녹색 LED를 얻는 원리. LED 작동 원리: 고휘도, 초고휘도, 백색, SMD

적색 LED가 발견된 이후(1962년) 고체광원의 개발은 한시도 멈추지 않았다. 매 10년은 과학적 성과로 표시되었으며 과학자들에게 새로운 지평을 열었습니다. 1993년 일본 과학자들이 청색광과 백색광을 확보하면서 LED 개발은 새로운 수준으로 발전했습니다. 전 세계 물리학자들은 새로운 과제에 직면했는데, 그 핵심은 다음과 같습니다. LED 조명주요한 것으로.

오늘날 우리는 LED 조명 개발의 성공과 지속적인 LED 현대화를 나타내는 첫 번째 결론을 도출할 수 있습니다. COB, COG, SMD, 필라멘트 기술을 사용하여 만든 LED 램프가 매장 진열대에 등장했습니다.

나열된 각 유형은 어떻게 작동하며, 어떤 물리적 프로세스가 반도체 결정을 빛나게 합니까?

장치, 디자인 및 기술 차이

LED를 그룹으로 분류할 수 있는 많은 특성이 있습니다. 그 중 하나는 전기적 매개 변수의 특성과 LED의 향후 범위로 인해 발생하는 장치의 기술적 차이와 약간의 차이입니다.

담그다

두 개의 리드가 있는 원통형 에폭시 수지 패키지는 발광 크리스탈을 위한 최초의 디자인이었습니다. 둥근 색상 또는 투명한 원통은 방향성 광선을 형성하는 렌즈 역할을 합니다. 리드가 구멍에 삽입됩니다. 인쇄 회로 기판(DIP) 및 납땜을 통해 전기적 접촉을 제공합니다.

발광 결정은 깃발 모양의 음극에 위치하며 매우 얇은 와이어로 양극에 연결됩니다. 하나의 패키지에 서로 다른 색상의 2개 및 3개 크리스탈이 포함된 모델이 있으며 핀 수는 2개에서 4개까지입니다. 또한 케이스 내부에는 크리스탈이 빛나는 순서를 제어하거나 깜박이는 순도를 설정하는 마이크로칩이 내장될 수 있습니다. DIP 하우징의 LED는 저전류이며 조명, 디스플레이 시스템 및 화환에 사용됩니다.

광속을 증가시키려는 시도로 "피라냐"라고 알려진 4개의 핀이 있는 DIP 패키지에 향상된 장치를 갖춘 아날로그가 나타났습니다. 그러나 증가된 광 출력은 LED의 크기와 크리스탈의 강한 발열로 인해 상쇄되어 "피라냐"의 적용 범위가 제한되었습니다. 그리고 SMD 기술의 출현으로 생산이 사실상 중단되었습니다.

SMD

인쇄 회로 기판 표면에 탑재된 반도체 장치는 이전 제품과 근본적으로 다릅니다. 이들의 외관은 조명 시스템 설계의 가능성을 확장하고 램프 크기를 줄이고 설치를 완전히 자동화하는 것을 가능하게 했습니다. 오늘날 SMD LED는 모든 형식의 광원을 만드는 데 사용되는 가장 널리 사용되는 구성 요소입니다.

크리스탈이 부착된 하우징 베이스는 우수한 열 전도체이므로 발광 크리스탈의 열 제거가 크게 향상됩니다. 백색 LED 장치에는 반도체와 렌즈 사이에 형광체 층이 있어 원하는 색온도를 설정하고 자외선을 중화시킵니다. 방사각이 넓은 SMD 부품에는 렌즈가 없고, LED 자체가 평행육면체 모양을 하고 있다.

옥수수 속

Chip-On-Board는 가까운 미래에 백색 LED 생산을 주도하게 될 최신 실제 성과 중 하나입니다. 인공 조명. LED 장치의 특징은 다음과 같습니다. 하우징과 기판이 없는 수십 개의 결정이 유전체 접착제를 통해 알루미늄 베이스(기판)에 부착된 다음 결과 매트릭스가 공통 형광체 층으로 덮여 있습니다. 그 결과 균일하게 분포된 광원이 탄생했습니다. 광속, 그림자의 모양을 제거합니다.

COB의 변형은 유리 표면에 많은 작은 결정을 배치하는 COG(Chip-On-Glass)입니다. 특히, 발광소자가 LED를 형광체로 코팅한 유리막대인 것이 널리 알려져 있다.

LED 작동 원리

고려에도 불구하고 기술적 특징, 모든 LED의 작동은 다음을 기반으로 합니다. 일반 원칙방사 요소의 작용. 전류를 광속으로 변환하는 일은 반도체로 구성된 결정에서 발생합니다. 다른 유형전도도. n 전도성을 갖는 물질은 전자를 도핑함으로써 얻어지고, p 전도성 물질은 정공을 도핑함으로써 얻어집니다. 따라서 반대 방향의 추가 전하 캐리어가 인접한 층에 생성됩니다.

순방향 전압이 인가되는 순간 전자와 정공이 p-n 접합으로 이동하기 시작합니다. 하전된 입자는 장벽을 극복하고 재결합하기 시작하여 전류. pn 접합 영역에서 정공과 전자의 재결합 과정에는 광자 형태의 에너지 방출이 수반됩니다.

