LED 란 무엇이며 어떻게 작동합니까? LED 작동 원리: 밝음, 매우 밝음, 흰색, SMD
최근 몇 년 동안 LED를 사용한 조명 장치가 승리의 행진을 하고 있습니다. 상점의 선반에는 다양한 중국 요리가 있습니다. LED 손전등, 내부에 전구가있는 배터리보다 더 밝고 오래 빛나는 배터리에 포함 된 배터리 비용보다 훨씬 높지 않은 가격입니다. LED가 그러한 승리의 위치에 있었던 이유는 무엇입니까?
모르는 사람들을 위해: LED는 전류가 직접 빛으로 변환되는 반도체 장치입니다. 다이오드 - 즉, 한 방향으로만 전류를 흘릴 수 있습니다(다이오드 작동 방식 기사 참조). 그런데 영어로 LED를 발광 다이오드 또는 LED라고 합니다.
LED는 비전도성 기판의 반도체 결정, 접촉 리드가 있는 하우징 및 광학 시스템으로 구성됩니다. 내구성을 향상시키기 위해 크리스탈과 플라스틱 렌즈 사이의 공간을 투명 실리콘으로 채웠습니다. 알루미늄 베이스는 과도한 열을 제거하는 역할을 합니다. 내가 말해야 하는 것은 아주 작은 금액이 할당된다는 것입니다.
반도체 결정의 발광은 p-n 접합 영역에서 전자와 정공의 재결합으로 인해 발생합니다. pn 접합 영역은 두 개의 반도체가 다른 유형전도도. 이를 위해 반도체 결정의 근접 접촉 층에는 다른 불순물이 도핑됩니다. 한쪽에는 억셉터, 다른 쪽에는 도너가 있습니다.
pn 접합이 빛을 방출하려면 LED 활성 영역의 밴드 갭이 가시광선 양자 에너지에 가까워야 합니다. 둘째, 반도체 결정은 방사선 없이 재결합이 일어나기 때문에 결함이 거의 없어야 한다. 두 조건을 모두 충족하기 위해 종종 결정에서 하나의 pn 접합이 충분하지 않으며 제조업체는 소위 헤테로구조라고 하는 다층 반도체 구조를 제조해야 합니다.
분명히 더 많은 전류가 LED를 통과할수록 더 밝게 빛납니다. 전류가 클수록 단위 시간당 더 많은 전자와 정공이 재결합 영역에 들어가기 때문입니다. 그러나 반도체와 p-n 접합의 내부 저항으로 인해 다이오드가 가열되어 고전류에서 소손될 수 있습니다. 리드 와이어가 녹거나 반도체 자체가 소손됩니다.
백열 램프와 달리 LED의 전류는 소량의 열 손실과 함께 직접 광 복사로 변환됩니다. 결과적으로 LED는 난방이 허용되지 않는 장치에서 훨씬 더 경제적이고 필수 불가결합니다. LED의 특징은 스펙트럼의 좁은 부분에서 방출된다는 것입니다. 이를 위해 그는 조명 광고 및 실내 장식 제조를 위해 디자이너와 사랑에 빠졌습니다. 일반적으로 LED에는 UV 및 IR 복사가 없습니다. LED는 기계적 강도와 신뢰성이 높습니다. LED 수명은 백열전구의 거의 100배, 백열전구의 5~10배인 10만 시간에 달합니다. 형광등. 마지막으로 LED는 저전압 전기 제품이므로 안전합니다.
이 기술의 유일한 단점은 높은 비용입니다. 현재 LED가 방출하는 1루멘의 가격은 백열등에서 방출되는 루멘의 100배입니다. 그러나 제조업체는 향후 몇 년 동안이 지표가 10 배 감소 할 것으로 예측합니다.
스펙트럼의 황록색, 황색 및 적색 영역에서 방출되는 인화물 및 갈륨 비소 기반 LED는 지난 세기의 60~70년대에 개발되었습니다. 그들은 표시등, 점수 판, 대시보드자동차 및 항공기, 광고 스크린, 다양한 정보 시각화 시스템. 광출력 측면에서 LED는 기존의 백열등을 능가했습니다. 내구성, 신뢰성, 안전성 측면에서도 이를 능가했습니다. 오랫동안 파란색, 파란색-녹색 및 흰색 LED가 없었습니다. LED의 색상은 전자와 정공이 재결합하는 밴드 갭, 즉 반도체 재료와 도펀트에 따라 달라집니다. "파란색" LED는 양자 에너지가 높으므로 밴드 갭이 커야 합니다.
청색 발광 다이오드는 밴드 갭이 넓은 반도체를 기반으로 관리되었습니다 - 탄화 규소, II 및 IV 그룹의 원소 화합물 또는 질화물 요소 III여러 떼. 그러나 SiC 기반 LED는 효율이 너무 낮고 복사의 양자 수율(즉, 재결합 쌍당 방출된 광자 수)이 낮은 것으로 나타났습니다. 셀렌화아연 ZnSe의 고용체 기반 LED는 양자 수율이 더 높았지만 다음으로 인해 과열되었습니다. 큰 저항그리고 수명이 짧았다. 최초의 청색 발광 다이오드는 사파이어(!) 기판에 질화갈륨막을 기반으로 제작되었습니다.
양자 수율은 재결합된 전자-정공 쌍당 방출된 광 양자의 수입니다. 내부 및 외부 양자 수율을 구별하십시오. 내부는 p-n 접합 자체에 있고 외부는 장치 전체를 위한 것입니다(결국 빛은 "길 따라"-흡수, 산란) 손실될 수 있습니다. 열 방출이 좋은 좋은 결정의 내부 양자 효율은 거의 100%에 도달하고, 빨간색 LED의 외부 양자 효율 기록은 55%, 파란색의 경우 35%입니다. 외부 양자 효율은 LED의 주요 성능 특성 중 하나입니다.
