 구조를 변경하면 0.1nm 이하 파장의 광출력이 생성되는 새로운 방식의 소자가 만들어질 수 있다. 이 새로운 소자는 레이저(LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 다이오드이다. 그림 3-(a)에서 E1에 원자가 놓여있을 때  =(E2-E1)/h의 진동수를 갖는 입자가 입사하면 이 광자는 흡수되어 E1에 있던 원자를 여기 (exitation) 시키는 흡수과정을 보여주고 있다. 그림 (b)에서는 E2에 있던 원자가 E1으로 떨어지면서  =(E2-E1)/h의 진동수를 갖는 광자를 방출하는데 이 과정을 자발적방출(spontaneous emission)이라한다. 그림 (c)에서 보여주는 바와 같이 전자가 보다 높은 에너지 상태에 있을 때 입사광자가 있다면 전자와의 상호작용에 의하여 전자로 하여금 밑으로 천이하도록 하며 이 천이과정은 광자를 생성한다. 이 과정을 유도방출(induced emission)이라한다. 이 유도방출은 1개의 광자에 의하여 2개의 광자를 얻을 수 있으므로 증폭기능을 갖게 된다. 이 두 개의 방출광자는 동일위상 (in phase)이므로 그 출력은 응집력을 갖게되어 강한 힘이 될 수 있다.

(a) 흡수과정 (b) 자발적 방출 (c) 유도방출

[그림 3] 광자와 전자간 작용


[그림 4] 반도체 PN접합 레이저 구조


b. 레이저의 구조

반도체 레이저 재료로는 Ⅲ-Ⅴ족 등 화합물 반도체가 이용되고 있다. 그림 4에서와 같이 N형 기판위에 P형을 확산시켜 pn 접합을 이루고 접합면에 수직인 평행한 두 평면을 거울면으로 만든다.

P형과 N형 쪽에 전극을 연결하고 강한 순방향 바이어스를 인가하면 레이저 작용이 발생한다. pn 접합면에서 방출하는 광은 응집력의 방향성을 갖으며 좁은 스펙트럼(spectrum)을 갖는다.


c. 레이저의 작용

반도체 레이저 다이오드는 발광다이오드와 그 양 끝에 부착한 반사경으로 구성된다. 그림 5(a),(b)에 그 단면구조를 보여주고 있다.

결정의 벽개면 그 자체가 그림그림과 같이 반사경으로 사용된다. 이는 결정이 규칙적인 구조를 갖고 있기 때문에 그 반사경면은 평행면으로 되는 것과 반사경면 양쪽의 GaAs 반도체와 가깥쪽의 공기와의 사이에 굴절률 차가 생기는 반사경으로 되기 때문이다. 이 다이오드에 순방

[그림 5] 레이저 다이오드의 발광기구


향 바이어스를 인가하면 LED와 같이 P층으로 전자와 정공이 주입되어 전자는 가전자대로 천이하여 정공과 재결합하면 그 금지대 폭에 상당하는 파장의 광을 방출하게 된다. 이 광 중에서 인접한 N층, P층으로 들어간 광은 인접층으로 향하지 않고 거의 벽개면으로 향한다. 이것은 그림 (e)에서 보는 바와 같이 P충의 굴절률은 인접충보다 크기 때문에 그림(f)와 같은 광강도 분포로 되도록 광의 전자계를 P층 내에 가두어 놓게 된다. 이 벽개면에 도달한 광은 거기서 반사하여 P영역 내로 되돌아온다. 일반적으로 입사광 중에서의 전자-정공의 재결합에 의한 방출광의 위상은 입사강 중에서 가장 강한 광의 위상과 동일하다. 이와 같은 광 방출은 유도방출이라 한다. 이 유도방출이 반복되기 때문에 동일위상의 강한 광이 반사경 사이에서 구성된 공진기내에 갖히게 된다. 이 광의 일부가 반사경에서 방출되어 출력광의 레이저 광으로 된다.

레이저는 광의 증폭 유도방출 전자파의 의미를 갖고 있으며, 이 레이저를 이용한 다이오드를 레이저 다이오드라 한다. 그림 6에서는 발광다이오드(LED)와 레이저 다이오드(LD)의 광 출력의 바이어스 전류 의존성을 비교하였으며, 그림 7에서는 발광 스펙트럼을 비교하여 나타내었다.

발광 다이오드는 자연 방출광이므로 전류가 작은 경우에도 그것에 비례하는 발광 출력을 얻을 수 있다. 이에 비하여, 레이저 다이오드는 어느 정도의 전류로 되면 유도방출이 현저하게 생긴다. 이 유도방출은 광이 강할수록 강하게 발생하기 때문이다. 따라서 광출력은 어느 정도의 전류값, 즉 문턱 전류 Ith 에 서 급격히 증대한다.

