4장 LED 레포트

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2010.03.13 / 2019.12.24
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목차: 실험예비레포트

실험 목적
1. 발광다이오드란?

2. 반도체 발광소자의 특징

3. LED의 구조
4. LED광원의 특징
5. LED의 특성
6. LED 표시 소자
7. 실험 과정

실험 4. 광전소자

1. 적색과 녹색 발광 다이오드(LED)들에 대한 자료를 얻는다.
2. 7-세그먼트(senen-segment) 지시기로 숫자를 표시한다.
3. 광결합기를 통하여 신호를 전달한다.

1.
실험 목적
발광다이오드란?
반도체 다이오드에 순방향의 전류를 흘리면 N형 반도체의 전자가 P형 반도체의 정공과 PN 접합부에서 재결합(recombination)하면서 빛이 발생되는 과정으로 [그림 1]과 같은 원리로 빛이 발생한다.

[그림 1] 전자-정공쌍의 재결합에 의한 자발방출

이때 전류가 약하여 밀도반전(Population Inversion)이 일어나지 않을 때에는 유도 방출이 안되고 자발방출에 의한 빛만 발생하게 되는데 이 소자를 발광다이오드(LED : Linght Emitting Diode)라 한다.
반도체 발광소자는 발광다이오드와 레이저 다이오드(LD : Laser Diode)로 나눌 수 있다. 발광다이오드는 발광과정으로 자발방출을 사용하고 있으며, 그 출력광은 incoherence한 빛이다. 반도체 레이저는 발광 과정으로서 유도방출을 사용하고 있으며, 따라서 그 출력광은 coherence한 빛이다.

2. 반도체 발광소자의 특징
(1) 다른 발광 장치에 비해 소형이고 경량이다.
예를 들면 1mW 출력의 He-Ne 레이저 크기는 대략 30mmφx250mm이지만, 반도체 발광 장치의 하나인 반도체 레이저는 수십 mW 출력의 소자라도 대략 0.3mm x 0.4mm x 0.15mm로 대단히 적다.

(2) 변조가 쉽고 빠른 변조가 가능하다.
반도체 발광소자는 반도체로의 주입전류(전자와 정공)에 의해서 일어난다. 따라서 전류를 변화시키면 빛의 강도나 주파수가 변화한다. 이처럼 변조가 쉽다는 성질 때문에 광통신용으로 개발되고 있다.

(3) 단위면적, 단위 입체각에서의 발광 파워가 크다.
(4) 소비전력이 적다.

특징
발광다이오드
반도체 레이저
스펙트럼폭
넓다(30~120nm)
좁다(10nm~0.01nm)
집광성
나쁘다
좋다
광파이버 입력파워
적다(~0.02mW)
크다(~1mW)
변조속도
작다(~100MHz)
크다(~수 GHz)
광출력 제어
불필요하다
필요하다
<표 1> 발광다이오드와 반도체 레이저의 특성 비교

3. LED의 구조
LED의 발광기구는 크게 나누어

(1) 자유 캐리어의 재결합에 의한 것
(2) 불순물 발광중심에서의 재결합에 의한 것

발광다이오드는 종래의 광원(光源)에 비해 소형이고, 수명은 길며, 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율이 좋다. 또한 고속응답이라 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용 광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프 숫자표시 장치나 계산기의 카드 판독기 등에 쓰이고 있다.
가시광선 스펙트럼은 각각의 색깔에 해당하는 파장을 보여주고 있는데 적색에 가까울수록 긴 파장을 보라색에 가까울수록 짧은 파장을 나타내며 파장이 짧을수록 좀더 많은 에너지가 필요하다. 다음 [표 2]는 LED의 파장대별 발광색을 나타내었다.

Color
파장(nm)
Color
파장(nm)
Violet
400~430
Amber
590~595
Blue
430~480
Orange
600~615
Green
490~530
Orange-Red
620~640
Yellow
550~580
Red
645~700
<표 2> LED의 파장대별 발광색

4. LED광원의 특징
단파장의 발광다이오드는 아래에 나타낸 것과 같은 뛰어난 특징을 갖고 있다 환경 친화적이고 안전한 새로운 고체소자 조명광원으로서 21세기를 향하여 그 실용화가 기대된다.

(1) 광변환 효율이 높기 때문에 소비전력이 매우적다.(전구의 1/8, 형광등의 1/2)
(2) 작은 광원이기 때문에 소형화, 박형화, 경량화를 할 수 있다.
(3) 수명이 길다.(50~100배)
(4) 열적 방전적 발광이 아니기 때문에 여열시간이 불필요하여 점등, 소등 속도가 매우 빠르다.(200만배)
(5) 점등회로, 구동장치 등의 기구를 간이로 할 수 있어 부속품이 적게 든다.
(6) 가스, 필라멘트가 없기 때문에 충격에 강하고 안전하다.
(7) 안정적인 직류 점등방식을 위한 소비전력이 적고 빠른 반복, 펄스 동작이 가능하고 또한 시신경의 피로를 저감할 수 있다.
(8) intelligent 조명광원이다.
(9) 수명이 반영구적이기 때문에 쓰레기를 발생시키지 않는다.
(10) 형광등과 같은 수은, 방전용 가스를 사용하지 않기 때문에 환경 친화적인 조명광원이다.