LED의 백색광은 여러 가지 방법으로 얻을 수 있습니다. 첫 번째는 RGB 기술을 사용하여 색상을 혼합하는 것입니다. 적색, 청색 및 녹색 LED는 하나의 매트릭스에 조밀하게 배치되며, 그 방사는 렌즈와 같은 광학 시스템을 사용하여 혼합됩니다. 결과는 백색광. 두 번째 방법은 3개의 형광체가 자외선 범위(일부 있음)를 방출하는 LED 표면에 적용되어 각각 청색, 녹색 및 적색 광을 방출하는 것입니다. 형광등의 원리를 기반으로 합니다. 세 번째 방법은 청색 LED에 황록색 또는 녹색-적색 형광체를 적용하는 경우입니다. 이 경우 2~3개의 방사선이 혼합되어 백색광을 형성하거나 백색광에 가깝습니다.
각 방법에는 고유한 장점과 단점이 있습니다. RGB 기술은 원칙적으로 흰색을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 다른 LED를 통해 전류가 변할 때 컬러 차트를 통해 이동할 수 있습니다. 수동으로 또는 프로그램을 통해 제어할 수 있는 전체 조명 콤플렉스가 나타납니다. 이러한 효과는 크리스마스 트리 화환 및 이와 유사한 장치의 설계자 및 제조업체에서 널리 사용됩니다. 또한 매트릭스에 있는 많은 수의 LED는 높은 총 광속과 큰 축 광도를 제공합니다. 이 시스템의 단점은 광점 중앙과 가장자리의 색상이 균일하지 않다는 것입니다. 또한 매트릭스의 가장자리와 중간에서 고르지 않은 열 제거로 인해 LED가 다르게 가열되므로 노화 중에 색상이 다른 방식으로 바뀝니다. 이 불쾌한 현상은 보상하기가 상당히 어렵고 비용이 많이 듭니다. 형광체가 포함된 백색 LED는 RGB LED 매트릭스보다 훨씬 저렴합니다(단위 측면에서 광속), 좋은 흰색을 얻을 수 있습니다. 단점: 첫째, 형광체 층의 광 변환으로 인해 RGB 매트릭스보다 광 출력이 적습니다. 둘째, 기술 과정에서 형광체 증착의 균일성과 결과적으로 색온도를 정밀하게 제어하기가 매우 어렵습니다. 마지막으로, 세 번째로 형광체도 노화되고 LED 자체보다 빠릅니다.
업계에서는 인광체와 RGB 매트릭스가 있는 LED를 모두 생산하며 서로 다른 응용 분야를 가지고 있습니다. 표시에 사용되는 기존 LED는 2~4V를 소비합니다. 정전압최대 50mA의 전류에서. 조명에 사용되는 LED는 동일한 전압을 사용하지만 전류는 프로젝트에서 수백 mA에서 1A로 더 높습니다. LED 모듈에서 개별 LED는 직렬로 연결될 수 있으며 총 전압은 더 높습니다(일반적으로 12 또는 24V).
LED를 연결할 때 극성을 준수해야 합니다. 그렇지 않으면 장치가 고장날 수 있습니다. 항복 전압은 일반적으로 단일 LED의 경우 5V 이상입니다. LED의 밝기는 광속과 축 방향 광도, 지향성 패턴이 특징입니다. 다양한 디자인의 기존 LED가 입체각 4도에서 140도. 색상은 평소와 같이 색도 좌표에 의해 결정되고 색온도, 뿐만 아니라 방사선의 파장.
LED의 밝기는 공급 전압을 낮추는 것이 아니라 소위 PWM(펄스 폭 변조) 방식으로 조절됩니다. 이를 위해서는 특별한 제어 장치가 필요합니다. PWM 방식은 일정하지 않고 펄스 변조된 전류가 LED에 공급되고 신호 주파수는 수백 또는 수천 헤르츠여야 하고 펄스 폭과 그 사이의 일시정지 폭이 변할 수 있다는 사실로 구성된다. LED가 꺼지지 않는 동안 LED의 평균 밝기를 제어할 수 있게 됩니다.
LED는 내구성이 매우 높지만 고전력 LED의 수명은 저전력 신호의 수명보다 짧습니다. 그러나 현재는 20-50,000시간입니다. 노화는 주로 밝기의 감소와 색상의 변화로 나타납니다.
LED의 방출 스펙트럼은 단색에 가깝습니다. 이는 태양이나 백열등의 스펙트럼과 근본적인 차이입니다. 그러한 조명이 시력에 미치는 영향에 대한 진지한 연구는 수행된 적이 없습니다.
LED 램프의 장치 및 작동 원리. 조명 장치의 주요 부분:
LED;
- 운전사;
- 받침대;
- 액자.
작동 원리는 실리콘 또는 게르마늄으로 만들어진 p-n 접합이 있는 일반 반도체 다이오드에서 발생하는 프로세스를 완전히 반복합니다. 양극에 양전위가 적용되고 음극에 음전위가 적용되면 음전하를 띤 전자가 이동합니다. 양극은 재료에서 시작하고 구멍은 음극에서 시작됩니다. 결과적으로 다이오드는 한 방향으로만 전류를 흘립니다.
그러나 LED는 다른 반도체 재료로 만들어지며 전하 캐리어(전자와 정공)에 의해 순방향으로 충격을 받으면 다른 에너지 준위로 이동하면서 재결합을 수행합니다. 결과적으로 광자가 방출됩니다 - 빛 범위의 전자기 방사선의 기본 입자.
에서도 전기 다이어그램그들의 지정으로 일반 다이오드의 지정이 사용되며 발광을 나타내는 두 개의 화살표만 추가됩니다.
반도체 재료는 다른 속성광자의 방출. 직접 갭 반도체인 갈륨 비소(GaAs) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 물질은 가시광선 파장 스펙트럼에 동시에 투명합니다. 교체할 때 pn 레이어전환, 빛이 방출됩니다.
LED에 사용된 레이어의 레이아웃은 아래 그림과 같습니다. 10÷15 nm(나노미크론) 정도의 얇은 두께는 특수한 화학 기상 증착 방법에 의해 생성됩니다. 층에는 양극과 음극을 위한 접촉 패드가 포함되어 있습니다.
다른 물리적 프로세스와 마찬가지로 전자가 광자로 변환되는 동안 다음과 같은 이유로 에너지 손실이 발생합니다.
가벼운 입자의 일부는 그러한 얇은 층에서도 단순히 손실됩니다.