[그림 6] 출력 바이어스 전압의존성              [그림 7] 스팩트럼 비교


또 레이저 다이오드는 반사경 부분이 일종의 광공진기로서 작용하기 때문에 유도방출이 어느 파장에서 선택적인 발광을 생기게 할 수 있으므로 그림 7에서 보는 바와 같이 예리한 스펙트럼의 특성을 얻을 수 있다.

한편 발광 다이오드에서는 그림과 같이 자연방출이 주된 것이므로 폭이 넓은 스펙트럼을 보여주고 있다.



3. 전계발광 (EL)


전계발광(electro-luminescence)은 반도체에 전압을 인가하여 전계를 공급하면 여기발광이 발생하
는현상으로 이 현상을 이용한 발광소자를 EL 소자라 한다.

발광기구에 따라서 다음 두 가지로 구별된다.


a. 진성전계발광


ZnS과 같은 형광체의 결정을 유전물질내에 놓고, 교류 전압을 인가하면 전계의 작용에 의하여 케리어가 여기되어 발광하는 현상이다.

이 경우는 결정내부의 인가 전압에 따라 높은 전계가 발생하여 생기므로 고유형 전계발광이라고도 한다. 그림 8에서 전계발광소자의 단면도를 나타내었다.


b. 주입형 전계발광

SiC, GaP 등의 화합물 반도체로 pn 접합하여 직접 전극을 붙여 전류를 흘리면 발광현상이 나타나며 이 경우의 발광은 전극에서부터 전자나 정공이 결정 속으로 주입되고 이 주입된 케리어가 작용하여 발광을 생기게 하므로 주입형 전계발광이라 한다. 현재 실용적인 측면에서는 고유형 전계발광이 주로 이용되고 있으며 대표적인 것이 전계발광판 (EL cell)이다.

                                                       [그림 8] 전계발광 소자의 단면도




Ⅲ. LED의 특징 및 적용.

1. LED의 특징

① 저소비 : LED는 저전압에서 동작합니다. 일반 소형 꼬마 전구에 비해 약 5배 정도나 전력이 단축됩니다. 아래 그림을 참조하시기 바랍니다. 일반적으로 LED는 2~4V에서 동작합니다. 물론 LED를 잘 쓰시기 위해선 전류 제어를 잘 하셔야 합니다. 제품에 따라 약간에 차이는 있지만 주로 20mA를 기준으로 LED가 정상 작동 되도록 제작되었습니다.

회로를 구성하여 구동하실 때는 실제로 10%정도 저전류를 인가하면 동일한 밝기가 지속적으로 유지될 수 있습니다. 각 제품의 감쇄율을 최대한 둔화시킬수 있는 방법으로 전광판등을 구성할때 사용하는 방법입니다.


② 평균수명 : LED는 반영구적입니다. (1백만 시간) 아래 그림을 참조하시기 바랍니다.

또 LED는 일반전구처럼 필라멘트가 단락되는 일이 없어 반영구적으로 사용하실 수 있습니다. 아래 그래프는 일본 T사의 제품중에 LED수명을 나타낸 그래프입니다. 가로 축을 시간 세로 축을 휘도(밝기)로 생각하시면 만 시간 동안 20% 미만으로 떨어지는 것을 보실 수 있습니다.

③ 응답속도 : 응답속도란 반응속도를 말합니다. 쉽게 설명드리자면 형광등을 켰을 때 깜빡깜빡이면서 켜지는 것을 보실 수 있습니다. 물론 약간 계념적인 차이는 있지만 이런 식으로 생각하시면 쉽게 이해하실 것 같습니다. 또는 일반 전구에 전압을 인가하면 필라멘트가 가열된 후 정상 밝기가 나오는 것을 보실 수 있습니다.  LED는 반도체라는 특성으로 인해 전류를 인가하면 곧 바로 응답합니다. 아래 그림을 참조 하시기 바랍니다.

[그림1]  LED의 특성


④ 소형 : LED는 기본적으로 3mm, 5mm 정도의 크기지만 요즘은 Chip LED 시장도 많이 커지고 있으며 국내에서도 여러 모양의 Package 형태가 개발되고 있습니다. 즉 광 디바이스 로는 LED가 가장 소형입니다.

