차가운 광원 LED

거칠게 말해 LED는 pn 접합이다

우리가 흔히 사용하는 LED는 영어로 Light-Emitting Diodes의 두문자어(acronym)이다. 즉 LED는 빛을 방출하는 다이오드이다. 다이오드는 한 방향으로 전류가 흐르는 전자 부품인데, 앞서 살펴봤던 것처럼 pn 접합도 다이오드의 일종이다. p형 반도체를 양극(anode)에 연결하고, n형 반도체를 음극(cathode)에 연결하면 LED를 만들 수 있다. LED를 껐다 켜기 위해 스위치도 추가해 주면 좋을 것이다. 스위치를 닫으면 양극과 음극 사이의 전위차에 의해 전류가 p형 반도체에서 n형 반도체로 흐르게 된다. 이 경우 전자는 n형에서 p형으로, 정공은 p형에서 n형으로 흐르게 된다. 서로 다른 두 전하를 띈 입자들이 두 반도체의 경계면에 도달하게 되면 재결합(recombination)하게 되며, 결과적으로 빛이 방출되게 된다. 이런 현상을 전기 발광(electroluminescence)이라고 하며, LED의 기본 동작 원리이다. 전류가 흐르기 때문에 어느 정도 열이 발생할 수는 있지만, 백열등이나 형광등에 비해서는 열이 덜 발생해 (상대적으로) 차가운 광원으로 여겨진다.

p-n 접합으로 만든 LED의 작동 원리.

그렇다면 모든 반도체로 LED를 만들 수 있을까? 아쉽게도 그렇지 않다. 모든 물질이 빛을 잘 방출하는 것은 아니기 때문이다. 일례로 실리콘(silicon)은 반도체에서 가장 중요한 물질이지만, 전도대 최소(conduction band minimum)와 가전자대 최대(valence band maximum)의 위치가 달라, 빛을 잘 방출하지 못해 LED로 사용하지 못한다. LED 분야에서 가장 널리 사용되는 물질은 질화물 반도체로, 질화갈륨(Gallium Nitride)이 대표적이다. 참고로 질화갈륨 기반 LED를 개발한 공로로 아카사키 이사무 교수,  아마노 히로시 교수, 슈지 나카무라 교수가 2014년 노벨 물리학상을 수상한 바 있다. 일반적으로 질화갈륨에 알루미늄(Al)이나 인듐(In)을 섞는데, LED에서 나오는 빛의 파장은 반도체의 띠틈에 의해서 결정되기 때문이다. 질화갈륨에 인듐을 섞으면 띠틈이 작아지고, 빛의 파장이 길어진다. 반면 알루미늄을 섞으면 띠틈이 커져 빛의 파장이 짧아진다. 알루미늄을 많이 넣으면 UV LED도 만들 수 있는데, 살균하거나 물을 정화하는 데 쓰일 수 있다.

레이저 포인터는 빨간색, 녹색, 청색 등 한 가지 색깔을 방출하는 LED로 만들 수 있다. 그러나 우리가 가정에서 사용하는 LED는 특정한 색깔을 갖지 않고 백색광이다. 어떻게 해야 할까? 물감은 여러 색깔을 섞을수록 어두워지지만, 빛은 반대로 여러 색깔을 섞을수록 하얘진다. 백색광을 LED로 만들기 위해 가장 일반적으로 사용되는 방법은 청색 LED에 형광체(phosphor)를 섞는 것인데, 청색 LED가 형광체를 통과하면서 더 긴 파장의 빛이 나오게 된다. 각기 다른 색깔을 방출하는 LED를 한꺼번에 방출해서 백색광을 만들 수도 있다.