Flashlight Story 7
- LED 라이트에 대해서 -
3. LED의 구조
위 사진은 다양한 형태의 LED입니다.
이들은 비교적 우리 주위에서 많이 볼 수 있는 LED들로 그 응용범위는 신호용 인디케이터나 라이트용으로 사용되고 있습니다.
특히 위 사진에서 왼쪽으로 5번째의 원형 적색 LED는 전체 LED 생산에서 약 80%를 차지하고 있는데,
앞서 말씀드린 것처럼 휴대용 라이트용으로 사용되는 LED는 지극히 적은 비중을 차지하는 것에 지나지 않으며,
전통적으로 이 분야에 주력하고 있는 니치아 등의 메이커들이 비록 고출력 LED 라이트 시장에서는 별로 언급이 되지 않지만 전체 LED 시장에서는 상당한 비중을 차지하고 있습니다.
각각의 형태나 크기에서는 조금씩 차이가 있기는 하지만,
LED는 그 구조에서는 큰 차이가 없습니다.
위 그림은 LED의 구조를 간단하게 설명한 것입니다.
원형의 빨간색 덮개는 수지재질의 투명 덮개이며,
그 안에는 각각 플러스/마이너스 극의 막대가 있고,
그 양끝은 서로 떨어져 있으며,
와이어로 연결된 오목한 부분에서 빛이 발생하게 됩니다.
이를 조금 더 자세히 살펴 보면 다음과 같습니다.
두 전극 막대인 애노드와 캐소드는 와이어로 연결되어 있는데,
이 두 막대의 간격에 의해 색상이 차이가 나기도 합니다만,
이는 화이트 LED가 아닌 색상 LED에 해당됩니다.
그런데 1W급 이상의 파워 LED가 되면,
발광시 발생하는 열을 분산시키기 위해 힛싱크를 마련해 주어야 하므로 그 외형에 변화가 있는데,
구조상의 차이는 없고 열을 분산시키기 쉽게 너비가 커지는 형태를 취하게 됩니다.
(사진: 룩시온 1 에미터)
그래서 실제로는 위 사진과 같은 형태를 갖추게 됩니다.
위사진에서 칩부분에 대한 상세한 도표 설명은 다음과 같습니다.
위 표는 적외선 LED를 이용하여 색상 LED를 만드는 것을 설명한 것인데,
(적외선 파장의 LED는 별도의 조합없이 만들 수 있으며 적색, 청색, 황색도 그러합니다.)
여기에 각종 형광체 분말을 조합하여 원하는 색상을 만들어 냅니다.
그런데 여기서 라이트용의 화이트 LED를 만들려면,
다른 색상 LED 위에 인광물질 등을 코팅하여 색온도로써 백색을 내게 됩니다.
위 도표의 a 는 화이트 LED의 기본적인 구조이고,
(보통 화이트 LED의 기반은 블루 LED입니다만, 그 외의 방법도 있습니다.
여기서는 블루 LED를 기반으로 설명하였습니다.)
b 는 칩부분을 확대한 것인데,
오목한 부분에 놓인 칩 위를 인 등의 형광물질을 채우게 됩니다.
그 후에 전극에 전류를 넣으면 인의 분자가 반응하게 되면서 빛이 발생합니다.
그런데 인의 반응을 촉진시키기 위해서는 온도가 높아져야 하므로
열방사와는 원리가 다르더라도 파워 LED들은 전류량이 높아지며,
이 전류가 더욱 많은 빛에너지로 바뀌게 되는 것입니다.
그러므로 발열이 심한 LED가 더 좋다라는 것도 틀린 것은 아닙니다만,
최근에는 이러한 부분이 많이 개선되었습니다.
그리고 결정적으로 LED를 랭크로 구분하는 비닝은 LED 칩의 소성과 그 위에 코팅되는 형광물질의 두께, 소성, 양과도 관계가 있습니다.
통상적인 LED 칩의 크기는 위 도표에서 보듯이 가로,세로가 각각 0.5mm 정도가 됩니다.