⑤ 무한 확장 : LED는 소형일 뿐만 아니라 무한 확장이 가능합니다. 예를 들어 전광판 같은 경우입니다. EL이나, LCD는 이런 면에서 한계가 있습니다. 또 가끔 TV에서 브라운관을 몇 개 연결해서 대형화면으로 사용하는 경우가 있는데, 이런 경우는 각 TV의 이음 부분 처리가 LED만큼 완벽하지 못합니다.


⑥ 내구성이 강하다 : LED는 일반 전구나 형광등처럼 램프가 깨지는 경우가 없습니다. 칩부분에 Epoxy로 Package을 해서 약 200℃에 4시간동안 경화시킴으로 강한 충격에도 LED램프는 손상을 입지 않습니다.


⑦ Full Color 구현이 가능하다 : 청색LED의 상용화로 LED의 풀컬러 구현이 가능해지고 가격도 크게 낮아졌습니다. 하지만 일본에서 Chip, Package 기술에 대한 특허권을 가지고 있기 때문에 성장이 크게 지연되는 것은 사실입니다. 하지만 LED의 우수성으로 인해 앞으로 활용도는 더욱 커질 것으로 전망됩니다.

지금까지 LED의 특징을 설명드렸는데 그 외 많은 장점을 가지고 있습니다. LED의 우수성을 직접 확인해 보시고 지금의 발전 상황과 앞으로 전망에 대해 진단해 보시기 바랍니다.


2. LED 휘도

먼저 휘도에 대한 내용을 말씀 드리기 전에 알아두셔야 할 것은 휘도란 계념이 제조회사마다 조금의 차이가 있고, 또 Data Sheet에서도 일괄된 휘도의 적용이 되어 있지 않습니다. 그래서 수치상으로 알려드리는 것이 크게 의미가 없다는 점입니다. 때문에 항상 문의를 하실 경우 직접 Sample을 확인해 보실 것을 권해 드립니다.

그리고 앞으로 말씀드리는 수치는 각 제조사의 Data Sheet상에 수치임을 알려 드립니다.

일반적으로 제품의 질은 일본제품이 우수합니다. 물론 국내 제품도 몇 가지 제품은 일본제품을 앞서는 것도 있고, 휘도나 신뢰성면에서 많이 비슷해지고 있다고 생각합니다. 하지만 우수 기술은 대부분 일본에서 가지고 있으며 아직 고휘도 대부분의 시장을 일본이 선점하고 있습니다. LED의 최고 권위를 가지고 있는 회사는 일본에 NICHIA사입니다. 1993년에 최초로 Blue LED를 양산했으며, 광 디바이스에 대한 기술이 뛰어난 회사입니다. NICHIA사에서 나오는 고휘도 Blue는 3000mcd(휘도의 단위는 칸델라(cd)입니다.), White는 5600mcd, Green은 10000mcd입니다. 현재 양산되는 모든 제품중에 최고 휘도로 생각하시면 무리가 없을 것 같습니다. 다른 칼라는 Red가 6000mcd, Orange가 8000mcd, Sunset Orange가 10000mcd, Amber가 8000mcd, Yellow-Green이 2500mcd 정도입니다.

다시 한 번 강조드리고 싶은 내용은 휘도를 결정짓는 것은 Chip Material, Viewing Angle, Package Technique입니다. 때문에 수치로 나오는 것은 큰 의미가 없다는 점을 알려드립니다.

LED는 크게 휘도에 따라 General급과 High급, Super급, Ultra급을 분류를 하는데 지금까지 설명드렸던 내용은 고휘도 Ultra급이고, General급은 주로 100mcd미만 제품을 High급은 500mcd미만 제품, Super급은 1000~2000mcd미만 제품을 뜻합니다. 물론 휘도의 모호함 때문에 주로 Chip Material에 따라 급수를 선별하기도 하는데, 주로 General급에 쓰이는 재료는 GaP(갈륨,인), GaAsP(갈륨,비소,인)이고, Super급은 GaP(갈륨,인), GaAlAs(갈륨,알루미늄,비소), 이고 Ultra급은 InGaAlP (인듐,갈륨,알루미늄,인), InGaN(인듐,갈륨,질소), GaN(갈륨,질소)등의 원소를 많이 사용하고 있습니다.



3. LED 가격

가격도 유동적이며 각 등급별, 수량, 제조회사, 등급에 따라 큰 가격 차이가 있으므로 모두 말씀드리기는 어렵지만, 대략적으로 일반급 저휘도 제품들은 개당 20~40원 사이이고

super급은 40~60원 정도이고, Ultra급 최고 고휘도 제품은 Red, Amber, Orange, Yellow가 80~90원정도이고, Green은 600원, Blue는 650~750원, White는 680~800원 정도 입니다.