- 반도체를 떠날 때 결정/공기 계면에서 광파의 광학적 굴절이 일어나 파장이 왜곡된다.
사파이어 기판 사용과 같은 특별한 조치를 사용하면 더 큰 광속을 생성할 수 있습니다. 이러한 디자인은 조명 램프에 설치하는 데 사용되지만 아래 그림과 같이 표시기로 사용되는 기존 LED에는 사용되지 않습니다.
그들은 에폭시 수지로 만든 렌즈와 빛을 안내하는 반사판을 가지고 있습니다. 목적에 따라 빛은 5-160°의 넓은 각도 범위로 전파될 수 있습니다.
조명 램프용으로 생산되는 고가의 LED는 제조업체에서 Lambert 다이어그램으로 제조합니다. 이것은 그들의 밝기가 공간에서 일정하고 복사 방향과 관찰 각도에 의존하지 않는다는 것을 의미합니다.
결정의 크기는 매우 작고 하나의 광원에서 소량의 빛을 얻을 수 있습니다. 따라서 조명 램프의 경우 이러한 LED는 상당히 큰 그룹으로 결합됩니다. 동시에 모든 방향에서 균일 한 조명을 만드는 것은 매우 문제가 있습니다. 각 LED는 포인트 소스입니다.
반도체 재료에서 나오는 광파의 주파수 스펙트럼은 일반 백열등보다 훨씬 좁거나 사람의 눈을 피로하게 만드는 태양이 특정 불편함을 유발합니다. 이러한 단점을 수정하기 위해 형광체 층이 조명용 개별 LED 설계에 도입되었습니다.
반도체 재료의 방출 광속의 크기는 pn 접합을 통과하는 전류에 따라 달라집니다. 전류가 클수록 방사선은 더 높지만 특정 값까지입니다.
작은 치수는 일반적으로 표시기 구조에 20mA를 초과하는 전류를 사용할 수 없습니다. 강력한 조명 램프방열 및 추가 보호 조치가 적용되지만 그 사용은 엄격하게 제한됩니다.
시동 시 램프의 광속은 전류가 증가함에 따라 비례하여 증가하지만 열 손실의 형성으로 인해 감소하기 시작합니다. 도체에서 광자를 방출하는 과정은 열 에너지와 관련이 없으며 LED는 차가운 광원이라는 것을 이해해야합니다.
그러나 다양한 층과 전극 사이의 접촉 지점에서 LED를 통과하는 전류는 이러한 섹션의 접촉 저항을 극복하여 재료의 가열을 유발합니다. 발생된 열은 초기에는 에너지 손실만 발생하지만 전류가 증가함에 따라 구조물에 손상을 줄 수 있습니다.
하나의 램프에 설치된 LED 수정의 수는 100개의 작동 요소를 초과할 수 있습니다. 그들 각각에 대해 최적의 전류를 가져와야합니다. 이를 위해 전도성 경로가 있는 유리 섬유 보드가 생성됩니다. 그들은 다양한 디자인을 가질 수 있습니다.
LED 크리스탈은 보드의 접촉 패드에 납땜됩니다. 가장 자주 그들은 특정 그룹으로 형성되어 서로 직렬로 공급됩니다. 생성된 각 체인에는 동일한 전류가 흐릅니다.
이러한 계획은 기술적으로 구현하기가 더 쉽지만 한 가지 주요 단점이 있습니다. 하나의 접점이 끊어지면 전체 그룹이 빛나지 않아 램프 고장의 주요 원인이 됩니다.
드라이버. 각 LED 그룹에 일정한 전압을 공급하는 것은 이전에 전원 공급 장치라고 불렀던 특수 장치에서 수행되었으며 이제는 "드라이버"라는 용어가 사용됩니다.
이 장치는 네트워크의 입력 전압을 변환하는 기능을 가지고 있습니다(예: ~ 220V 아파트 또는 12V) 자동차 네트워크각 연속 그룹에 대한 최적의 전력량.
각 수정에 하나의 안정화된 전류 공급 병렬 회로기술적으로 복잡하고 거의 사용되지 않습니다. 드라이버는 변압기 또는 기타 회로를 기반으로 작동할 수 있습니다. 그 중에는 다음과 같은 옵션이 있습니다. 구성 및 적용된 요소 수에 따라 다를 수 있습니다.
가장 간단하고 저렴한 드라이버는 안정화된 전압으로 구동되며 네트워크는 서지 및 서지로부터 보호됩니다. 출력 전원 회로에 전류 제한 저항이 없을 수도 있습니다. 이는 충전식 손전등에 일반적이며 LED는 종종 배터리 콘센트에 직접 연결됩니다.
결과적으로 과대 평가 된 전류에 의해 전원이 공급되며 매우 밝게 빛나지만 매우 자주 타 버립니다. 조명 네트워크의 서지 보호 기능이 없는 드라이버가 있는 저렴한 램프를 사용하는 경우 선언된 리소스를 해결하지 않고 LED도 종종 타버립니다.
잘 설계된 전원 공급 장치는 작동 중에 열을 거의 또는 전혀 생성하지 않으며 저렴하거나 과부하된 드라이버는 전기의 일부를 가열하는 데 사용합니다. 더군다나 이런 쓸데없는 손실을 전력비교할 수 있으며 어떤 경우에는 광자 방출에 소비되는 에너지를 초과합니다.
발광 다이오드(영어 발광 다이오드 또는 LED)는 반도체(대부분의 경우 도핑된 실리콘 또는 게르마늄)를 기반으로 만들어진 전자 장치로, 작동 원리는 빛의 방출과 함께 단방향 전도를 기반으로 합니다. .
LED 장치
다른 반도체와 마찬가지로 LED는 반도체 결정의 화합물입니다. p형(3가 물질로 도핑됨 - 예를 들어 In) 반도체 결정으로 n형(As와 같은 5가 물질로 도핑됨), 피-N이행.
결정 p형"정공"전도성의 특성을 가지고 있습니다. 이러한 결정의 전하 캐리어는 전자가없는 결정의 공유 결합의 양으로 하전 된 부분입니다 (그림 1).
그림 1. 반도체의 정공 전도도
결정 n형전자 전도성이 있습니다. 이러한 결정의 전하 캐리어는 음으로 하전된 자유 전자입니다(그림 2).