일반적으로 이러한 물리적 현상은 모든 반도체 다이오드에 적용된다. 그러나 대부분의 경우 광자 파장은 가시 광선 스펙트럼 외부에 있습니다. 기본 입자를 400-700 nm 범위에서 움직이게 하기 위해 과학자들은 적합한 입자를 선택하여 많은 실험을 수행해야 했습니다. 화학 원소. 결과적으로 갈륨 비소, 갈륨 인화물 및 더 복잡한 형태의 새로운 화합물이 나타났습니다. 각 화합물은 고유한 파장과 그에 따른 방사선의 색상을 특징으로 합니다.

LED에서 방출되는 유용한 빛 외에도 p-n 접합에서 일정량의 열이 발생하여 반도체 장치의 효율이 저하됩니다. 그러므로 디자인에 있어서 강력한 LED효율적인 열 제거 구현 가능성을 고려해야 합니다.

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LED 또는 LED 램프나타냅니다 전자 기기반 성냥 크기. LED는 일반 LED처럼 디자인되어 있습니다. 전구, 밤과 빛이 접근할 수 없는 장소에서 주변 공간을 조명합니다. LED의 작동 방식과 LED의 설계 원리는 이 기사에서 자세히 설명합니다.

정의에 따르면, 전류는 전자의 방향성 흐름입니다. LED의 작동 원리는 반도체에 직접 전류를 흘릴 때 일부 전자가 반도체 위로 튀어나오는 것입니다. p-n 접합하나의 LED 플레이트의 흐름에서 다른 플레이트의 전자와 충돌하여 셀에서 빠져 나오며 그 결과 과학적 용어로 "구멍"이 형성됩니다. 전자의 혼란스러운 움직임과 서로의 충돌로 인해 에너지가 방출되고 빛이 나타납니다.

LED 발명 초기에는 빛이 파란색뿐이었으나, LED 대량생산 기술이 발전하고 향상되면서 전자공학자들은 빛 스펙트럼의 가능한 모든 색상을 얻을 수 있게 되었다. LED 램프를 사용할 때 중요한 원리는 이 미세한 장치가 주변 공간을 훨씬 더 밝게 비춘다는 사실입니다. 램프보다 낫다부피가 큰 조명 필터를 사용하지 않고도 무지개의 모든 색상의 백열등, 형광등 및 할로겐 램프를 사용할 수 있으며 LED는 절대로 타지 않습니다.

LED를 다음과 같은 용도로 사용하는 데 수요가 많은 이유 조명기구공간이 제한된 장소에서는 다른 광원이 단순히 크기에 맞지 않기 때문에 모두가 이해합니다.

이것이 백열등, 형광등 및 가스 방전 램프와의 근본적인 차이점입니다. LED에 전류가 흐르면 반도체 장치는 일관성이 없거나 "차가운" 방사선을 방출합니다. LED 램프의 성능을 향상시키기 위해 그들은 다음을 사용합니다. 최신 기술사파이어 크리스탈을 성장시켜 반도체를 얻는다. 이 작업 중에는 돌을 절단하고 연마하는 가장 정확한 방법이 사용됩니다. 질화갈륨 플레이트도 같은 방식으로 준비됩니다. 전류의 통과를 위해 도체가 내부에 배치되고 장치가 조립됩니다.


LED 작동 시 소음이나 발열이 발생하지 않습니다. 요즘 우리는 다양한 출력, 모양 및 색상의 LED 램프를 생산하는 방법을 배웠습니다.

LED의 디자인과 유형은 지속적으로 개선되고 있습니다. 기술이 발전함에 따라 산업 생산 LED, 신뢰할 수 있는 새로운 재료 및 합금의 출현, 다양한 소비 영역에서의 생산 및 구현이 개발되고 개선되고 있습니다.

다른 유형의 램프에 비해 LED의 장점은 명백하고 부인할 수 없습니다.

  1. 시원한 빛을 선사합니다. 근처의 전기제품을 가열하지 마세요.
  2. 크기가 작고 콤팩트하며 가볍습니다. 운송 중이나 높은 곳에서 떨어뜨려도 깨지지 않습니다. 그들은 타지 않습니다.
  3. 부피가 큰 필터나 보호캡을 사용할 필요가 없습니다. 그들은 비와 우박 속에서도 일하고 ​​거리를 밝힐 수 있습니다.
  4. 가지다 아름다운 디자인그리고 작은 크기.
  5. 장기간의 운영. 그들은 20년 이상 일할 수 있습니다.
  6. 낮은 에너지 소비 - 기존 백열등보다 10배 적습니다.
  7. 환경 친화적입니다. 내부에는 가스나 수은 증기가 없습니다.
  8. 화재 및 폭발 방지.

가장 큰 단점은 높은 비용입니다. LED 조명의 1루멘 가격은 백열등보다 10배 높기 때문에 아직 LED 램프가 이를 대체할 수는 없습니다.