물론 위 가격은 대략적인 가격이므로 구매를 원하실 경우 수량과 제품의 특성을 파악하여 가장 적정 수준의 제품을 선별하여 드립니다. 또 가격의 변동에 중요 요인중 하나는 고객께서 신뢰성이 좋은제품을 원하실경우 일본이나 국내 큰 회사와 contact을 하고, 저렴한 가격의 제품을 원하실 경우 국내 중소업체나 대만업체와 contact을 하기 때문입니다. 보다 정확한 가격은 직접 견적을 요청하시기 바랍니다.



4. LED Color

 

빛은 입자성과 파동성의 양면을 가지고 있습니다. 또 스펙트럼을 지난 각 Color는 고유 파장을 가지고 있습니다. 아래 표를 참고하시기 바랍니다.

그림 2 가시광선 영역별 Color


그림 3 파장별 영역


참고로 그림 3에서는 파장별 영역에 대한 그림인데, 주로 LED에서 취급하고 있는 부분들은 300~1000nm정도의 영역입니다.

또 사용되는 Chip Material에 따라 제품의 Color 및 휘도, 가격등에 복합적인 차이가 생깁니다. 위의 내용들과 종합해서 설명드리면 아래 표와 같습니다.

좀 더 자세하게 분석해 보겠습니다. 예를 들어 같은 칩으로 만든 제품이라고 하더라도 파장안에 제품에 Rank가 있습니다. 주로 휘도, 파장의 수치(Wavelength)에 따라 구분을 하는데 신뢰성이 좋은 제품이나 일정한 밝기의 제품을 원하실 경우 주문시 Rank를 미리 선정하시면 됩니다. 예를 들어 휘도는 Typ.에서 ±20% Wavelength는 ±10%정도에서 생산되는 제품.. 이런 식의 주문을 하시면 신뢰성이나 좋은 제품을 받으실 수 있습니다. 물론 이런 점들이 가격 상승의 요인이기도 합니다.

아래 그림 4는 Rank에 대한 설명을 그림으로 나타내고 있습니다.

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5. LED의 활용

a. 전광판 및 Display

요즘들어 자주 접하는 문의가 바로 전광판입니다. 앞으로 일반 간판이 전광판으로 대치된다면 그 시장성은 어느 정도 짐작하실 수 있을 것입니다. 아직 고가이긴 하지만 앞으로 규격화되어 대량생산된다면 문제는 다소 해결되리라 생각됩니다. 당사에서도 많은 관심을 가지고 있는 부분이며 자체적으로 연구 중에 있습니다. 앞으로 이런 부분들은 계속 자료실에 업로드될 예정이니 관심 있게 지켜봐 주시기 바랍니다. 기타 자세한 자료는 당사 홈페이지 Dot Display부분을 참조하시기 바랍니다.


b. 조명용 LED


LED의 휘도가 계속 좋아짐으로 인해 앞으로 형광등이나, 기타 조명을 대치할 수 있도록 개발되고 있습니다. 아직은 개발 중에 내용들이므로 일반적인 전망에 대한 내용입니다.

아래 내용은 당사 홈페이지에서 발취한 내용입니다.

지난 6개월동안, 일반조명으로 쓰일 수 있는 White LED에 대한 개발이 대단한 관심을 모았다.

Steele 사는 다른 산업에서도 마찬가지이지만, 일반조명으로 쓰일 White LED의 가격이 아직까지는 터무니 없이 비싸다고 보고 했다. 하지만 향후 5년안에 일반조명과 하등의 차이가 없는, 그리고 가격에 있어서도 문제가 없는 White LED가 계발될 것이라고 또한 밝혔다. 현재 일반조명시장의 가격 또한 비싸게 형성되어 있는것 또한 사실이다. 2003년에는 구시대의 조명은 거대하고 혁명적인 LED에 의한 조명에 의해 큰 수난을 겪게 될 것이다.

LED가 일반조명시장에서 완벽한 우위를 차지하기 위해서는 가격이 너무 고가라는 점, 그리고 완벽하게 대체할 수 있는 기술, 이 두가지의 장벽을 넘어야 하는 필요성을 가지고 있다. 이러한 아직까지의 단점에도 불구하고, 최근 2개의 조명회사, 하나의 LED램프제조회사가 합작함으로써 미래의 조명시장에 대비하기 위해 차근차근히 준비를 하고 있다. 현재 일반조명, 즉 형광등, 백열등에 의해 형성된 세계시장의 규모는 약 100억 달러정도이다.