그림 2. 반도체의 전자 전도도
크리스탈을 연결할 때 p형크리스탈로 n형그들의 접촉 영역이 형성됩니다. 피-n 전환, 장벽 층의 특성을 가지고 있습니다(그림 3).
두 반도체의 접점 영역에서 N-유형 및 피-유형, 확산 과정이 발생합니다. 피-가는 지역 N-영역과 전자는 반대로 N- 지역 피-지역. 결과적으로 N-배리어층 영역에서 전자의 농도가 감소하여 양전하를 띤 층이 나타납니다. 에 피- 영역에서 정공 농도의 감소가 관찰되고 음으로 대전된 층이 나타난다. 따라서 반도체의 접촉 영역에서 이중 전기 층이 형성되고 그 필드는 전자와 정공이 서로를 향해 확산되는 과정을 방지합니다(그림 3).
그림 3. 차단층 p-n 접합
연결의 경우 N–피- 양극이 연결되도록 외부 전류원으로 전환 피-면적, 음수 N- 영역에서 차단 층의 전계 강도 표시기가 감소하고 접촉 층을 통한 주 전류 캐리어의 전이를 촉진합니다. 결과적으로 구멍 피-영역과 전자 N- 영역이 교차하여 서로를 향해 이동합니다. N–피-전이, 이는 순방향으로 전류를 생성하게 합니다(그림 4).
그림 4. p-n 접합에 전압 인가
또한 두 반도체(p-n 접합)의 접촉점에서 전기가 인가되면 전자가 정공과 재결합하고 에너지가 광자의 형태로 방출된다(Fig. 5).
그림 5. 광자 형태의 에너지 방출
LED는 일반 다이오드와 달리 두 반도체의 접점에서 접점 면적이 크다. 이 때문에 재결합 면적이 더 넓어져 글로우가 더 강렬해진다. 그러나 모든 pn 접합이 가시광선 스펙트럼에서 광자 형태로 에너지를 방출할 수 있는 것은 아닙니다. 이것은 가시 광선 스펙트럼의 양자 에너지에 상응해야 하는 극복 에너지인 밴드 갭에 따라 다릅니다.
LED 조명 색상
LED의 색 방출 스펙트럼은 pn 접합의 밴드 갭에만 의존합니다. 여기에서 전자와 "정공"의 재결합이 일어나며 빛의 광자가 방출됩니다. 따라서 물리적으로 LED 조명의 색상은 반도체의 재료와 도펀트에 따라 달라집니다. LED의 빛이 "파란색"일수록 pn 접합의 밴드 갭을 극복하기 위한 양자 에너지가 더 높아집니다. 이는 밴드 갭이 커야 함을 의미합니다. 이것으로부터 p-n 접합의 밴드 갭을 변경함으로써 무지개의 모든 색상의 빛을 얻는 것이 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 흰색을 얻으려면 결과 색상을 결합해야합니다.
백색 LED를 얻는 방법
백색 LED 광선을 얻기 위해 세 가지 일반적인 방법이 사용됩니다.
1) RGB 기술에 따라 글로우 색상을 혼합합니다(그림 6). 이 방법은 빨간색, 파란색 및 녹색 LED가 플라스틱 렌즈와 같은 광학 시스템 덕분에 혼합되는 하나의 기판에 조밀하게 배치된다는 사실로 구성됩니다. 결과는 백색광입니다.
그림 6. RGB LED 제조 기술
2) 자외선을 방출하는 3개의 LED를 기반으로 합니다. 다음으로, 청색, 녹색 및 적색 형광체의 코팅이 각 LED의 표면에 적용됩니다. 따라서 형광체는 3가지 색으로 빛나기 시작하고, 이 빛을 렌즈와 혼합하면 흰색이 된다.
3) 청색 LED를 기본으로 녹색 및 적색(황록색) 형광체를 표면에 도포합니다. 따라서 흰색 또는 흰색에 가까운 빛을 얻습니다.
그림 7. 형광체 코팅 LED 제조 기술
백색 광선을 얻는 각 방법에는 고유한 장점과 단점이 있습니다.
따라서 RGB 기술은 모든 것 외에도 LED 각각의 현재 강도를 변경하여 LED 광선의 색상과 온도를 변경할 수 있습니다. 또한 매트릭스에 3개의 LED를 집중 배치하여 높은 총 광속 및 광출력을 얻을 수 있습니다. 그러나 이 시스템은 시스템 중앙의 광선이 가장자리보다 더 밝기 때문에 전체 광점 광선의 균일성을 보장할 수 없습니다. 이것은 광학계의 수차 현상 때문입니다.
형광체를 사용하여 LED를 만드는 것은 RGB 기술보다 훨씬 저렴합니다. 그러나 이 시스템의 단점은 형광체의 빠른 노화(LED 칩보다 훨씬 빠름)와 형광체를 LED 칩 표면에 균일하게 도포하기 어렵다는 점이다.
LED의 전기적 특성
LED는 저전압 에너지 소비 반도체 소자입니다. 기존 표시기 LED의 전력 범위는 최대 50mA의 전류 소비로 2V에서 4V까지 다양합니다. 조명 실용 LED는 동일한 전압으로 전원이 공급되지만 이러한 장치의 전류 소비는 훨씬 높으며 수 암페어에 도달할 수 있습니다. 때로는 개별 LED로 구성된 LED 모듈이 직렬로 연결되어 총 공급 전압이 증가합니다.
그러나 LED의 공급 전압이 낮다는 사실 외에도 안정화되어야 합니다. 이는 LED 공급 전압이 소비 전류에 기하급수적으로 의존하기 때문입니다(그림 8). 전압이 약간 증가하면 전류 소비가 여러 번 증가하여 장치 과열 및 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 LED의 공급 전압을 안정화하기 위해 컨버터 또는 드라이버가 사용됩니다(전류를 안정화하도록 설계됨).