LED는 광범위한 산업 분야에서 응용됩니다. 많은 TU-134 및 TU-154 항공기가 장착되어 있습니다. LED 장치, 선박과 잠수함에 설치됩니다. LED는 특히 광고 간판, 배너, 휴일 조명, 주택 및 출입구의 야간 조명에 널리 사용됩니다. 최근 일본 기업 마쓰다(Mazda)는 LED 원리를 활용한 후미등을 장착한 승용차 개발을 시연했다. 자동차용 LED 헤드라이트, 공원 조명용 전등갓, 조명 등이 있습니다. 매달린 천장아파트와 주택의 내부. LED 램프의 작동 원리는 가까운 미래에 개발 및 개선되고 있습니다. 이 장치일반적인 백열등을 교체하고 영원히 대체합니다!


주도의(eng. 발광 다이오드 또는 LED)는 반도체(대부분의 경우 도핑된 실리콘 또는 게르마늄)를 기반으로 만들어진 무선 전자 장치로, 작동 원리는 다음과 같은 단방향 전도성을 기반으로 합니다. 빛 방사선.

LED 장치

다른 반도체와 마찬가지로 LED는 반도체 결정의 화합물입니다. p형(3가 물질로 도핑 - 예를 들어 In) 반도체 결정 포함 n – 유형(5가 물질로 도핑 - 예를 들어 As) 피 -N이행.

결정 p형"정공" 전도성의 특성을 가집니다. 이러한 결정의 전하 캐리어는 전자가 부족한 결정 공유 결합의 양전하 부분입니다(그림 1).

그림 1. 반도체의 정공 전도성

결정 n – 유형전자 전도성을 가집니다. 이러한 결정의 전하 운반체는 음전하를 띤 자유 전자입니다(그림 2).


그림 2. 반도체의 전자 전도도

크리스탈을 연결할 때 p형크리스탈과 함께 n – 유형접촉 영역이 형성됩니다. 피 -n 전환, 이는 장벽층의 특성을 가지고 있습니다 (그림 3).
두 개의 반도체가 접촉하는 영역에서 N-유형 및 피- 유형의 확산 과정이 발생합니다. 피-지역은 다음으로 이동 N-지역과 전자는 반대로 N- 지역 피-지역. 그 결과, N-차단층 영역의 영역에서는 전자 농도가 감소하고 양전하를 띤 층이 나타납니다. 안에 피- 영역에서는 정공 농도의 감소가 관찰되고 음으로 하전된 층이 나타납니다. 따라서 반도체 접촉 영역에는 이중 전기층이 형성되며, 그 필드는 전자와 정공이 서로 확산되는 과정을 방지합니다 (그림 3).



그림 3. p-n 접합의 차단층

연결의 경우 N–피- 양극이 연결되도록 외부 전류원으로 전환 피-지역, 음수 N-영역, 장력 표시기 전기장장벽층의 접촉층을 통한 주 전류 캐리어의 통과가 감소하고 촉진됩니다. 그 결과 구멍이 피- 지역과 전자 N- 영역이 서로를 향해 이동하며 교차합니다. N–피- 순방향으로 전류가 생성되는 전환(그림 4).



그림 4. p-n 접합에 전압 적용

또한 두 반도체의 접촉점(p-n 접합)에 전기를 가하면 전자와 정공의 재결합이 일어나 에너지가 빛의 광자 형태로 방출된다(그림 5).



그림 5. 빛의 광자 형태로 에너지 방출

LED는 일반 다이오드와 달리 두 반도체가 접촉하는 지점에서 접촉 면적이 크다. 이로 인해 재결합 면적이 넓어져 빛이 더욱 강렬해집니다. 그러나 모든 p-n 접합이 가시광선 스펙트럼에서 광자 형태로 에너지를 방출할 수 있는 것은 아닙니다. 이는 밴드 갭의 폭, 즉 빛의 가시 스펙트럼의 양자 에너지에 상응해야 하는 극복 에너지에 따라 달라집니다.

LED 색상

LED의 색상 스펙트럼은 pn 접합의 밴드 갭에만 의존합니다. 이곳은 전자와 "정공"이 재결합하여 빛의 광자를 방출하는 곳입니다. 따라서 물리적으로 LED 조명의 색상은 반도체 재료와 도핑 불순물에 따라 달라집니다. LED 조명이 "파란색"일수록 p-n 접합의 밴드 갭을 극복하기 위한 양자 에너지가 높아집니다. 즉, 밴드 갭이 더 커야 함을 의미합니다. 따라서 p-n 접합의 밴드 갭을 변경하면 무지개의 모든 색상의 빛을 얻을 수 있습니다. 그리고 흰색을 얻으려면 결과 색상을 결합해야 합니다.

LED에서 백색광을 얻는 방법

받으려면 하얀색 LED를 조명하는 세 가지 일반적인 방법이 있습니다.
1) RGB 기술에 따라 글로우 색상을 혼합합니다(그림 6). 이 방식은 하나의 기판에 빨간색, 파란색, 녹색 LED를 촘촘하게 배치하는 방식으로 이루어지며, 플라스틱 렌즈와 같은 광학 시스템을 통해 LED의 복사가 혼합됩니다. 결과는 백색광입니다.



그림 6. RGB LED 제조 기술

2) 자외선을 방출하는 LED 3개가 기본이다. 다음으로, 청색, 녹색, 적색 형광체 코팅이 각 LED 표면에 적용됩니다. 따라서 형광체는 세 가지 색으로 빛나기 시작하고, 이 빛이 렌즈와 혼합되면 흰색이 된다.
3) 청색 LED를 기본으로 하고, 녹색과 적색(아마도 황록색) 형광체가 표면에 도포되어 있다. 따라서 흰색 또는 흰색에 가까운 빛이 얻어집니다.



