1. LED란 무엇인가?
LED(발광 다이오드, Light Emitting Diode)는 전류가 순방향으로 흐를 때 빛을 방출하는 반도체 소자입니다. 전자와 정공이 재결합할 때 광자를 방출하는 원리를 이용하며, PN 접합 구조는 일반 다이오드와 동일합니다. 다만 반도체 물질(갈륨, 인, 질화물 등)의 조합에 따라 다양한 색상의 빛을 낼 수 있고, 낮은 소비 전력과 긴 수명 덕분에 조명·표시등·디스플레이 등 광범위한 분야에서 사용되고 있습니다.
2. LED의 작동 원리와 기본 사용 방법
(1) 순방향 전압과 전류
LED에는 양극(Anode)과 음극(Cathode)이 있으며, 보통 길이가 긴 다리가 양극(+), 짧은 다리가 음극(-)입니다.
- 순방향 전압(Vf): LED가 켜지기 시작하는 전압.
- 순방향 전류(If): LED가 정상 동작하며 빛을 내는 전류. 일반 범용 LED는 보통 10~20mA
(2) 직렬 저항(R)의 필요성
LED는 특정 전압 이상에서 전류가 급격히 늘어나므로, 과전류로 인한 손상을 방지하기 위해 반드시 직렬 저항을 삽입해야 합니다.
예) 5V 전원, LED Vf=2V, If=10mA(0.01A)일 때,
(3) 극성 주의
LED는 극성 소자이므로, 양극(+)을 전원 측에, 음극(-)을 저항 거쳐 접지(GND) 측에 연결해야 합니다. 반대로 연결하면 빛이 나지 않고, 심하면 LED가 파손될 수 있습니다.
(4) 전력 및 발열 관리
LED도 전력(P = V×I)을 소비하므로, 발열이 발생합니다. 고출력(High Power) LED는 방열판 등으로 열을 분산시켜야 하며, 과열 시 광효율 저하 및 수명 단축이 발생합니다.
3. LED의 종류
(1) 칩 LED(SMD LED)
- 칩 형태(Surface-Mount Device)로 PCB에 표면 실장
- 소형화·자동화 공정에 유리해 휴대폰, TV, 조명 모듈 등에 폭넓게 사용
- 색상(빨강·초록·파랑 등)과 크기(0603, 0805 등)로 구분
(2) 램프형 LED(Through-Hole LED)
- 리드선(다리)를 통해 기판에 꽂는 DIP 형태
- 지름 3mm, 5mm 등 다양한 사이즈
- 표시등, 전광판, 간단한 시제품 등에 많이 활용
(3) 고출력(High Power) LED
- 1W, 3W 이상의 대출력 설계
- 방열판이 필수이며, 가로등·자동차 전조등·실내 조명 등에서 사용
- 특수 코팅·렌즈 등을 통해 발광 효율 극대화
(4) 멀티컬러·RGB LED
- 하나의 LED 패키지 안에 Red, Green, Blue 칩이 동시에 내장
- 각 색상의 전류를 조절해 원하는 색 구현
- 화려한 조명·디스플레이·인디케이터 등에 적용
(5) 적외선·UV LED
- 비가시광선인 적외선(IR) 혹은 자외선(UV) 파장 대역
- 적외선 LED는 리모컨 송신·광통신 등에, UV LED는 경화·살균 등 산업·의료 분야에 수요 증가
4. LED의 응용 및 사용 예시
(1) 조명 분야
- 가정용·상업용 조명: 형광등·백열등 대체
- 스트립 LED: 유연 PCB에 SMD LED 다수 부착, 간접 조명·DIY 조명 등에 활용
- 스마트 조명: RGB·무선 통신과 결합해 색상·밝기를 앱으로 제어
(2) 디스플레이와 표시등
- 7세그먼트 LED: 숫자·문자 표시 장치, 전자시계·계산기·계기판 등에 적용
- 도트 매트릭스·LED 전광판: 문자·이미지를 다수 LED 배열로 표현
- 인디케이터: 기기 전원이나 동작 상태를 소형 LED로 표시
(3) 센서와 통신
- 적외선 LED: 리모컨 송신, 근거리 IR 센서, 광통신에 사용
- 포토 인터럽트: LED와 포토 다이오드를 배치해 물체 통과 여부 감지
(4) 자동차·산업 분야
- 헤드라이트, 테일라이트, 브레이크등: 고출력 LED 적용
- 신호등·가로등: 긴 수명·낮은 유지비로 교체 수요 증가
(5) 예술·장식
- LED 스트립 라이트: 건물 외벽·무대 조명·간판 장식 등에 활용
- DIY 프로젝트(아두이노 등): 프로그래밍 제어로 LED 점멸·패턴 구현
5. LED 설계 시 주의 사항
(1) 전류 제한과 전원 설계
- 직렬 저항 혹은 CC(Constant Current) 드라이버 사용
- LED가 일정 전류 내에서 동작해야 안정적인 광 출력·수명 보장
(2) 발열과 방열
- 고출력 LED는 집중적 열 발생, 방열판·알루미늄 PCB 등으로 열 관리 필수
- 과열 시 비효율적이며, 칩 손상·노화 가속
(3) 역전압 보호
- LED는 역방향 전압에 취약, 양방향 전압 인가 가능성 있으면 병렬 다이오드 등 보호 회로 필요
(4) 색상 균일도와 칩 편차
- 특히 RGB LED에서 색 온도·밝기 편차 발생 가능
- 정밀 조명·디스플레이는 **Binning(선별 공정)**을 통해 균일도 확보
(5) 구동 주파수와 PWM
- LED 밝기 제어 시 PWM(Pulse Width Modulation) 사용
- 너무 낮은 주파수면 깜빡임이 느껴지므로 수 kHz 이상 권장
6. 결론: 빛으로 세상을 바꾸는 LED
LED는 전력 소모가 적고 수명이 길며, 색상 선택이 자유로워 과거 백열등·형광등을 빠르게 대체해 왔습니다. 조명 혁명이라 불리는 이유도 이 같은 고효율·다양성 덕분입니다. 현재는 디스플레이, 신호등, 자동차 조명, 센서 등 전자기기의 필수 요소로 자리 잡았으며, 다양한 반도체 소재·공정 발전으로 밝기·색 재현·효율이 점점 개선되고 있습니다.
LED를 회로에 사용할 때는 순방향 전압(Vf)과 목표 전류(If), 직렬 저항(또는 드라이버) 등을 적절히 설계해야 하며, 고출력 LED라면 발열 관리에도 주의해야 합니다. RGB LED나 특수 파장(적외선·자외선) LED를 사용하면 조명뿐 아니라 센서·통신·살균 등 폭넓은 기능을 구현할 수 있어, 앞으로도 LED는 조명·표시·산업 전반에서 핵심 역할을 계속 맡게 될 것입니다.