그림 8. LED의 볼트-암페어 특성
LED 밝기 조정
매우 자주 LED의 밝기를 변경할 필요가 있습니다. 이 작업은 LED 공급 전압을 낮추어서 수행해서는 안 됩니다. 이것은 펄스 폭 변조(PWM) 기술을 사용하여 수행됩니다. 이 방법은 출력 신호 주파수가 수백에서 수천 헤르츠인 펄스 변조 전류 발생기 장치를 제조하는 것으로 구성되며 펄스 폭과 펄스 사이의 일시 중지를 변경할 수 있습니다. 따라서 이 장치를 사용하면 LED가 꺼지지 않고 전원이 공급되는 LED의 평균 밝기를 제어할 수 있습니다.
LED 수명
LED의 수명은 주로 작동 모드에 따라 다릅니다. 이것이 저전력 표시기 유형 다이오드 인 경우 수명이 매우 깁니다. 이것은 그것을 통해 흐르는 전류가 작고 물리적으로 쌍을 이루는 pn 접합을 가열하지 않기 때문입니다. 강력한 LED는 20-50,000시간의 서비스 수명을 위해 설계되었습니다. 큰 공급 전류로 인해 pn 접합이 매우 뜨겁고 결정의 원자 격자가 느슨해져서 pn 접합의 무결성이 손상됩니다. 따라서 최종 결과에서 LED의 노화는 밝기 감소로 표현됩니다. 따라서 LED의 밝기가 원래 밝기의 30% 감소하면 교체해야 합니다.
이 정보 기사에서는 오늘날 자연에 존재하는 모든 종류의 LED 작동 원리를 완전히 설명하려고 노력할 것입니다. 고려하다 일반 장치 LED를 보고 다양한 색상의 발광 다이오드를 얻는 방법을 확인합니다.
아마도 모든 사람들은 LED 작동 원리가 전원에 연결될 때 "빛나는" 것이라는 것을 알고 있을 것입니다. 그러나 이것은 어떻게 달성됩니까? 이 문제에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
가시광선 플럭스를 생성하기 위해 LED의 설계는 두 개의 반도체의 존재를 제공합니다. 그 중 하나는 구성에 자유 전자를 포함해야 하고 다른 하나는 "홀"을 포함해야 합니다.
따라서 반도체 사이에 "P-N" 전이가 발생하여 도너의 전자가 다른 반도체(수신자)로 전달되고 광자가 방출되면서 자유 정공을 차지합니다. 이 반응은 소스가 있는 경우에만 발생합니다. 직류.
행동 원칙이 해체되었지만이 과정은 무엇 때문에 발생합니까? 이를 위해서는 고려할 필요가 있다 디자인 기능주도의.
LED 작동 원리
LED 모델(COB, OLED, SMD 등)에 관계없이 다음 요소로 구성됩니다.
- 양극(결정에 양의 반파장 공급);
- 음극(반도체 결정에 직류의 음의 반파장 공급);
- 리플렉터(광속을 디퓨저에 반사);
- 반도체 칩 또는 수정("P-N" 전이로 인한 광속 복사);
- (LED의 각도 증가).
이제 다양한 색상을 얻는 방법을 살펴보겠습니다.
특정 색상의 LED 얻기
앞서 우리는 LED의 작동 원리를 분석하여 인간의 눈에 보이는 광자의 방출과 함께 반도체에서 "P-N" 전이가 발생할 때 광속이 형성된다는 것을 알아냈습니다. 그러나 어떻게 LED의 다른 빛을 얻을 수 있습니까? 이를 위한 몇 가지 옵션이 있습니다. 각각을 고려해 보겠습니다.
형광체 코팅
이 기술을 사용하면 거의 모든 색상을 얻을 수 있지만 종종 백색 LED를 얻는 데 사용됩니다. 이를 위해 빨간색 또는 파란색 LED를 덮는 형광체와 같은 특수 시약이 사용됩니다. 처리 후 파란색 발광 다이오드가 흰색으로 빛나기 시작합니다.
RGB - 기술
이 유형의 장치는 하나의 수정에 3개의 LED(빨강, 녹색 및 파랑)를 사용하기 때문에 광 스펙트럼의 모든 음영을 방출할 수 있습니다. 각각의 광선의 강도에 따라 방출되는 빛이 바뀝니다.
각종 도펀트 및 각종 반도체 적용
이 기술 덕분에 "P-N" 전이 영역에서 방출된 광속의 파장이 변경됩니다. 그리고 아시다시피 파장에 따라 색상이 바뀝니다. 이것은 다음 사진에서 더 명확하게 볼 수 있습니다.
이제 다음 질문을 살펴보겠습니다. 이러한 장치의 전기적 특성은 무엇이며 안정적인 작동을 위해 필요한 것은 무엇입니까?
전기적 특성
LED는 안정화된 낮은 DC 전압(3~5V)이 통과할 때 광속을 방출하는 장치입니다. 양극과 음극에서 전위차를 생성함으로써 결정에 전류가 발생하여 광속을 생성합니다.
LED의 전체 작동을 위해 현재 값은 20-25mA 수준이어야 합니다. 그러나 고전력 LED의 경우 전류 소비가 1400mA에 도달할 수 있습니다.
전원 공급 장치의 전압이 증가함에 따라 전류는 기하급수적으로 증가합니다. 즉, 공급 전압이 약간 상승하면 전류 강도가 여러 번 증가하여 온도가 상승하고 발광 다이오드(읽기)가 고장날 수 있습니다. 이러한 이유로 DC 전압 소스는 특수 미세 회로를 사용하여 안정화되어야 합니다.
이제 LED의 주요 유형, 장단점을 고려하십시오.
표시등 유형 LED 장치(DIP)
이러한 유형의 LED는 LED 기술 분야의 "선구자"입니다. 그들은 지표로 산업을위한 것입니다.
그들은 3 또는 5mm 케이스, 양극, 음극, 수정, 양극을 수정에 연결하는 금(저예산 옵션의 구리) 도체 및 디퓨저로 구성됩니다.
실제로는 매우 드물게 사용됩니다. 여러 가지 단점이 있습니다.
강력한 LED 작동 원리
강력한 발광 다이오드(예: 회사)는 수정을 통해 큰 전류(최대 1400mA)를 통과시켜 강렬한 광속을 생성하도록 설계되었습니다.