그림 7. 형광체를 적용한 LED 제조 기술

백색광을 얻는 각 방법에는 고유한 장점과 단점이 있습니다.
따라서 모든 것 외에도 RGB 기술을 사용하면 각 LED의 전류를 변경하여 LED의 색상과 온도를 변경할 수 있습니다. 또한, 매트릭스에 3개의 LED를 집중적으로 배치하여 높은 총 광속과 광전력을 제공합니다. 그러나 이 시스템은 전체 광점의 균일한 조명을 보장할 수 없습니다. 시스템 중앙의 글로우가 가장자리보다 더 밝아지기 때문입니다. 이는 광학계의 수차 현상 때문이다.
형광체를 사용하여 LED를 제조하는 것은 RGB 기술보다 훨씬 저렴합니다. 그러나 이 시스템의 단점은 형광체의 노화가 빠르고(LED 크리스탈보다 훨씬 빠르다) LED 크리스탈 표면에 형광체를 균일하게 적용하기 어렵다는 점이다.

LED의 전기적 특성

LED는 저전압 에너지 소비형 반도체 소자이다. 기존 표시 LED의 전력 범위는 2~4V이며 전류 소비는 최대 50mA입니다. 조명실용 LED는 동일한 전압으로 전원이 공급되지만 이러한 장치의 전류 소비는 훨씬 더 높으며 수 암페어에 도달할 수 있습니다. 때로는 개별 LED로 구성된 LED 모듈이 직렬로 연결되어 총 공급 전압이 증가하는 경우도 있습니다.
그러나 LED 공급 전압이 낮다는 점 외에도 안정화가 필요합니다. 이는 LED 공급 전압이 전류 소비에 기하급수적으로 의존하기 때문입니다(그림 8). 전압이 약간 증가하면 전류 소비가 크게 증가하여 장치 과열 및 고장이 발생할 수 있습니다. 따라서 LED 공급 전압을 안정화하기 위해 전류를 안정화하도록 설계된 컨버터 또는 드라이버가 사용됩니다.



그림 8. LED의 전류-전압 특성

LED 밝기 조정

LED의 밝기를 변경해야 하는 경우가 종종 있습니다. 어떠한 경우에도 LED 공급 전압을 낮추어 이 작업을 수행해서는 안 됩니다. 이는 펄스 폭 변조(PWM) 기술을 사용하여 수행됩니다. 이 방법출력 신호 주파수가 수백에서 수천 헤르츠이고 펄스 폭을 변경하고 펄스 사이에서 일시 중지할 수 있는 펄스 변조 전류 생성기인 장치를 제조하는 것으로 구성됩니다. 따라서 이 장치를 사용하면 전원이 공급되는 LED의 평균 밝기를 제어할 수 있는 동시에 LED가 꺼지지 않습니다.

LED 수명

LED의 수명은 주로 작동 모드에 따라 달라집니다. 저전력 표시형 다이오드라면 수명이 매우 길다. 이는 이를 통해 흐르는 전류가 작고 물리적으로 쌍을 이루는 p-n 접합을 가열하지 않기 때문입니다. 강력한 LED는 20~50,000시간의 서비스 수명을 위해 설계되었습니다. 높은 공급 전류로 인해 p-n 접합이 매우 뜨거워지고 원자 결정 격자가 느슨해져 p-n 접합의 무결성이 파괴됩니다. 따라서 LED의 노화는 궁극적으로 밝기의 감소를 초래합니다. 따라서 LED의 밝기가 원래 밝기의 30% 감소하면 교체해야 합니다.

LED 조명 장치 최근 몇 년승리의 행군에 전진하라. 상점 선반에 다양한 선택중국인 LED 손전등, 포함된 배터리 가격보다 훨씬 높지 않은 가격으로, 내부에 전구가 있는 배터리보다 더 밝고 오래 빛납니다. LED가 왜 그렇게 유리한 위치에 있었습니까?

잘 모르시는 분들을 위해 말씀드리자면, LED는 전류가 직접 광선으로 변환되는 반도체 장치입니다. 다이오드-즉, 한 방향으로 만 전류를 전달할 수 있습니다 (다이오드 작동 원리 기사 참조). 그런데 영어로 LED는 발광 다이오드 또는 LED라고합니다.

LED는 비전도성 기판 위의 반도체 크리스탈, 접점 리드가 있는 하우징, 광학 시스템으로 구성됩니다. 내구성을 높이기 위해 크리스탈과 플라스틱 렌즈 사이의 공간을 투명한 실리콘으로 채웠습니다. 알루미늄 베이스는 과도한 열을 제거하는 역할을 합니다. 내가 말해야 할 것은 전혀 눈에 띄지 않는다는 것입니다. 큰 수.