Steel사는 아무도 미래의 LED시장에 대해서 비관하는 사람은 없다고 말한다. 많은 조명회사들이 머지않아, LED에 의해 현재의 조명들이 전부 다 바뀌는 세상이 올거라 믿고 있기에, 앞다투어 LED을 이용한 조명에 연구, 계발에 힘쓰고 있는 것이 바로 증거라고 또한 말했다.

최근 White LED가 일반조명을 대체할 수 있다는 연구가 광범위하게 일어나고 있다.

현재 100억달러 규모의 조명세계시장에서 이러한 조짐은 LED가 미래의 조명시장에 엄청난 잠재력을 보여주고 있는 것이기도 하다.

White LED의 빛의 방출은 현재의 형광물질보다는 훨씬 더 뛰어난 성능을 가지고 있다. 이러한 점으로 볼 때, 지금까지의 고정적이던 조명시장에 일대 변혁을 가져올 것이며, 결국에는 형광물질로 빛을 발하는 것을 볼 수 없게 될 것이다.

그러나 아직까지 LED조명으로서의 사용은 일반 특정분야의 전문적인 사용, 즉 의학용, 건축용 등으로 제한적인 것이 사실이다. 이러한 적용은 LED의 방출을 규제해서 사용한다. (예를들어 고휘도는 상대적으로 낮은 10-12°의 지향각과 낮은 수명을 가진다.) 또한 LED는 과도한 열에 노출되었을 때 굉장히 약하며, LED를 이용한 조명설비를 하기가 어렵다는 단점이 있다.

하지만 White LED가 계속 발전해 나감으로써 조명으로서 역할을 자리매김하고 있다. 고체를 이용한 일반조명들의 역할은 이미 5년에서 10년전부터 사라져 가고 있다. 현재 White LED의 밝기는 10-15 lm/W으로서 형광등과 동등한 밝기를 내주고 있다. 그러나 넓은 지역에 충분한 조명을 책임질 수 있는 조명장치를 설치하기 위해서는 많은 어려움이 따르며, 비용의 엄청난 부담을 가져온다.

그러므로, 더욱더 좋은 조명을 얻기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 많은 연구기관들이 더 나은 조명을 위해 연구하고 있는 것이 바로 그러한 이유 때문이다. 또한 혁신적인 칩과 팩킹 디자인에 대한 연구를 통해 효율을 증대시키기 위해 노력하고 있다. 많은 회사들이 상호간에 협력관계를 맺음으로써 (LumiLeds 와 Philips, Agilent / GELcore 와GEL, Emcore / Osram 광반도체 와 Osram, Infineon) 연구에 박차를 가하고 있는 현실이다.


c. 신호등 및 자동차 라이트

LED신호등은 현재 국내에서 계속 개발 중에 있습니다. 하지만 국내에서 설치되어 있는 곳은 많지 않습니다. 주로 철도 건널목에 설치되어 있고(차량 통제등) 신호등에 약간 응용된 제품등이 조금씩 나오고 있는 실정입니다.

물론 고속도로나 일반국도에서 야간 표시기로 LED가 많이 이용되고는 있지만 아직 교통 신호등에 대한 시장은 크지 않습니다. 물론 정부의 정책이나 LED의 우수성, 또는 LED 단가에 조정 등을 고려한다면 시장성은 무한히 커질 것으로 생각됩니다.

실제로 일본, 미국, 유럽등 많은 나라에서 정부방침으로 도로 신호등을 조금씩 교체하고 있는 상황입니다.

국내 개발 및 판매 업체도 조금 있는데 주로 국내에 유통되는 것이 아니고 주로 수출되는 물량입니다. 아직 그런 업체들의 정확한 데이터가 나오고 있지 않아 정보로 드리기가 어렵습니다만 근래들어 신호등 관련 문의가 당사에 많이 접수되고 있는 상황입니다.

신호등엔 아시다시피 적색, 황색, 파란색의 Lamp를 사용합니다. 주로 LED에서는 이런 Color를 Red, Amber, Bluish-Green으로 표현하는데 대략적인 단가를 말씀드리자면 (물론 수량과 제조회사, 제품의 특징 등 관련 내용에 따라 많이 차이가 있지만) 일반적으로 Red, Amber 개당 단가가 100원 미만이고, Bluish-Green은 650~750원 정도 입니다.

아래 내용은 당사 홈페이지에서 발취한 내용입니다.

자동차 시장에서의 LED제품의 잠재력은 매우 크다. Siemens 사는 Cree 사의 Blue 패키징방법을 사용하여 독일의 많은 자동차 제조회사에 내부용 조명기구에 쓰이는 LED를 공급하고 있다.  고휘도 LED는 현재의 자동차의 조명을 대체할 수 있는 충분한 휘도를 내어주며, 게다가 신뢰도 면에서도 만족을 주기 때문에, 구태여 비싼 조명기구을 쓸 필요없이 LED로 대체되고 있다는게 독일의 자동차 제조업체 관계자의 설명이다.

