LED는 이미 우리 일상생활에 깊게 자리 잡고 있으며 단순 조명뿐만 아니라 LED의 기능성을 이용한 성형/ 피부 외과의 여드름 치료, 피부 재생, 주름 제거 그리고 치과에서의 미백효과등 다양하게 응용되고 있습니다. LED는 칩 사이즈의 경우, Application에 따라 그 Size가 변하므로 어떤 목적으로 사용하느냐에 따라 Size에 차이가 있고 가격에도 중요한 역할을 미치고 있으므로 제품 제작 시 잘 고려해야 합니다. 이렇게 중요한 LED의 기본 구조에 대해 설명한 후 빛의 발광원리 대해 설명드리겠습니다.
1. LED 기본 구조
a) ‘P/N’ 접합
‘LED’는 ‘P/N’ 접합으로 이루어진 단순한 구조이며 , ‘전기에너지’를 ‘빛에너지’로 바꾸는 소자입니다. 보통 ‘P-type’ 반도체와 ‘N-type’ 반도체의 사이에 ‘Active Layer’로 이루어진 Simple한 구조를 나타내고 있습니다. 먼저 전류를 인가하면 ‘전자'(Electron)와 ‘정공'(Hole)이 ‘P-N Type’의 접합 부위로 이동하고, P-N 접합 부분이니 ‘Active Layer’에서 ‘전자’와 ‘정공’이 결합하여 ‘Active layer’ 물질이 가지고 있는 ‘에너지 밴드갭’의 ‘빛 에너지’를 방출하게 됩니다. 즉 ‘Active layer’ 물질에 해당되는 파장의 에너지를 방출하게 됩니다.
b) ‘LED'(Light Emitting Diode)와 ‘LD'(Laser Diode) 구조 비교
‘LED’와 ‘LD’의 구조를 비교해 보면, 기본적으로 화합물 반도체에서 빛이 발광하는 원리는 두 구조가 같습니다. 전류흐름( 전기에너지 주입) → ‘전자’와 ‘정공’ 분리 → ‘전자’는 ‘전도대'( Conduction Band)를 이동, ‘정공’은 ‘가전자대’ ( Valence Band)를 이동 → 어느 순간에 ‘전자’와 ‘정공’의 재결합 → ‘Active layer’에서 ‘빛에너지 방출’이라는 원리로 빛이 발광하는 구조는 같습니다. 우선 ‘LED’의 경우, 보통 잔디 위에서 뿜어져 나오는 스프링클러처럼 빛이 ‘LED 칩’ 전체적으로 뿜어져 나오는 구조로 되어있습니다. 한편 ‘LD’의 경우는, 전류를 주입해서 발생한 빛이 ‘LD’의 ‘Cavity’내의 거울 사이를 왕복하면서 증폭이 이루어져 레이저 발진한 후, 한 방향의 일정한 곳에서 빛이 나오는 구조로 이루어져 있습니다. 이것은 물총에 물을 넣고 물을 한 방향으로 세게 발사하는 구조와 같다고 생각하면 쉽게 이해할 수가 있습니다.
2. ‘LED PKG의 구조’와 ‘컬러의 구현’
a) White LED 구조
일반적으로 ‘White LED’는, ‘Chip + 형광체 + PKG’의 구조로 이루어져 있습니다. ‘PKG Frame’안에 ‘Blue 컬러’의 LED 칩( 파장은 약 450nm)을 고정시키고, ‘Blue’의 보색인 ‘Yellow 형광체’를 채워 넣고 전류를 흘리면 ‘White 빛’이 발광하는 구조를 나타냅니다. 다른 방법으로는 ‘Blue Chip’ 위에 ‘Green 형광체’ + ‘Red 형광체’를 넣으면 ‘빛의 3 원색’이 구현되고 ‘가산혼합’이 이루어져 ‘White색’을 표현할 수가 있습니다. 보통 3개의 칩, 그러니까 ‘Blue 칩’을 포함하여 ‘Green 칩’과 ‘Red 칩’의 전류 흐름을 적당히 조절하면, ‘Red’, ‘Green’, ‘Blue’외에도 여러 가지 컬러 구현이 가능한데 ‘Yellow’, ‘Magenta’, ‘Cyan’의 컬러 표현도 가능하여 ‘무지개 색’의 모두를 표현할 수가 있게 되었습니다.
※ ‘가산혼합’: 빛을 더하여 색을 혼합할 때, 혼합한 색이 원래의 색보다 밝아지는 ‘혼합방식’을 ‘가산혼합’이라고 합니다.
b) Blue 칩 + Yellow 형광체
앞에서 설명한 대로 ‘White’의 구현은 다양하게 구현할 수 있으나 ‘Blue 칩+ Yellow형광체’로 이루어진 LED PKG가 가장 단순한 PKG구조로 만들 수가 있습니다. ‘Blue’칩에만 전류를 구현하므로 ‘+’전극, ‘-‘전극 2개만 있으면 발광이 가능하기 때문입니다. 물론 ‘Red 칩 + Green 칩 + Blue 칩’으로 ‘White’를 구현도 가능합니다만 칩당 ‘+ ‘, ‘-‘ 주입을 한다면 한 개의 PKG에 6개의 전극이 필요하고 PKG구조도 훨씬 복잡해지기 때문입니다. 그래서 특수한 용도를 제외한다면 보통 가성비가 좋은 White의 구현은 ‘Blue 칩 + Yellow 형광체’로 이루어진 LED를 이용하여 ‘White 조명’의 Application을 제작합니다.
3. 마치며
이상으로 ‘LED의 기본 구조’에서 P/N 접합의 LED발광 구조와 LED와 LD의 차이점에 대해 설명드리고, ‘LED PKG 구조와 색깔의 구현’에서 White광의 구현 원리를 이야기하고 가성비가 좋은 White 구현의 기본 구조를 설명드렸습니다. Blue칩과 형광체의 결합은 구조의 단순화뿐만 아니라 Process와 LED가격 자체도 단순화시키는데 큰 공헌을 하였다고 볼 수 있습니다. 다음 시간에는 LED의 기본 구조인 EPI, Chip, 그리고 PKG에 대해 자세히 설명드리겠습니다.