반도체 결정의 글로우는 pn 접합 영역에서 전자와 정공이 재결합할 때 발생합니다. pn 접합 영역은 전도성이 다른 두 개의 반도체가 접촉하여 형성됩니다. 이를 위해 반도체 결정의 근접 접촉 층에는 서로 다른 불순물이 도핑됩니다. 한쪽은 억셉터 불순물, 다른 쪽은 도너 불순물입니다.

pn 접합이 빛을 방출하려면 LED 활성 영역의 밴드 갭이 가시광선 양자 에너지에 가까워야 합니다. 둘째, 반도체 결정에는 결함이 적어야 방사선 없이 재결합이 발생합니다. 두 가지 조건을 모두 충족하려면 결정에 하나의 pn 접합이 충분하지 않은 경우가 많으며 제조업체는 소위 이종 구조라고 불리는 다층 반도체 구조를 제조해야 합니다.

분명히 LED에 더 많은 전류가 흐를수록 더 밝게 빛납니다. 더 최신, 단위 시간당 더 많은 전자와 정공이 재결합 영역으로 들어갑니다. 그러나 반도체 및 p-n 접합의 내부 저항으로 인해 다이오드가 가열되고 고전류에서 소손될 수 있습니다. 즉, 공급 와이어가 녹거나 반도체 자체가 소손됩니다.

백열등과 달리 LED의 전류는 다음과 같은 경우 광선 방사로 직접 변환됩니다. 소량난방 손실. 결과적으로 LED는 훨씬 더 경제적이며 가열이 허용되지 않는 장치에 없어서는 안될 요소입니다. LED의 특별한 특징은 스펙트럼의 좁은 부분에서 방출된다는 것입니다. 이러한 이유로 디자이너들은 조명 광고 및 실내 장식 제작에 사랑에 빠졌습니다. 일반적으로 LED에는 UV 및 IR 방사선이 없습니다. LED는 기계적 강도와 신뢰성이 높습니다. LED의 수명은 10만 시간에 달해 백열전구보다 거의 100배, 일반전구보다 5~10배 더 길다. 형광등. 마지막으로 LED는 저전압 전기 장치이므로 안전합니다.

이 기술의 유일한 단점은 높은 비용입니다. 현재 LED가 방출하는 1루멘의 가격은 백열등이 방출하는 루멘의 100배에 이릅니다. 그러나 제조업체는 향후 몇 년 동안 이 지표가 10배 감소할 것으로 예측합니다.

스펙트럼의 황록색, 노란색 및 빨간색 영역에서 방출되는 갈륨 인화물 및 비소를 기반으로 한 LED는 지난 세기의 60~70년대에 개발되었습니다. 그들은 표시등, 점수판, 대시보드자동차와 비행기, 광고 화면, 다양한 정보 시각화 시스템. 광 출력 측면에서 LED는 기존 백열등을 능가했습니다. 내구성, 신뢰성, 안전성 측면에서도 그들을 능가했습니다. 오랫동안 파란색, 청록색 및 흰색 LED가 없었습니다. LED의 색상은 전자와 정공이 재결합하는 밴드 갭, 즉 반도체 재료와 도펀트 불순물에 따라 달라집니다. LED가 "파란색"일수록 양자 에너지가 높으며, 이는 밴드갭이 더 커야 함을 의미합니다.

밴드 갭이 큰 반도체(탄화규소, II 및 IV족 원소 화합물 또는 질화물)를 기반으로 청색 LED를 생산하는 것이 가능했습니다. 요소 III여러 떼. 그러나 SiC 기반 LED는 효율성이 너무 낮고 양자 수율(즉, 재결합된 쌍당 방출되는 양자 수)이 낮은 것으로 나타났습니다. 셀렌화 아연 ZnSe 고용체를 기반으로 한 LED는 양자 수율이 더 높았지만 과열로 인해 과열되었습니다. 높은 저항수명이 짧은 것으로 판명되었습니다. 최초의 청색 LED는 사파이어(!) 기판에 질화갈륨 필름을 사용하여 제작되었습니다.

양자 수율은 재결합된 전자-정공 쌍당 방출되는 빛 양자의 수입니다. 내부 양자 효율과 외부 양자 효율이 구별됩니다. 내부 - p-n 접합 자체, 외부 - 장치 전체에 대해 (결국 빛은 "길을 따라" 손실될 수 있습니다 - 흡수되고 산란됩니다). 열 발산이 좋은 좋은 결정의 내부 양자 효율은 거의 100%에 도달하고, 빨간색 LED의 외부 양자 효율 기록은 55%, 파란색 LED의 경우 35%입니다. 외부양자효율은 LED 효율의 주요 특징 중 하나이다.

백색광 LED에서 여러 가지 방법으로 얻을 수 있습니다. 첫 번째는 RGB 기술을 사용하여 색상을 혼합하는 것입니다. 빨간색, 파란색, 녹색 LED를 하나의 매트릭스에 촘촘하게 배치하고 렌즈와 같은 광학 시스템을 사용하여 방사선을 혼합합니다. 결과는 백색광입니다. 두 번째 방법은 자외선 영역(일부 있음)을 발광하는 LED 표면에 3개의 형광체를 적용해 각각 청색, 녹색, 적색광을 내는 것이다. 형광등의 원리를 기반으로 합니다. 세 번째 방식은 청색 LED에 황록색 또는 녹적색 형광체를 적용하는 방식이다. 이 경우 2~3개의 방사선이 혼합되어 흰색 또는 흰색에 가까운 빛을 형성합니다.