5. LED의 특성
기기나 부품에서 열화(烈火) 또는 파괴를 방지하기 위해 설정하는 최대 허용치, 특히 반도체 소자의 경우 최대정격(最大定格: maximum rating) 온도가 초과되면 특성이 변하여 파괴되는 일이 있으므로 주의해야 한다.
LED는 일반적으로 최대정격의 60%이하에서 사용하는 것이 바람직하다. 다음에 열거하는 항목 중 2항목이상을 최대정격의 60% 이상에서 사용하는 경우는 LED가 열화할 우려가 있으므로 피하는 것이 좋다. LED 제조회사에서 나온 데이터 북에는 다음 항목의 최대정격이 실려 있다.
●직류 순방향 전류
●펄스 순방향 전류
●역방향 전압
●허용손실
●동작온도
●보존온도
●리드 납땜온도 등
▶ V-I(전압-전류)특성
LED는 순바이어스에 의해 동작하는 소자로써 공급되는 전원에 따라 출력은 비례하여 증가한다. 일반적으로 드레시홀드 전압(threshold voltage)은 LED의 재료에 따라 달라지며, GaAs는 약 1.0V, GaAsP는 1.5V, GaP(적색)은 1.8V, GaP(녹색)은 2V이며, 고휘도 LED의 경우는 더욱 높아진다. 다음 [그림 3]은 V-I 특성과 V-T 을 나타내었다.

[그림 5] 전압-전류 특성 전압-온도 곡선

6. LED 표시 소자
발광 다이오드에는 점(點) 발광 소자 외에 반사판과 함께 2개 이상의 소자를 조합한 면 발광 타입도 있어 전자 회로의 광원 및 표시등, 경고등 같은 것에 널리 이용된다. 점과 면의 발광을 조합해서 기호 또는 숫자를 표시하는 디스플레이 소자도 있다.
디지털 표시 시계 및 디지털 테스터, 수신기의 다이얼, 계산기 등에 이용되는 LED표시 소자가 잘 알려져 있다. 이것에는 미세한 점 발광을 이용해서 글자 및 기호를 표시하는 도트 표시 형식과 7세그먼트 표시형식이 있다.

[그림 4] 7-세그먼트
[그림 4]은 이 7세그먼트(선분)의 숫자 표시 소자로서, 각 세그먼트의 선은 한 줄당 하나씩 미니 발광 다이오드 칩으로 되어 있어서 빛이 금속표면에 반사되면 표면의 플라스틱 세그먼트가 빛나게 된다. 각 발광 다이오드는 디코더 IC에 의해 제어되어 숫자의 형태로 빛나게 되는데, 예를 들어 ABCDG에 전류가 흐르면 “3”을 표시하게 된다.

7. 실험 과정
1. 실험장비 및 재료
가. 전원공급장치2대 : 15V용1대, 다른하나는 적어도 1-15V까지 가변가능
나. 기기 : 디지털 멀티미터, VOM
다. 저항기 : 1W270Ω 2개
라. 다이오드 : 1N914(또는 등가 소신호 다이오드)
마. 적색 LED : TIL221
바. 녹색 LED : TIL222
사. 7-세그먼트표시기 : TIL312
아. 광결합기 : 4N26

2. 적색 LED에 대한 데이터

실험 시작전

발광다이오드에 불이 들어오기 시작 할 때

10mA일때

20mA일 때

30mA일 때

40mA일 때

LED가 5mA일 때부터 불이 들어오고 LED에 걸리는 전압은 전압이 높아져도 1.66V가 걸립니다. 1.66V는 LED의 순방향 전압 강하 [ forward voltage drop ] 값이다.

본문내용: 실험예비레포트

학과
전기공학과
학번
04509043
학년
3학년
이름
한태현

실험 4. 광전소자

1. 적색과 녹색 발광 다이오드(LED)들에 대한 자료를 얻는다.
2. 7-세그먼트(senen-segment) 지시기로 숫자를 표시한다.
3. 광결합기를 통하여 신호를 전달한다.

1.
실험 목적
발광다이오드란?
반도체 다이오드에 순방향의 전류를 흘리면 N형 반도체의 전자가 P형 반도체의 정공과 PN 접합부에서 재결합(recombination)하면서 빛이 발생되는 과정으로 [그림 1]과 같은 원리로 빛이 발생한다.

[그림 1] 전자-정공쌍의 재결합에 의한 자발방출

자료평가

도움이 잘 되었네요 감사합니다
grap***
(2022.05.07 16:03:20)

돈아까움 ㅡ ㅡ 뭥미
minsu1***
(2010.03.29 23:21:11)

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