또 하나의 큰 시장은 자동차 후미에 있는 정지 표시 램프이다. HP는 10개 자동차 회사중에 9개회사에게 LED를 공급하고 있을 정도로 독점을 차지하고 있다고, 시장조사 연구기관인 Frost & Sullivan 이 보고서에서 밝혔다. 기존의 저가형 LED에 비해 미국에서는 좀 더 고급적이고, 비싼 제품이 쓰이고 있다. 후미등으로서 AlInGaP, 626nm, Red 와, AlInGaP, 615nm, Orange-Red 가 쓰인다. 유럽에서는 590nm 파장의 Amber가 표준으로 쓰이고 있다.

미국에서의 신호등시장은 LED의 도입을 상당히 진지하게 받아들이고 있다. 적지않은 유지비용의 절감 뿐만 아니라,  이를 계기로 많은 힘있는 회사들이 LED도입을 생각하게 된 큰 동기를 부여받게 됐다. 작년에 캘리포니아의 많은 도시는 교차로의 Stop 싸인 램프를 평균 200 달러를 들여 LED 버전으로 바꾸었다. (현재, 약 400달러를 들여 녹색의 Go 싸인까지 바꾸었다. 그러나 여전히 LED 신호등으로 대체하는 것은 너무 비용이 많이 든다고 Strategies Unlimited 사는 말한다.)  25개의 오렌지 색깔을 내는 LED가 사용되는 보행자 신호는 미국 전역에서 쉽게 볼 수 있게 되었다.

그러나, 일본에서는 LED신호등의 교체가 여전히 늦게 진행되고 있다. 일본이나 아시아지역에서는 광고용 옥외 전광판에 들어가는 풀칼라 전광판이 훨씬 더 대중적이라고 Steele 사는 말한다. 이것은 많은 수의 일반 LED가 사용되어진 것으로서 원하는 만큼의 물량을 쉽고, 값싸게 생산할 수가 있기 때문에 가능한 일이라고 또한 말했다. 옥외용 LED 전광판이 많이 쓰여지고 있는 일본은 국내 LED시장을 강화하기 위해 LED신호등 교체 프로젝트를 구상중에 있다고 밝혔다.




Ⅳ. LED 구성 요소 및 생산공정.

1. LED의 구조.

LED의 기본은 표면 처리가 된 리드 프레임이다.  칩은 반사 컵 안에 넣어 출력을 증가시킨다.

접촉은 전도성 접착제의 자력에 의한 음극과 양극을 통하여 리드 프레임의 Gold wire에 의하여 이루어진다. 플라스틱 케이스는 리드 프레임의 chip 주위를 둘러싸고 광학 System처럼 발광 특성을 결정짓는다. 특별한 플라스틱 재료는 습기와 기계적인 충격에 대하여 높은 저항력을 가진다.

칩들은 전도력이 있는 접착제로 리드프레임에 고정되어진다. 프레임은 높게 반사하는 빛의 채널을 가지고 있는 디스플레이 틀에서 성형하고, 동시에 외부와 부분 구성을 제공한다.  이러한 구조의 디스플레이는 특히 넓은 온도의 운용 능력, 내구성, 일정한 Segment 빛의 조도, 충격과 진동에 강한 저항력 등의 특징을 제공한다.


 


The basis for an LED is a lead frame with treated surface. The chips are mounted in a reflecting tray in order to increase the light output.

The contacts are made on the cathode side by means of conductive adhesive and on the anode side via a gold wire to the lead frame.   The plastic case encloses the chip area of the lead frame and determines the radiation characteristics as an optical system.

The special plastic material provides the component with high resistance against moisture and mechanical effects.

The LED chip are mounted with conductive adhesive on a lead frame.   This frame is cast into the display housing which, with its highly reflective light channels, simultaneously provides the external and segment configuration. This construction provides the display with special characteristics: wide operating temperature range, protection against environmental effects; uniform, bright segment illumination; resistance to shock and vibration.



2. 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 frame 을 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 경화 시켜 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.




Ⅴ. 조명의 계측단위

입체각 (Solid angle)

빛은 삼차원의 모든 방향으로 방사될 수 있으므로 한 점의 주위 공간을 입체 각으로 나누어서 측정하는 방법이 필요하다. 입체각에 대한 표준 SI단위는 스테라디언(steradian)이다.