각 방법에는 고유한 장점과 단점이 있습니다. RGB 기술은 원칙적으로 흰색을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 다양한 LED를 통해 전류가 변화함에 따라 색상 다이어그램을 따라 이동할 수도 있습니다. 그 결과 수동으로 또는 프로그램을 통해 제어할 수 있는 전체 조명 단지가 탄생했습니다. 이러한 효과는 크리스마스 트리 화환 및 유사한 장치의 설계자 및 제조업체에서 널리 사용됩니다. 또한, 매트릭스에 다수의 LED가 있어 높은 총 광속과 높은 축 광도를 제공합니다. 시스템의 단점은 광점 중앙과 가장자리의 색상이 고르지 않다는 것입니다. 또한 매트릭스 가장자리와 중앙의 열 제거가 고르지 않기 때문에 LED가 다르게 가열되므로 노화 과정에서 색상이 다르게 변경됩니다. 전체 색온도와 작동 중 색상이 "부동"됩니다. 이러한 불쾌한 현상은 보상하기 매우 어렵고 비용도 많이 듭니다. 형광체가 포함된 백색 LED는 RGB LED 매트릭스(광속 단위당 계산)보다 훨씬 저렴하며 우수한 백색 색상을 제공합니다. 단점: 첫째, 형광체 층의 빛 변환으로 인해 RGB 매트릭스보다 빛 출력이 적습니다. 둘째, 형광체 적용의 균일성을 정확하게 제어하는 ​​것이 매우 어렵습니다. 기술적 과정따라서 색온도; 마지막으로, 셋째, 인광체도 LED 자체보다 더 빨리 노화됩니다.

업계에서는 인광체와 RGB 매트릭스를 사용하여 LED를 모두 생산하며 적용 분야가 다릅니다. 표시에 사용되는 기존 LED는 2~4V를 소비합니다. 직류 전압최대 50mA의 전류에서. 조명에 사용되는 LED는 동일한 전압을 소비하지만 프로젝트에서 전류는 수백 mA에서 1A까지 더 높습니다. LED 모듈에서는 개별 LED를 직렬로 연결할 수 있으며 총 전압은 더 높습니다(보통 12V 또는 24V).

LED를 연결할 때 극성을 준수해야 합니다. 그렇지 않으면 장치가 손상될 수 있습니다. 항복 전압은 일반적으로 단일 LED의 경우 5V 이상입니다. LED의 밝기는 광속, 축방향 광도, 방향 패턴에 따라 결정됩니다. 다양한 디자인의 기존 LED는 입체각 4도에서 140도까지. 평소와 같이 색상은 색도 좌표에 의해 결정됩니다. 색온도, 방사선의 파장도 마찬가지입니다.

LED의 밝기는 공급 전압을 낮추는 것이 아니라 소위 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 통해 조정됩니다. 이를 위해서는 특별한 제어 장치가 필요합니다. PWM 방식은 일정하지 않고 펄스 변조 전류가 LED에 공급되고 신호 주파수는 수백 또는 수천 헤르츠이어야하며 펄스 폭과 펄스 사이의 일시 중지가 다를 수 있다는 사실로 구성됩니다. LED의 평균 밝기를 제어할 수 있게 되는 동시에 LED가 꺼지지 않습니다.

LED는 내구성이 꽤 좋지만, 고전력 신호 LED는 저전력 신호 LED에 비해 수명이 짧습니다. 그러나 현재는 20~50,000시간에 달합니다. 노화는 주로 밝기 감소와 색상 변화로 표현됩니다.

LED의 방출 스펙트럼은 단색에 가깝습니다. 이는 태양이나 백열등의 스펙트럼과 근본적으로 다릅니다. 그러한 조명이 시력에 미치는 영향에 대한 진지한 연구는 수행된 적이 없습니다.

LED는 다이오드의 일종으로 전류가 단방향으로 전도성을 갖는 전자 장치입니다. 다이오드 또는 정류 다이오드라고도 불리는 다이오드는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 전기저항인가되는 전압의 극성에 따라 정류용으로 사용된다. 교류. 정류기 다이오드의 설계는 무선 전자 튜브와 반도체 결정을 기반으로 구축될 수 있습니다.

정류기 다이오드와 달리 LED는 반도체 결정을 기반으로만 만들어집니다. 두 전자 장치의 작동 원리는 해당 영역에 전자와 정공이 주입(확산)되는 것을 기반으로 합니다. 피-N전이, 즉 전도성이 다른 두 반도체의 접촉 영역입니다. 주입이란 해당 영역에서 과잉 전자가 이동하는 것을 의미합니다. N- 해당 지역에 입력하세요. 피- 유형 및 해당 지역의 초과 구멍 전환 피- 해당 지역에 입력하세요. N-유형이 부족한 경우. 주입의 결과로, 전이 경계 근처의 두 영역 모두에 보상되지 않은 전자 및 정공 층이 형성됩니다. 측면에 N- 구멍의 전이층 및 측면 피- 전자의 전이층. 이 층은 소위 장벽 층을 형성합니다. 전기장이는 추가 주입을 방지합니다(그림 1).