많은 양의 열이 결정에서 방출되고 알루미늄의 도움으로 반도체 결정에서 제거됩니다. 또한 이 라디에이터는 광속을 증가시키는 반사판 역할을 합니다.
고출력 LED의 안정적인 작동을 위해서는 회로에 전압 안정화 외에도 전류를 제한해야 하는 큰 전자 흐름을 위해 설계된 특수 회로가 필요합니다 명목 작업장치.
필라멘트 LED 장치
설계
필라멘트 LED는 직경이 1.5mm 이하인 사파이어 또는 일반 유리와 절연 기판에 직렬로 연결된 특수 성장 반도체 결정(28개)으로 구성된 장치입니다.
이 LED는 형광체로 코팅 된 특수 플라스크에 배치되어 모든 색상을 얻을 수 있습니다. 이 기술을 사용하여 개발된 LED 장치의 주요 장점은 360 °에 도달하는 글로우 각도입니다.
필라멘트 발광 다이오드는 결정이 유사한 기술을 사용하여 유리 또는 사파이어에서 성장하기 때문에 일부 출처(아래 섹션 참조)에 의해 COB로 분류됩니다.
COB LED의 장치 및 작동 원리
COB 기술 또는 Chip-On-Board는 알루미늄 기판에 유전체 접착제를 사용하여 다수의 반도체 결정을 배치하는 것으로 구성된 전자 분야의 최신 개발 중 하나입니다. 또한 이러한 유형의 LED 제조는 유리 매트릭스(COG)에서 가능하지만 작동 원리는 동일합니다.
결과 매트릭스는 형광체로 코팅됩니다. 결과적으로 전체 영역에 걸쳐 어떤 음영의 COB LED의 균일한 발광을 달성하는 것이 가능합니다. 이러한 장치는 TV, 랩톱 및 태블릿 개발에 널리 사용됩니다.
작동 원리
COB LED에 특정 이름이 있음에도 불구하고 작동 원리는 1962년에 개발된 기존 표시등 발광 다이오드와 완전히 유사합니다. 전류가 반도체 결정을 통과하면 "P-N" 접합이 발생하고 결과적으로 광속이 발생합니다.
이 유형의 장치의 특징은 존재입니다. 큰 수더 강렬한 광속을 얻을 수있는 결정.
유기발광다이오드(OLED)의 소자 및 작동 원리
제조의 최신 발전은 OLED 기술입니다. 얇은 디스플레이를 갖춘 첨단 TV, 미니어처 스마트폰, 태블릿 및 기타 산업에 없어서는 안 될 많은 장치를 생산할 수 있습니다. 현대 사회.
OLED 소자
발광 다이오드 OLED는 다음으로 구성됩니다.
- 산화인듐과 주석의 혼합물로 만들어진 양극;
- 호일, 유리 또는 플라스틱 기판;
- 알루미늄 또는 칼슘 음극;
- 고분자계 방사층;
- 유기물의 전도층.
이 기술은 어떻게 작동합니까?
OLED의 작동 원리는 COB, SMD 및 DIP LED와 유사하며 반도체에서 "P-N" 접합의 형성으로 구성됩니다. 하지만 구별되는 특징 OLED 기술은 LED, 가시 스펙트럼의 광속 및 글로우 각도를 증가시키는 발광층을 구성하는 특수 폴리머를 사용하는 것입니다.
장점
- 최소 치수;
- 저전력 소비;
- 전체 영역에 걸쳐 균일한 빛;
- 긴 서비스 수명;
- 연장된 서비스 수명;
- 넓은 광선 각도(최대 270°);
- 저렴한 비용.
우리는 현대 세계에서 사용되는 주요 유형의 발광 다이오드를 검토했지만, 그들과 함께 한국 과학자들은 더 나아가서 약속에 따라 모든 구형 유형의 장치를 대체할 섬유 기반 LED를 개발했습니다. 그들이 무엇인지 살펴 보겠습니다.
광섬유 기반 LED의 장치 및 작동 원리
이 틈새 시장에서 LED를 생산하기 위해 PEDOT:PSS 폴리스티렌 설포네이트 용액으로 처리된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필라멘트가 사용됩니다. 처리 후 미래 LED의 실은 130 0 C의 온도에서 건조됩니다.
그 후, 예비 성형품은 특수 폴리(p-페닐렌비닐렌) 폴리머로 OLED 기술을 사용하여 처리되고 생성된 섬유는 리튬-알루미늄 플루오라이드 현탁액의 얇은 층으로 코팅됩니다.
결론
우리는 주요 유형의 LED를 검토했으며, 그 중 보시다시피 엄청나게 많습니다. 그러나 작동 방식은 모두 동일합니다.
또한 현대적인 재료의 사용 덕분에 높은 기술적 성능과 보다 안정적이고 장기적인 LED 작동을 달성할 수 있다고 말할 수 있습니다.
발광 반도체 소자는 조명 시스템 및 표시 장치로 널리 사용됩니다. 전류. 인가 전압의 영향으로 작동하는 전자 장치를 말합니다.
그 가치가 미미하기 때문에 이러한 전원은 저전압 장치로 분류되며 전류가 인체에 미치는 영향 측면에서 안전성이 높습니다. 가전 제품과 같은 고전압 소스를 사용하여 조명을 켜면 부상 위험이 높아집니다. 홈 네트워크회로에 특수 전원 공급 장치를 포함해야 합니다.
LED 디자인의 특징은 Ilyich 및 형광등보다 하우징의 기계적 강도가 더 높다는 것입니다. ~에 올바른 작동그들은 오랫동안 안정적으로 작동합니다. 그들의 자원은 백열 필라멘트의 자원보다 100 배 높으며 십만 시간에 이릅니다.
그러나 이 지표는 지표 구조에 일반적입니다. 강력한 소스의 경우 조명에 전류가 증가하고 수명이 2-5 배 감소합니다.
기존 표시기 LED는 직경 5mm의 에폭시 하우징과 전류 회로 연결을 위한 2개의 접점 리드로 만들어집니다. 시각적으로 길이가 다릅니다. 절단 접점이 없는 새 장치는 음극이 더 짧습니다.
간단한 규칙은 이 위치를 기억하는 데 도움이 됩니다. 두 단어는 모두 문자 "K"로 시작합니다.
