LED(light-emitting diode; 발광 다이오드)의 구성

LED와 관련하여 조명, 램프, 칩, 패키지, 모듈 등의 용어를 접하게 됩니다. 이를 정리해 보았습니다. 하다보니 반도체를 만드는 이야기부터 해야겠네요.

 

인곳(ingot)

단결정 실리콘의 인곳 {출처: CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=314282}

 

LED는 반도체의 한 종류입니다. LED는 전기에너지를 빛에너지로 전환합니다. LED가 반도체로 만들어지다보니 만드는 과정도 크게는 반도체 소자를 만드는 공정을 따르게 됩니다. 반도체 소자를 만들기 위해서는 재료가 있어야 합니다. 반도체 소자를 만들기 위해 반도체 재료를 덩어리로 만들어 놓은 것이 인곳(ingot)입니다.

 

웨이퍼(wafer)

반도체 웨이퍼 {출처: By German Wikipediabiatch, original upload 7. Okt 2004 by Stahlkocher de:Bild:Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=928106}

 

인곳을 얇게 썬 판을 웨이퍼라고 합니다. 웨이퍼 위에 다이(die)라는 구획을 만들고, 구획 안에 하나의 소자가 될 회로를 만듭니다. 트랜지스터와 같은 단일 소자를 만들 수도 있고, 여러 개의 트랜지스터로 구성된 집적회로(IC: Integrated Circuit)를 만들 수도 있습니다. LED의 경우에는 한 가지 색을 내는 것은 단일 소자로 만들고, 3색을 내는 RGB LED는 세 개의 소자를  하나의 다이 안에 만듭니다. 위 사진은 다이에 회로가 만들어진 후의 웨이퍼의 모습입니다. 

 

다이(die)

IC 소자 내에 있는 다이 {출처: By Ioan Sameli - https://www.flickr.com/photos/biwook/153056995/, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1248592}

 

위 사진은 마이크로컨트롤러(microcontroller)의 속을 들여다보기 위해 분해한 것입니다. 가운데에 공장 건물처럼 생긴 것이 다이(die)입니다. 가는 전선은 다이와 핀을 연결합니다. 다이를 잘라내어 패키징(packaging) 공정을 거쳐 트랜지스터, 다이오드, IC와 같은 소자(device)가 만들어집니다.

 

RGB LED 속에 있는 3개의 다이 {출처: By Sven Killig - Self-photographed, CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15320589}

 

위 사진은 RGB LED에 불이 켜져 있는 모습입니다. GRB LED란 하나의 패키지에 Red, Green, Blue 세 개의 다이를 넣어 여러 색을 표현할 수 있게 만든 것입니다. 1개의 다이가 들어 있는 LED 패키지는 한 가지 빛만 낼 수 있습니다.

칩(chip)

웨이퍼에서 다이를 잘라낸 것을 칩이라고도 부릅니다. 

 

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지금부터는 LED에 초점을 맞추어 설명합니다~.

 

패키지(package)

LED도 반도체 소자이기 때문에 다른 반도체의 패키징과 같이 패키징이 끝난 것을 LED 패키지(package)라고 합니다. 실제로 전원을 가하여 불이 켜지는 상태까지 만들어진 것입니다. 이대로 쇼핑몰에서 구입할 수 있는 상품이 됩니다. 이때부터는 다른 전자 부품처럼 소자(device)라고 부르기도 합니다. LED는 형상에 따라 크게 2가지의 패키지로 나누어집니다.

 

(1) 램프형 LED 패키지

램프 타입 LED 소자 {출처: CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=242439}

 

납땜할 수 있는 다리가 나와 있는 형태입니다. 연상되는 모양을 따라 '총알형', '포탄형'으로 불리기도 합니다. 윗부분이 평면인 것, 오목한 것도 있습니다. 원통형 뿐만 아니라 각진형도 있습니다.

 

(2) 면 실장(SMD: surface mount device)형 LED 패키지

아두이노 보드에 있는 SMD형 LED 소자 {보드 LED_ON_2022-07-23.JPG}

 

모양이 칩과 같다고 하여 일반적으로 칩 LED라고 합니다. 위의 사진은 인쇄회로기판(PCB: printed circuit board)에 납땜되어 있는 SMD LED에 불이 켜진 모습입니다.

 

LED 모듈(module)

LED 모듈은 흔히 surface mount LED module의 배열로 만들어집니다.

{4구 LED 모듈.JPG}

 

LED 모듈은 인쇄회로기판에 LED와 주변 부품을 연결해 놓은 것입니다. 이 상태로 전원을 연결하면 동작합니다. 여러 개의 모듈을 연결하여 가게 유리창 테두리에 불을 밝히는 것을 쉽게 볼 수 있습니다. 

 

{5V LED바_modified_2021-01-21.JPG}

 

위 사진은 바(bar)형 LED 모듈입니다. 바형 LED 조명에 사용됩니다.

 

LED 조명(lamp)

{출처: By Zátonyi Sándor, (ifj.) Fizped - Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41887069}

 

위는 전구형 LED 조명(lamp)입니다. 규격에 맞는 소켓에 끼우기만 하면 불을 켤 수 있습니다. 분해한 모습은 아래와 같습니다.

 

{출처: By Dmitry G - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=28504226}

 

불이 켜져 있는 기판이 모듈입니다. 이외에 전압을 맞추어주는 회로와 커넥터 등이 포함되어 있습니다.

 

바형 LED 조명 {7.27. 켜지는지 확인_modified_2021-04-14.JPG}

 

위 사진은 바(bar)형 LED 조명입니다. 안에는 바형 LED 모듈과 220V 교류를 12V 또는 5V 직류로 변환시키는 전원회로가 들어 있습니다. 

 

조명? 램프? 등기구? 전등?

조명(lamp)는 등기구와 전등을 합한 개념입니다. 형광등 조명의 경우에는 등기구와 전등이 분리되어 이해하기가 쉽습니다. 형광등 조명에서는 전등이 수명이 다하면 형광등 전등만 갈아 끼우면 됩니다. 반면, LED 조명은 대개 등기구와 전등이 분리할 수 없도록 결합되어 있습니다. 그래서 LED 조명 중 모듈(전등에 해당)이나 전원회로(등기구에 해당) 둘 중 하나만 고장이 나더라도 LED 조명을 통째로 못 쓰게 됩니다.

 

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이상으로 재료부터 조명까지 LED에 대해 알아 보았습니다.