그림 1. 장벽층 피-N이행

일정한 균형이 나타납니다. 전도성이 있는 결정의 영역에 음의 전압을 가하면 N- 전도성이 있는 결정 영역에 대한 유형 및 양의 전압 피- 유형, 차단 필드에 반대되는 외부 전기장의 영향으로 다음을 통해 주 캐리어에 대한 경로가 열립니다. 피-N이행. 장벽층이 얇아지고 저항이 감소합니다. 자유전자의 엄청난 이동이 일어난다. N- 지역 피- 지역 및 구멍 피- 지역 N-지역. 회로에서 전류가 발생합니다(그림 2).


그림 2: 순방향 스위칭

역전압을 인가하면 배리어층이 두꺼워지고 전기저항도 크게 증가한다. 역전압을 인가하면 전류가 거의 흐르지 않습니다(그림 3).


그림 3. 역방향으로 켜기

고장이 발생하지 않는 LED의 허용 역 전압 값은 정류기 다이오드의 허용 역 전압 값보다 훨씬 낮다는 점을 기억해야합니다. 종종 이 값은 최대 순방향 전압 값과 같습니다. 그러므로 LED를 켜면 전기 회로교류의 경우 전압의 진폭 값을 잊어서는 안됩니다. 주파수가 50Hz인 정현파 전압의 경우 진폭 값은 유효 값보다 1.41배 더 큽니다. LED의 목적은 여전히 ​​"곧게 펴는" 것이 아니라 "빛나는" 것이기 때문에 이러한 내포물은 거의 사용되지 않습니다. 일반적으로 LED는 일정한 전압으로 켜집니다.

동영상 1. 반도체

자유전자가 이동할 때 피-N전이 전자와 정공은 한 에너지 레벨에서 다른 에너지 레벨로의 전이로 인해 광자를 방출합니다. 모든 반도체 재료가 주입될 때 효율적으로 빛을 방출하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 실리콘 카바이드로 만들어진 다이오드는 실제로 빛을 방출하지 않습니다. 그리고 갈륨비소나 황화아연으로 만든 다이오드는 최고의 방출 능력을 가지고 있습니다.

방출된 빛은 일관성이 없으며 좁은 스펙트럼에 있습니다. 이와 관련하여 각 LED에는 고유한 길이와 주파수를 갖는 고유한 파장 스펙트럼이 있으며 이는 사람의 눈에 보일 수도 있고 보이지 않을 수도 있습니다. 눈에 보이지 않는 방출 스펙트럼을 가진 LED 사용의 예로 원격 제어에 사용되는 LED를 들 수 있습니다. 원격 제어모든 현대 무선 전자 장비. 방사선을 보려면 리모콘과 기타 휴대폰사진-비디오 카메라를 가지고 있습니다. 휴대폰을 비디오 모드로 설정하고 카메라 렌즈를 리모콘 앞쪽 가장자리로 향하게 한 다음 리모콘의 아무 버튼이나 누르세요. 동시에 전화기 화면에 LED가 빛나는 것을 볼 수 있습니다.

방출 스펙트럼은 다음에 따라 달라집니다. 화학 성분반도체 결정. 각 방사선 스펙트럼에는 고유한 색상이 있습니다. 따라서 인간의 눈에 보이는 스펙트럼의 빛을 방출하는 LED는 다양한 색상, 빨간색, 녹색, 파란색으로 인식됩니다.

고체 다이오드의 빛은 영국의 실험자 헨리 라운드(Henry Round)에 의해 처음 발견되었습니다. 1907년에 그의 지휘로 연구 논문그는 우연히 작동하는 다이오드 감지기의 접점 주위에 빛이 나타나는 것을 발견했습니다. 그러나 그는 이 현상의 실제 적용에 대해서는 결론을 내리지 못했습니다.

몇 년 후인 1922년에 Oleg Vladimirovich Losev는 Henry Round와 마찬가지로 야간 라디오 시계 중에 우연히 수정 탐지기의 떠오르는 빛을 관찰하기 시작했습니다. 그는 크리스탈에서 안정적인 빛을 얻기 위해 갈바니 배터리의 전압을 다이오드 감지기의 점 접점에 가하여 전류를 흘렸습니다. 이는 LED 작동의 실제 적용을 찾으려는 첫 번째 시도였습니다.

1951년 미국에서 "반도체 전구" 개발에 대한 연구가 시작되었으며, 그 활동은 "Losev 효과"를 기반으로 했습니다. 1961년에 적외선 LED 제조 기술이 발견되어 특허를 얻었으며, 그 저자는 Robert Bayard와 Gary Pittman이었습니다. 1년 후인 1962년, General Electric에서 근무하던 Nick Holonyak은 빛 범위에서 작동하는 세계 최초의 빨간색 LED를 제조했으며 이후 최초로 실제 응용 분야를 찾았습니다. 에너지 효율성이 낮고 상대적으로 높은 전류를 소비했지만 동시에 희미한 빛을 발했습니다. 그럼에도 불구하고 이 기술은 유망한 것으로 판명되어 더욱 발전했습니다.

LED 기술 개발의 다음 단계는 노란색 LED의 발명이었습니다. Nick Holonyak의 전 학생인 George Craford는 1972년 노란색 LED를 발명하여 빨간색과 빨간색-주황색 LED의 밝기를 10배 증가시켰습니다. 이러한 발명과 거의 동시에 70년대 초반에 녹색 LED가 생산되었습니다. 그들은 계산기, 손목시계, 전자 장치, 표시기 및 신호등에 응용 분야를 찾았습니다. 빨간색, 노란색 및 녹색 LED의 광속이 최대 1루멘(Lm)까지 크게 증가한 것은 1990년이 되어서야 달성되었습니다.

