[ LED 동작 및 구동 개론 ] LED(Light Emitting Diode) 작동 원리

■ LED 발광 원리
■ LED 구동 원리
■ LED 생산 과정
■ LED 방열 구조

 

 

▶ LED 발광(Emitting) 원리

 

  ▷ 네온사인의 원리

 

  전기 에너지에 의해 전자가 높은 에너지 레벨로 이동 후 낮은 에너지 레벨로 떨어짐

  높은 에너지와 낮은 에너지의 차(Band Gap) 만큼의 에너지가 방출이 됨

 

  방출되는 에너지가 가시광 대의 에너지일 경우 그 해당 파장의 빛이 나오게 된다

  그 중 다양한 색을 내는 네온사인을 만들려면 네온 이외의 다양한 다른 가스를 섞어 사용한다

 

  

  ▷ LED의 발광 원리 (1)

 

  LED는 수천억 개의 원자로 이루어진 고체를 이용하여 빛을 낸다

  수천억 개의 원자들이 응집된 만큼 더 이상의 에너지 레벨은 존재하지 않게 되는데

  고체 종류에 따라 원자들이 상호작용을 해서 에너지를 바꾸며 에너지 밴드를 형성한다

 

  원자핵 주위의 전자들은 각 궤도(Level) 위에 존재하며, 각각의 궤도는 서로 

  다른 에너지를 가지는데 궤도별 전자들( 노랑, 빨강 )의 에너지양을 에너지 밴드(Energy Band)

  라고 하고 두 에너지 밴드 사이의 거리를 에너지 밴드갭(Band Gap)이라고 한다

 

  예를 들어

  노랑색(제 1궤도)의 에너지 밴드가 10[[eV] 라고 하고

  빨강색(제 2궤도)의 에너지 밴드가 7 [eV]라고 하면 두 에너지의 갭 차이는 3[eV] 이다.

 

 

 

 

 

▶ LED 구동 원리

 

  ▷ P-N Junction (PN접합)

  LED는 P-N Junction으로 이루어지는 반도체이다

 

  P 쪽의 정공 에너지와 N 쪽 전자의 에너지가 결합되어

  남는 에너지가 빛의 형태로 발산되는 구조이다  

 

 

  ▷ LED 발광을 위한 전자, 정공의 에너지 밴드

 

  P 반도체와 N 반도체는 각각의 도핑된 분순물로 인해 페르미 레벨이 변한다

  이 상태에서 서로 PN 접합하게 되면, 페르미 레벨이 일치하게 에너지 밴드가 구부러진다

 

  PN 접합 상태에서 전원을 인가하면 페르미 레벨이 서로 어긋나며 전자가 이동해 정공과

  결합하게 되는데, 이 결합 과정에서 전자의 에너지 밴드가 떨어지고 그 에너지 갭 만큼의

  에너지가 외부로 방출하게 되는 것이다

 

  떨어지는 에너지의 밴드갭이 좁으냐, 넓으냐에 따라 방출되는 빛의 파장이 바뀐다

 

 

 

▶ LED 생산 과정

 

  ▷ LED의 역사

 

  초기 형태의 LED는 Epoxy로 된 형태이며 주로 전자부품의 표시광원으로 사용이 되었다

 

  1970년대에는 IR에 가까운 Red LED, 물질은 GaAs 사용했으며

  후반으로 갈수록 Yellow-Green LED, 물질은 GaP를 사용하였다

 

  1980년 중반에는 True Red LED, 물질은 AlGaAs 3 원계 사용

  

  1990년대 에는 Yellow 에서 Red LED, 물질은 AllnGaP 4 원계를 사용하였고

  중반에야 Blue 에서 Green LED, 물질은 InGaN 과 백색 LED를 사용하였다

 

 

 

    ▷ LED를 만드는 공정

출처 : Illustration : Yole Developpement

 

  (1) Epi Wafer 부착

  - LED 소자가 만들어지면 일반적으로 Au-Sn 합금의 메탈이 본딩이 된다

 

  (2) 기판 제거

  사파이어 기판을 보통 Laser Cutting으로 분리한다

 

  (3) 웨이퍼 검사 및 결함 확인

  Wafer 면적에 LED 소자가 Uniform 하게 증착 되었는지 확인한다

 

  (4) 프로브를 이용한 전기적, 광학적 검사

  각각의 LED Die를 검사한다

 

  (5) 웨이퍼 뒷면 가공 및 소자 개별 절삭

  LED 소자를 약 0.1[mm] 크기로 자른다

 

  (6) 개별 소자 검사, 테스트, 납땜

  각각 성능이 다른 Die를 비슷한 종류끼리 분류(Binning) 한다

 

  (7) 소자 부착

  LED Die를 LED Package 에 붙임

 

  (8) 내부 배선

  LED Die에 Wire Bonding 을 해준다

 

  (9) 형광체 조사 및 봉지

  백색광을 내기 위해 형광체를 덮는다 

 

  (10) 렌즈 부착 또는 몰딩

  렌즈를 덮고 Package 해준다

 

  (11) 테스트, 납떔

  완성된 LED Package Chip을 검사하고 분류한다

 

 

 

 

▶ LED 방열 구조

 

  ▷ LED의 온도에 대한 영향

 

  LED Die 및에는 열전도가 좋은 물질로 되어 방열 구조를 갖는 데,

  방열구조인 LED Chip 역시 조명제품을 만들 경우 LED Chip으로부터 열을 

  잘 빼는 구조를 가진다

 

  LED는 높은 온도를 가질수록 Life Time 이 급격하게 감소한다

 

     

  LED는 열을 많이 받을수록 소자의 발광 성능이 감소한다