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LED의 구조 및 작동 원리

LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드)는 전류가 흐를 때 빛을 방출하는 반도체 소자로, 전자와 정공의 재결합을 통해 광자가 방출되는 전자 발광(Electroluminescence) 현상을 이용합니다. LED의 기본 구조는 다음과 같이 구성됩니다.

 

1. PN 접합 구조:

      P형 반도체(정공이 다수 캐리어)와 N형 반도체(전자가 다수 캐리어)로 이루어져 있습니다.

      순방향 바이어스(Forward Bias)일 때 전류가 흐르며 빛을 방출합니다.

      역방향 바이어스(Reverse Bias)에서는 전류가 흐르지 않아 LED가 점등되지 않습니다.

 

 2. 방출층(Active Layer):

   특정 재료에 따라 발광 색상이 결정됩니다.

   예를 들어, GaAs(갈륨비소)는 적외선, GaP(갈륨인)은 녹색, GaN(갈륨나이트라이드)는 파란색 발광에 적합합니다.

 

3. 금속 접점 및 패키징:   

   전기 신호를 전달하고 빛을 효과적으로 방출하기 위해 금속 전극과 투명 보호층이 포함됩니다.

    패키징은 LED의 방열, 색상 혼합, 렌즈 역할을 수행합니다.

 

 

 

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- 3색 LED(RGB) 사용 시 색상 보정 방법

   RGB LED는 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 세 가지 색상을 조합하여 다양한 색상을 표현하는 LED입니다.

  하지만,   각 색상의 전압과 전류 특성이 다르기 때문에 직접 연결하면 색 균형이 맞지 않습니다.

   이를 보정하기 위해 전압과 전류를 맞춰주는 저항(Series Resistor)을 조정해야 합니다.

 

1. RGB LED의 전압 및 전류 특성 예시

일반적인 RGB LED의 순방향 전압(Vf)과 정격 전류(If)는 다음과 같습니다.

색상	순방향 전압 (Vf)	정격 전류 (If)
적색 (Red)	1.8V ~ 2.2V	20mA
녹색 (Green)	2.8V ~ 3.2V	20mA
청색 (Blue)	3.0V ~ 3.4V	20mA

이처럼 각 색상의 전압이 다르기 때문에 직접 병렬로 연결하면 밝기 불균형이 발생합니다. 이를 해결하려면 저항을 사용하여 각 LED의 전류를 조정해야 합니다.

 

2. RGB LED의 저항 계산 방법

LED에 적절한 저항을 사용하려면 옴의 법칙(Ohm's Law)을 활용하여 계산합니다.

예를 들어, 5V 전원을 사용할 경우 저항값을 계산해 보겠습니다.

 

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이렇게 계산된 저항을 각각 LED에 직렬로 연결하면, RGB LED의 색 균형을 맞출 수 있습니다.

 

-  저항의 크기(Size)와 전력(Watt) 고려

   LED 회로에서 사용하는 저항은 크기(패키지)와 전력 용량에 따라 선택해야 합니다.

 

 

1. 저항의 표준 패키지 크기

SMD(표면 실장) 저항의 일반적인 크기는 다음과 같습니다.

패키지 크기	크기 (mm)	최대 전력 (W)
0402	1.0 × 0.5	0.063W
0603	1.6 × 0.8	0.1W
0805	2.0 × 1.25	0.125W
1206	3.2 × 1.6	0.25W
2010	5.0 × 2.5	0.5W
2512	6.3 × 3.2	1W

2. 저항의 전력 소비 계산

저항의 전력(W)은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

예를 들어, 150Ω 저항에 20mA 전류가 흐를 경우:

 

즉, 0.06W 이하를 견딜 수 있는 저항을 선택해야 하므로 0402(0.063W)보다는 0603(0.1W) 이상의 패키지를 선택하는 것이 안전합니다.

 

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저항 패키지별 사용 예시

0402, 0603 → 저전력 회로, 신호 처리

0805, 1206 → LED 저항, 저전력 전압 조정

2010, 2512 → 고전류 회로, 전력 조정

 

inch 단위 표기 이고 mm(Metric) 단위 변경 시

0402 -> 1005

0603 -> 1608

0805 -> 2012

1206 -> 3216 

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LED 회로 예시

아래는 5V 전원에서 RGB LED를 제어하는 기본 회로도입니다.

 

    +5V
     │
    ├───[150Ω]───● R (Red)
    ├───[100Ω]───● G (Green)
    ├───[90Ω]────● B (Blue)
     │
    (GND)

 

위 회로는 각 LED의 순방향 전압을 고려하여 적절한 저항을 사용하여 전류를 맞춘 설계입니다.

 

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추가  내용

1. PWM 제어로 LED 밝기 조절

       단순한 ON/OFF가 아니라 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 사용하면 밝기 조절이 가능합니다.

 

예제 코드

 

int red = 9, green = 10, blue = 11;
void setup() {
  pinMode(red, OUTPUT);
  pinMode(green, OUTPUT);
  pinMode(blue, OUTPUT);
}
void loop() {
  analogWrite(red, 128);  // 50% 밝기
  analogWrite(green, 255); // 100% 밝기
  analogWrite(blue, 64);  // 25% 밝기
  delay(1000);
}

 

 

2.  RGB LED 모듈과 아두이노 인터페이스

     WS2812B 같은 개별 제어 가능한 LED 모듈을 사용하면 더욱 정밀한 색상 조정이 가능합니다.

 

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결론

LED는 전압과 전류에 따라 정확한 저항을 선택해야 하며, 패키지 크기와 전력 손실을 고려해야 합니다. 또한, RGB LED 사용 시 저항을 조정하여 색 균형을 맞추는 것이 중요하며, PWM을 활용하면 다양한 밝기와 색상을 조합할 수 있습니다.