1스테라디언(ω)이란 구(球)의 반지름의 제곱에 해당하는 구 표면에서의 면적을 구의 중심에서부터 절단하는 입체각을 말한다.

그러므로 완전한 구는 전체 4π 스테라디언으로 둘러싸여져 있다.



광도 (
光度 : Luminous intensity)

서로 다른 광원을 비교하거나 그 세기를 측정하기 위하여 광도의 개념이 사용되어진다.

광도(LUMINOUS INTENSITY : I )란 광원 또는 조명된 면이 특정한 방향으로 빛을 방사하는 힘을 말한다.

단위 : 칸델라(candela : cd)

1칸델라의 효과는 그 본래의 개념인 1촉광(candlepower)과 거의 같으며, 100W의 전구의 평균 구면 광도 (mean spherical intensity : MSI)는 약 100㏅가 된다.



광속 (
光速 Luminous Flux)

모든 전자기 에너지의 흐름의 정도는 힘으로 표현될 수 있으나 빛 에너지는 광속으로도 측정된다.

광속(LUMINOUS FLUX : F )은 빛 에너지의 흐름의 율을 말한다.

단위 : 루멘(lumen : lm)

1루멘은 1칸델라의 점광원으로부터 1스테라디언으로 방사된 광속이다.

일반적으로 광속과 광도는 다음의 공식과 같은 관계가 있다. 여기서

I : 광원의 평균 구면 광도 (cd)

F : 광원으로부터 방사된 광속 (lm)

ω : 광속 (flux)을 포함하는 입체각 (strad)

점 광원 주위의 전체 입체각은 4π 스테라디언이다.

다음에서

F = I × ω

= I × 4π

= 4π

그러므로 1cd의 점 광원에서 방사된 전체 광속은 4πlm이다.



조도 (
照度 Illuminance)

광속이 면에 도달하면 그 면을 밝히게 된다. 이 조명의 효과를 조도라 한다.

조도(Illuminance : E)란 면에 도달하는 광속의 밀도를 말한다.

단위 : 룩스(lx), 1룩스 = 1루멘/m2

E : 면의 조도

F : 면에 도달하는 광속의 합 (lm)

A : 면의 면적 (㎡)



조명의 역제곱 법칙 (Inverse square law of illumination)


점 광원에서 방사된 광속이 광원에서부터 멀리 전달될수록 광속이 분산되어질 수 있는 면적이 증가하게 된다. 그러므로 단위 면적당의 광속(즉, 조도)은 감소되어진다.

점광원에 의한 조도는 광원으로부터의 거리제곱에 반비례하여 감소한다.

I : 점광원의 광도 (cd)

d : 광원과 면 사이의 거리 (m)

E : 면의 조도 (lx)



조명의 코사인 법칙 (Cosine law of illumination)

점광원으로부터 광속이 그 주위의 구면에 비춰지면 빛의 방향은 그 구면에 항상 직교하게 된다. 그러나 많은 경우 빛은 면을 경사각으로 비추게 되므로 직각으로 비출 때보다 더 넓은 면적을 조명하게 된다. 같은 양의 광속이 더 넓은 면적의 면에 비춰진다면 그 면상의 조도는 반드시 감소한다.

E : 면의 조도 (lx)

I : 광원의 광도 (cd)

d : 광원에서 면까지의 거리 (m)

θ: 면의 수직선과 광속의 방향과의 사잇각



휘도 (
輝度 Luminance)

물체의 외관은 그 표면적에 비하여 물체가 방사 또는 반사하는 빛의 양에 의하여 영향을 받는다. 이러한 면의 발기의 개념을 휘도라 부른다.

휘도(LUMINANCE : L)란 어떤 면적의 광원 또는 반사면이 어느 정도 밝은 느낌을 줄 수 있는가 하는 능력의 척도이다.

자체로 빛을 내는 광원(Self-luminous Sources) : 여기에는 광원과 광원으로 간주될 수 있는 반사면이 포함된다. 휘도는 다음의 공식으로 주어진다.

단위 : cd/m2

·반사면(Reflecting Surfaces) : 반사면에 한하여 휘도는 단위 면적당 방사된 광속으로 표현되어질 수 있다.

단위 : apostilb(asb), 여기서 1asb = 1 lm/m2

1apostilb = 1/π cd/m2이며, 휘도에 대한 또 다른 단위로서 편리하게 사용되어질 수 있다. 이러한 면의 휘도는 면의 반사율과 조도를 곱하여 구할 수 있다.