1993년 Nichia에서 일하는 일본 엔지니어인 Shuji Nakamura는 빛을 내는 최초의 고휘도 LED를 생산할 수 있었습니다. 파란색. 이 발명은 LED 기술 발전에 혁명을 가져왔습니다. LED는 빨간색, 녹색, 파란색의 세 가지 기본 색상으로 생산되었습니다. 이 순간부터 흰색을 포함한 모든 색상의 빛을 얻을 수 있었습니다.

1996년에는 최초의 백색 LED가 등장했습니다. 이는 형광체 코팅이 된 파란색과 자외선의 두 개의 LED로 구성되었습니다.

2011년에는 최대 210Lm/W의 광 출력을 제공하는 백색 LED 설계가 구축되었습니다. 과학자와 엔지니어는 어떻게 그러한 성공을 거두었습니까? 이를 위해 현재 알려진 백색 LED 생산 방법을 살펴보겠습니다.

모든 색상과 음영은 빨간색, 녹색, 파란색의 세 가지 기본 색상으로 구성되는 것으로 알려져 있습니다. 백색광도 예외는 아닙니다. 백색 LED에서 방사선을 생성하는 데에는 네 가지 옵션이 있습니다(그림 4).


그림 4. 백색광을 방출하는 LED 얻기

첫 번째 옵션은 디자인에 3개의 별도 LED를 사용하는 것입니다. 피-N빨간색, 녹색, 파란색 빛을 방출하는 전환입니다. 모두를 위한 이 옵션 피-N전환에는 자체 전원 공급 장치가 필요합니다. 각각의 전압을 조정하여 피-N전환하면 자체 음영(색온도)을 사용하여 흰색 빛이 생성됩니다.

두 번째 옵션 - 이 옵션을 사용하면 LED 디자인에서 다음 중 하나를 사용합니다. 피-N노란색 또는 황록색 형광체로 코팅된 파란색 빛의 전환입니다. 이 옵션은 LED가 작동하려면 하나의 전원이 필요하기 때문에 가장 자주 사용됩니다. 그러나 이 LED의 색 특성은 다른 방법으로 얻은 LED의 색 특성보다 떨어집니다.

세 번째 옵션 - 여기서도 하나가 사용됩니다. 피-N파란색 광선으로 전환되지만 빨간색과 녹색의 두 가지 색상의 형광체 층으로 덮여 있습니다. 이 방법을 사용하여 제작된 LED 디자인은 더 나은 색상 특성을 제공합니다.

네 번째 옵션 - 이 옵션의 LED 디자인은 빨간색, 녹색, 파란색의 3개 층 형광체로 코팅된 자외선 LED를 기반으로 합니다. 이러한 LED의 설계는 형광체의 3개 층 모두에서 단파장 자외선을 장파장 가시광선으로 변환할 때 에너지 손실이 수반되기 때문에 가장 경제적이지 않습니다.

광 출력 값 이상 밝은 LED 210 Lm/W의 백색 색상은 지금까지 다음에서만 달성되었습니다. 실험실 조건. 사용 가능한 밝은 LED의 최대 발광 출력 일반적인 사용 120Lm/W를 초과하지 않습니다. 이러한 LED는 매우 비싸며 거의 사용되지 않습니다. 대부분의 LED는 광 출력이 60 - 95 Lm/W입니다.

LED의 발광 출력 및 영향을 받아 작동하는 기타 광원 전력, 통과하는 전류의 크기에 따라 달라집니다. 전류가 높을수록 광 출력이 커집니다. 하지만 다른 광원과 마찬가지로 최대그 안에 있는 에너지는 열로 변합니다. LED가 가열되면 광 출력이 감소합니다. 이와 관련하여 제조업체는 크리스탈을 냉각하고 생성된 열을 크리스탈로 방출하기 위해 거대한 금속 케이스를 사용해야 합니다. 환경. 이러한 조치를 통해 사용 효율성을 약간 높일 수 있습니다.

다양한 광원의 에너지 효율을 비교해 보면 효율이 40~45%인 LED가 가장 경제적이라는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어, 백열등 발의 효율은 2 - 5%, - 15 - 25%, - 24 - 30%입니다.

크리스탈의 온도가 실온에 가까울 때 LED의 작동 모드는 의심할 여지없이 수명에 유익한 영향을 미칩니다. 이러한 작동 모드에서 LED는 광 출력 손실 없이 최대 50,000시간 동안 작동할 수 있습니다. 목표가 전류를 증가시켜 광 출력을 높이는 것이라면 이는 당연히 서비스 수명에 해로운 영향을 미치게 됩니다. 우선, 수명이 다하면 광 출력이 크게 떨어집니다. 하락은 원활하게 발생하여 초기값의 70%에 도달합니다. 둘째, 완전한 실패 가능성이 높아집니다.

이 사실은 조명 프로젝트를 개발할 때 등기구와 램프를 선택할 때 경제적 관점에서 어느 것이 더 수익성이 높은지 매번 평가할 필요가 있음을 시사합니다.



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