LED의 다리가 끊어지면 양극은 간단한 회로에서 접점에 1.5볼트의 전압을 적용하여 결정할 수 있습니다. AA 배터리: 극성이 일치하면 빛이 나옵니다.
발광 활성 반도체 단결정은 다음과 같은 형태를 갖는다. 직육면체. 알루미늄 합금으로 만들어진 반사 포물선 반사경 근처에 배치되고 비전도성 특성을 가진 기판에 장착됩니다.
고분자 재료로 만들어진 빛 투명 하우징의 끝에는 광선을 집중시키는 렌즈가 있습니다. 반사기와 함께 복사 플럭스의 각도를 형성하는 광학 시스템을 형성합니다. LED의 방사 패턴이 특징입니다.
전체 구조의 기하학적 축에서 측면으로 빛의 편차를 특성화하여 산란을 증가시킵니다. 이 현상은 생산 중 작은 기술 위반의 출현과 작동 중 광학 재료의 노화 및 기타 요인으로 인해 발생합니다.
알루미늄 또는 황동 벨트는 케이스 바닥에 위치할 수 있으며, 이는 전류가 흐를 때 발생하는 열을 제거하는 방열기 역할을 합니다.
이 디자인 원칙은 널리 퍼져 있습니다. 이를 기반으로 다른 형태의 구조 요소를 사용하여 다른 반도체 광원도 생성됩니다.
발광 원리
반도체 접합 p-n 유형단자의 극성에 따라 정전압원에 연결됩니다.
p형 및 n형 물질의 접촉층 내부에서 그 작용에 따라 양전하 부호를 갖는 음전하를 띤 자유 전자와 정공의 이동이 시작됩니다. 이 입자들은 그들을 끌어당기는 극으로 향합니다.
전이층에서 전하가 재결합합니다. 전자는 전도대에서 가전자대로 이동하여 페르미 준위를 극복합니다.
이로 인해 스펙트럼과 밝기가 다른 광파가 방출되면서 에너지의 일부가 방출됩니다. 파동 주파수와 색 재현은 그것이 만들어지는 혼합 재료의 유형에 따라 다릅니다.
반도체의 활성 영역 내부에서 빛을 방출하려면 두 가지 조건이 충족되어야 합니다.
1. 활성 영역의 밴드 갭 너비는 사람의 눈에 보이는 주파수 범위 내에서 방출된 광자의 에너지에 가까워야 합니다.
2. 반도체 결정 재료의 순도가 높아야 하며, 재결합 과정에 영향을 미치는 결함의 수가 가능한 한 적어야 합니다.
이 복잡한 기술적 문제는 여러 가지 방법으로 해결됩니다. 그 중 하나는 여러 레이어를 만드는 것입니다. pn 접합복잡한 헤테로 구조가 형성될 때.
온도 효과
소스의 전압 레벨이 증가함에 따라 반도체 층을 통한 전류 강도가 증가하고 글로우가 증가합니다. 단위 시간당 증가된 전하 수가 재결합 영역에 들어갑니다. 동시에 전류 전달 요소가 가열됩니다. 그 값은 내부 전류 리드 및 p-n 접합 재료의 재료에 중요합니다. 과도한 온도는 그들을 손상시키고 파괴할 수 있습니다.
LED 내부에서 전류 에너지는 백열등과 달리 불필요한 과정 없이 직접 빛으로 변환됩니다. 이 경우 전도성 요소의 낮은 가열로 인해 유용한 전력의 최소 손실이 형성됩니다.
이로 인해 이러한 소스의 고효율이 생성됩니다. 그러나 구조 자체가 보호되고 외부 가열이 차단된 경우에만 사용할 수 있습니다.
조명 효과의 특징
다른 조성의 정공과 전자가 재결합하는 동안 물질 p-n전환은 불균일한 발광을 생성합니다. 단일 재결합 전하 쌍에 대해 선택된 광 양자의 수인 양자 수율 매개변수로 특성화하는 것이 일반적입니다.
LED의 두 가지 수준에서 형성되고 발생합니다.
1. 반도체 접합 자체 내부 - 내부;
2. 전체 LED의 디자인에서 - 외부.
첫 번째 수준에서 올바르게 만들어진 단결정의 양자 수율은 100%에 가까운 값에 도달할 수 있습니다. 그러나 이 지표를 보장하기 위해서는 다음을 생성해야 합니다. 고전류그리고 강력한 방열.
광원 자체 내부의 두 번째 수준에서 빛의 일부가 구조 요소에 의해 산란 및 흡수되어 전체 복사 효율이 감소합니다. 양자 수율의 최대값은 여기에서 훨씬 작습니다. 빨간색 스펙트럼을 방출하는 LED의 경우 55% 이하에 도달하고 파란색의 경우 최대 35%까지 감소합니다.
빛의 연색성의 종류
최신 LED는 다음을 방출합니다.
백색광.
황록색, 노란색 및 빨간색 스펙트럼
에 기초 p-n전이, 인화물 및 갈륨 비소가 사용됩니다. 이 기술은 60년대 후반에 전자 기기의 표시기 및 운송 장비의 제어판, 광고판에 구현되었습니다.
광출력 측면에서 이러한 장치는 백열등과 같은 당시의 주요 광원을 즉시 추월했으며 신뢰성, 자원 및 안전성면에서 능가했습니다.
블루 스펙트럼
오랫동안 청색, 청록색 및 특히 백색 스펙트럼의 방출기는 두 가지 기술 문제에 대한 포괄적인 솔루션의 어려움으로 인해 실제 구현에 적합하지 않았습니다.
1. 재조합이 일어나는 밴드 갭의 제한된 크기;
2. 불순물 함량에 대한 높은 요구 사항.
청색 스펙트럼의 밝기를 증가시키는 단계마다 밴드 갭의 확장으로 인해 광자 에너지의 증가가 필요했습니다.
이 문제는 반도체 물질에 탄화규소 SiC 또는 질화물을 포함함으로써 해결되었습니다. 그러나 첫 번째 그룹의 개발은 하나의 재결합된 전하 쌍에 대해 효율이 너무 낮고 광자 복사 수율이 작은 것으로 밝혀졌습니다.