Ⅵ. White LED가 개발된 역사

Source/Type: Compound Semiconductors Online Reference  

white LED는 BLUE 파장의 LED(green, blue, violet(보라), ultraviolet(자외선))를 좀더 능률적으로 발전시키는 과정에서 개발 되었다.

오랜 시간, 물질 과학자들와 물리학자들는 아연 셀렌(ZnSe)또는 실리콘 카바이드가 목표를 이루는 정답의 합성물 반도체라고 생각했다.  각각의 반도체들은 모두 푸른색을 이룰 수 있고,장치적인 문제들을 해결할 수 있었지만 휘도의 수준은 만족 할 수가 없었다.  

그때, 일본의 Nichia사에서 연구를 하던 광 과학자 shuji nakamura가 실질적으로 응용을 할 수 있는 소자는 gallium nitride (GaN)이라고 발표했다.

Nakamura 박사는 미국의 Califonia Santa Barbara 대학의 교수가 되어 미국으로 이주한 후에 다른 아시아와 구 소련 연방의 GaN 개발자들과 마찬가지로 RCA 연구실의 Jacques 교수 아래에서  GaN의 연구를 계속 했다.

나카무라 박사는 1990년 중반 현재의 실질 적인 Laser Diode와 고체 상태 LED의 blue spectrum을 만드는 돌파구를 알아냈다.

nakamura는 오랫동안 블루 파장의 응용적인 기술을 선도하는 Nichia사와 기술 교류를 해왔기 때문에 사파이어 기질의 기판에서 MOCVD에 의한 GaN을 기초로한 장치를 발전시킬 수 있었다.

수많은 회사들이 GaN 반도체 막을 성장시키는 다양한 방법(사파이어나 SiC가 가장 인기가 많음)을 사용하는데 대부분 MOCVD 생산을 기본으로 사용하고 있다.

white LED는 이미 장난감이나 야간조명등에 원천적으로 사용되고 있다.

세계는 현재  lamp의  coating과 packaging으로 원하는 white LED의 색을 조합하는 것과 장시간 그 빛을 유지 할 수 있는 방법을 연구 중이다.

white LED가 광량이 풍부하고 지금까지의 다른 조명 기기와 같은 빛을 발할 수 있다면 인류가 지금까지 의존했던 전력의 손실을 원천적으로 되돌릴 수 있을 뿐만 아니라, 마침내 세계의 환경문제에 궁극적인 해결을 할 수 있을 것이다.


아래는 원문입니다.

The route to a white solid state LED is clearly through the development of progressively more efficient blue spectrum LEDs (which include green, blue, violet, and ultraviolet).  

For many years, materials scientists and physicists felt that Zinc Selenide (ZnSe) or silicon carbide (SiC) would be the most likely compound semiconductor combinations to achieve the goal.   Each of those compound semiconductor combinations have proved they can achieve blue, and have fielded devices, but not at the brightness levels needed to achieve the required revolution in lighting.  

  It took a brilliant photonic scientist named Shuji Nakamura, who at the time was working with Nichia Chemicals in Japan, to show the world that gallium nitride (GaN) was the most practical route. 

Dr. Nakamura, who has since moved to the United States to become a professor at the University of California Santa Barbara, built upon a long history of GaN development which began in the US at RCA Laboratories, under Professor Jacques Pankove, as well as other GaN developers in Asia and the former Soviet Union.   But it was Dr. Nakamura's breakthrough work in the mid-1990s that made blue spectrum solid state LEDs and Laser Diodes (LDs) real.  He grew his breakthrough GaN-based devices epitaxially, by MOCVD, on a sapphire substrate. Because of his long association with Nichia, that company remains in the technological lead for blue spectrum work.  

Many other companies are now in the field, all have moved solidly over to GaN epitaxial growth using various substrates (sapphire and SiC being the most popular) and most use MOCVD production platforms.  

  Some white LEDs have already been fielded, fashioned into night lights, flashlights, and as sources of ambient light and for toys.  

Considerable global development work is now underway to perfect the most practical and manufacturable ways of combining colors to create the desired hues of white LEDs, coating and packaging of the lamps, and producing the long-lived light sources required.

When perfected, truly pure white LEDs will, indeed, replace power hungry sources upon which we are currently dependent.  

When perfected and prolific, the global environment will ultimately be the real winner.




Ⅶ LED Wafer Probe Test 사진 (예)

Wafer Test Photo - Chip Test GaN, InGaN

 

 

 


덧글

  • Akuma 2010/10/21 23:18 # 삭제

    담아갈께요
  • CLOCK-ON 2012/03/02 18:17 # 삭제

    자세한 글 감사합니다!
    많은 도움 되었어요^^
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