LED는 전계 발광형, 발광형 반도체 소자이나, LCD의 후면 광원(back-light)으로 사용이 되고, 또한 LED들을 배열하여 아웃 도어용 디스플레이, 즉 LED 디스플레이로 운영 중이며, 최근에는 디스플레이의 화소 만큼이나 작은 LED 칩들을 유리 기판 등에 전사하여 인 도어용 TV나 모바일 기기, 혹은 마이크로 디스플레이로써 이용하고자 하는 마이크로 LED 기술로서 개발, 일부 제품화가 시작되고 있어서 디스플레이로써 분류, 소개하고자 합니다. LED 칩은 p형과 n형 반도체의 이종 접합(hetero-junction) 구조를 가지는데, 순방향으로 전압을 인가하죠. 그러면 n형 반도체의 전극으로부터 주입된 전자와 p형 반도체로 주입된 정공이 각각의 반도체 영역, 즉, 서로 다른 에너지 대역으로 이동을 하여 p-n 접합부에 부근에서 밴드갭을 넘어 결합을 하는데, 이 때 밴드갭에 해당하는 에너지가 빛으로 방출됩니다.
화합물 소재의 에너지 준위, 밴드 갭에 따라서 빛의 색깔이 달라지며, 빛의 밝기는 전류에 비례합니다. 효율이 높고 수명이 수만 시간 이상으로 매우 길죠. 단일 소자들로는 광 통신이나 단일 광원 등으로 이용되고, 이를 어레이로 만들어서 조명이나 디스플레이에 활용 중입니다. 또한 소재 선택에 따라 가시광선은 물론, 자외선, 적외선 영역의 발광까지도 가능합니다. 범용화된 소자, 소재들을 나열하여 보면, AlGaAs는 적외선이나 빨간색, AlGaInP는 오렌지색, 노란색, 녹색, AlGaN, GaN, InGaN 등은 녹색, 파란색, 보라색, 그리고 자외선, GaAsP는 노란색, 빨간색, 오렌지색, GaP는 빨간색, 노란색, 녹색, ZnSe는 녹색, 파란색 등이 있으며, 기판으로는 주로, 사파이어와 탄화 규소 등이 사용되며, 규소 기판은 개발 중입니다.
화합물 소재의 에너지 준위, 밴드갭에 따라서 빛의 색깔이 달라지며, 빛의 밝기는 전류에 비례합니다. 효율이 높고 수명이 수만 시간 이상으로 매우 길죠. 단일 소자들로는 광 통신이나 단일 광원 등으로 이용되고, 이를 어레이로 만들어서 조명이나 디스플레이에 활용 중입니다. 또한 소재 선택에 따라 가시광선은 물론, 자외선, 적외선 영역의 발광까지도 가능합니다. 범용화된 소자, 소재들을 나열하여 보면, AlGaAs는 적외선이나 빨간색, AlGaInP는 오렌지색, 노란색, 녹색, AlGaN, GaN, InGaN 등은 녹색, 파란색, 보라색, 그리고 자외선, GaAsP는 노란색, 빨간색, 오렌지색, GaP는 빨간색, 노란색, 녹색, ZnSe는 녹색, 파란색 등이 있으며, 기판으로는 주로, 사파이어와 탄화 규소 등이 사용되며, 규소 기판은 개발 중입니다.
LED는 1907년, 고체상의 재료에서 빛이 방출되는 현상을 우연히 발견한 실험으로부터 비롯됩니다. 1920년대 중반에 처음으로 독립적인 LED 발광 소자가 만들어졌으며, 1962년에 미국의 제너럴 일렉트릭(General Electric, GE)에서 붉은 가시광선이 나오는 실용적인 LED를 최초로 개발하였습니다. 개발 직후에는 주로 계측, 측정 장비의 표시등으로 사용되었으며, 1970년대 초반에는 7 세그먼트 표시 장치에 사용되었습니다. 이후 다양한 반도체 재료의 개발로 노랑과 초록, 주황색 등을 내는 LED들이 출현하여 여러 표시 소자에 사용되면서 일상으로 보급되었습니다. 초기에는 낮은 주파수 대역의 빛들을 주로 만들었으며, 가격도 매우 높았습니다. 1990년대 초반에 일본에서 GaN(Gallium Nitride) 기반의 청색 LED 개발에 성공하였고, 이를 토대로 효율적인 녹색 LED까지 개발이 되어 빛의 3원색을 LED로 구현할 수 있게 되었으며, 또한 백색 LED까지 만들어집니다.
이와 같이 LED의 개발이 빨강, 초록, 파랑 순으로 개발된 이유는 발생되는 빛 에너지의 크기 차이로, 에너지가 작은 물질이 다루기가 상대적으로 용이하기 때문입니다. 특히 빛의 3원색으로 디스플레이를 커버할 수 있는 빨강, 파랑, 초록 LED의 개발 과정이 흥미롭습니다. 즉, 1980년대 중순까지 빨강 LED는 실용화되었지만, 실용성이 있을 정도로 높은 휘도를 갖는 파랑 LED는 출현하지 못하였습니다. 그리고 노랑이 섞인 초록 LED는 있었지만, 순수한 초록 LED는 파랑 LED 이후에 역시 GaN계 재료를 통하여 얻어지면서 비로소 LED로 RGB가 구현되었죠. 그리고 백색 LED의 개발도 만만치 않았습니다. 백색은 연속된 스팩트럼의 색들이 얻어져야 가능한 색이므로 특정 파장을 내는 LED로 구현하기에는 한계가 있습니다. 주로 형광체를 이용하고 있으며, 혹은 RGB 3색의 LED를 묶어서 백색을 얻는 경우도 있습니다.
1990년대 중반에 빨간색 LED의 광 효율이 백열 전구 수준을 넘었고, 2000년대에 들어서면서 형광등 수준을 능가함으로써 조명과 LCD의 BLU(Back Light Unit)에 본격적으로 이용됩니다. 2004년에 소니에서 최초로 LCD TV에 LED BLU를 적용하였고, 이후 LED BLU를 채택한 LCD TV는 ‘LED TV’라는 브랜드로 확산, 보급되면서 종래의 후면 광원이었던 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)는 더이상 사용되지 않게 되었습니다. 최근에는 LED 칩들을 더욱 소형화시켜, 칩의 크기가 100~50 마이크론 이하인 RGB LED들을 디스플레이의 화소에 배열함으로써 영상을 만들어내는 마이크로 LED로 진화하였고, 2018년에 국제전자제품박람회(CES)에서 삼성전자는 146 인치 크기의 마이크로 LED TV를 선보인 바 있습니다. 현재에는 삼성전자 등에서 초기 제품을 출하, 시장을 확장하여 가고 있죠. 따라서, 향후 TV의 세계는 현재 거의 완성된 OLED TV와, 여전히 진화 중인 QLED TV, 그리고 막 태어난 마이크로 LED TV의 격전지가 될 듯 합니다. 이에 대해서는 후에 좀 더 소상히 기술하겠습니다. LED, 디스플레이의 주변에서 중심으로의 화려한 이동, ‘마이크로 LED’를 기억하세요.
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# 더! 생각해보기
a. LED는 어떻게 빛을 만들까
b. LED는 빛을 내는 반도체 칩 형태에서 어떻게 디스플레이에 기여하여 왔을까
c. LED는 디스플레이의 조력자에서 실제 주연 배우가 될 수 있을까. 어떤 과정으로 어떻게 발전할까
# 수식과 이론, 퀴즈
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