반도체 전이에 아연 셀렌화물을 기반으로 한 고용체를 포함하면 양자 수율을 높이는 데 도움이 됩니다. 그러나 그러한 LED가 증가했습니다. 전기 저항전환에. 이로 인해 과열되어 빠르게 타버렸고, 제작이 어려웠던 열 제거 설계도 효과적으로 작동하지 않았습니다.
처음으로 청색 발광 다이오드가 사파이어 기판에 증착된 질화갈륨 박막을 사용하여 만들어졌습니다.
백색 스펙트럼
그것을 얻기 위해 세 가지 개발 기술 중 하나가 사용됩니다.
1. RGB 기술을 사용하여 색상을 혼합합니다.
2. 자외선 LED에 적색, 녹색 및 청색 형광체의 3개 층의 적용;
3. 황색-녹색 및 녹색-적색 형광체 층으로 청색 LED를 코팅한다.
첫 번째 방법에서는 3개의 단결정을 단일 매트릭스에 한 번에 배치하고 각각은 자체 RGB 스펙트럼을 방출합니다. 렌즈를 기반으로 한 광학 시스템의 설계로 인해 이러한 색상이 혼합되어 결과적으로 전체 흰색 색조가 됩니다.
~에 대체 방법색상의 혼합은 형광체의 3개 구성층에 자외선을 연속적으로 조사하여 발생합니다.
백색 스펙트럼 기술의 특징
RGB 기술
다음을 허용합니다.
조명 제어 알고리즘에서 단결정의 다양한 조합을 사용하여 수동으로 또는 자동 프로그램으로 하나씩 연결합니다.
시간이 지남에 따라 다른 색상 음영을 유발합니다.
광고를 위한 멋진 조명 단지를 만드십시오.
이러한 구현의 간단한 예는 입니다. 유사한 알고리즘도 설계자들에 의해 널리 사용됩니다.
RGB LED 설계의 단점은 다음과 같습니다.
중앙과 가장자리에 있는 광점의 균일하지 않은 색상;
매트릭스 표면의 불균일한 가열 및 열 제거, 다른 속도 p-n 노화색상 균형에 영향을 미치는 전환은 흰색 스펙트럼의 전체 품질을 변경합니다.
이러한 단점은 기본 표면의 단결정 배열이 다르기 때문에 발생합니다. 제거하고 조정하기가 어렵습니다. 이 RGB 기술로 인해 모델은 가장 복잡하고 비용이 많이 드는 개발 중 하나입니다.
형광체 LED
그들은 설계가 더 간단하고 제조 비용이 저렴하며 단위 광속당 방사면에서 더 경제적입니다.
그들은 다음과 같은 단점이 있습니다.
형광체 층에서 광 에너지가 손실되어 광 출력이 감소합니다.
균일한 형광체 층을 적용하는 기술의 복잡성은 색온도의 품질에 영향을 미칩니다.
형광체는 LED 자체보다 리소스가 짧고 작동 중에 더 빨리 노화됩니다.
다양한 디자인의 LED 특징
인광체 및 RGB 제품이 포함된 모델은 다양한 산업 및 국내 응용 분야를 위해 생성됩니다.
영양 방법
최초 양산된 인디케이터 LED는 2볼트 미만의 직류 전압에서 전원을 공급했을 때 약 15mA를 소모했다. 최신 제품은 최대 4볼트 및 50mA로 향상된 성능을 제공합니다.
조명용 LED는 동일한 전압으로 전원이 공급되지만 이미 수백 밀리암페어를 소비합니다. 제조업체는 현재 최대 1A의 장치를 적극적으로 개발 및 설계하고 있습니다.
광출력 효율을 높이기 위해 각 소자에 순차적으로 전압을 공급할 수 있는 LED 모듈이 만들어지고 있다. 이 경우 값은 12볼트 또는 24볼트로 증가합니다.
LED에 전압을 인가할 때 극성을 고려해야 합니다. 그것이 끊어지면 전류가 흐르지 않고 빛이 나지 않습니다. 교류 사인파 신호가 사용되면 양의 반파가 통과할 때만 글로우가 발생합니다. 또한 극성 방향으로 해당 전류 값이 나타나는 법칙에 따라 강도도 비례하여 변합니다.
역 전압으로 반도체 접합부가 파손될 수 있음을 명심해야 합니다. 단결정 1개에서 5볼트를 넘었을 때 발생합니다.
제어 방법
방출된 빛의 밝기를 조정하기 위해 두 가지 제어 방법 중 하나가 사용됩니다.
1. 연결된 전압의 값;
첫 번째 방법은 간단하지만 비효율적입니다. 전압 레벨이 특정 임계값 아래로 떨어지면 LED가 단순히 꺼질 수 있습니다.
PWM 방식은 이러한 현상을 배제하지만 기술적 구현이 훨씬 어렵다. 단결정의 반도체 접합을 통과한 전류는 일정한 형태가 아닌 수백 ~ 천 헤르츠 값의 펄스형 고주파로 공급된다.
펄스의 폭과 펄스 사이의 일시 중지를 변경하여(프로세스를 변조라고 함) 글로우의 밝기가 넓은 범위에서 조정됩니다. 단결정을 통한 이러한 전류의 형성은 복잡한 알고리즘을 사용하는 특수 프로그래밍 가능한 제어 장치에 의해 수행됩니다.
방사선 스펙트럼
LED에서 나오는 복사의 주파수는 매우 좁은 영역에 있습니다. 단색이라고 합니다. 태양에서 발산하는 파장이나 기존 조명 램프의 백열 필라멘트와는 근본적으로 다릅니다.
그러한 조명이 인간의 눈에 미치는 영향에 대해 많은 논의가 있습니다. 그러나이 문제에 대한 진지한 과학적 분석 결과는 우리에게 알려지지 않았습니다.
생산
LED 제조에는 로봇 기계가 사전 설계된 기술에 따라 작동하는 자동 라인만 사용됩니다.
사람의 육체 노동은 생산 과정에서 완전히 배제됩니다.
숙련된 전문가는 올바른 기술 흐름만 제어합니다.
제품 품질 분석도 책임에 포함됩니다.