(면적은 0.5mmX0.5mm= 0.25㎟ )
그러므로 이 위에 형광물질을 코팅한다는 것은 깨알보다 더 작은 부분에 바늘끝 등으로 물감을 살짝 묻혀 주는 것과 비슷한 초정밀 작업이 되며,
그로인해 어느 정도의 오차가 발생하기 마련입니다.
또한 LED 제조 과정에서 이러한 조그마한 오차들이 공정에 반영되어 실제 제품이 나오게 되면,
각각의 개별 편차를 지니게 되는데,
현대의 마이크로 기술로도 이를 감수해야 하며 본격적인 나노 기술 시대가 된다면 보다 나아질 것입니다.
위 사진은 LED 칩 부분을 확대한 사진입니다.
여기서 사각 접시의 바닥이 가로,세로 각각 0.5mm 라고 생각하면 될 것입니다.
이처럼 LED는 그 제조에 있어 다소의 오차를 포함하고 있으므로 같은 틴트의 같은 랭크가 나온다는 것이 이상할 정도입니다.
특히 블루 LED 라이트를 보아도 각각의 편차가 있는데,
이를 조합하여 만든 화이트 LED는 그 편차가 더 심하다고 보아야 할 것입니다.
물론 최근에는 과거보다 동일 제품간의 편차가 적어지기는 했습니다만,
아직도 제품간 편차는 존재하는데 이는 현재로서는 구조적인 불가항력이므로 팔자려니 하고 받아 들이는 것이 정신 건강상 매우 유익할 것으로 사료됩니다.
이와 관련된 사항을 덧붙일 것이 있는데,
하단의 도표를 보시기 바랍니다.
위 도표는 색온도와 스펙트럼에 의한 색상 비교입니다.
중간에 1,500 ~ 10,000 까지의 수자를 잇는 선이 플랭크 영역이 됩니다.
(이는 물리학적으로는 매우 중요한 것 같은데 저도 이해가 안되니 생략하겠습니다.)
이 도표에서 백색으로 볼 수 있는 영역은 색온도상으로 약 4,000 ~ 10,000K 에 해당됩니다.
즉 우리가 화이트 LED 라고 하는 것은 이 영역의 색온도값을 가지고 있다고 보면 되는데,
다음 도표를 통해 색온도를 살펴 보시기 바랍니다.
* 1,700 K: 성냥불
* 1,850 K: 촛불
* 2,800 K: 백열전구(텅스텐 필라멘트)
* 3,400 K: 스튜디오 조명
* 4,100 K: 달빛Moonlight
* 5,000 K: 주간의 일사광선
* 5,500 K: 평균적인 주간의 일사광선, 플래시라이트
* 9,300 K: TV screen(브라운관)
햇빛이 5,000K 정도이니깐 이 정도면 일단 화이트라고 할 수 있습니다만,
실제로 화이트 LED는 6,500K를 기준으로 하여
그 이하이면 웜화이트, 그 이상이면 페일화이트라고 하며 대체로 8,000K 근처를 말합니다.
이두가지 화이트색상을 이렇게 스펙트럼으로 연속된 그래프로 보게 되면 중간의 경계가 구분이 안되지만,LED 라이트를 개별로 놓고 비교하면 그 차이가 상당한 편입니다.
그래서 우리가 백색이라고 하는 것은 5,500K면 충분하다고 볼 수 있고,
서양 사람들 경우는 웜화이트를 선호한다고 합니다만,
흔히 약간 파르스름한 기운이 도는 백색인 페일화이트(차가운 느낌을 줍니다)를 선호하는 경향이 있읍니다.
어쨌든 화이트 LED는 기본적으로 색상의 온도로 구분되는 것이며,
그 기반이 블루 LED에 있으므로 스펙트럼 자체가 짧습니다.
이는 거꾸로 생각하면 가시광선 만을 방사하므로 쓸데없이 에너지를 낭비하지 않아 효율면에서는 우수하다고 할 수 있습니다만,
다른 관점에서 보자면 이는 가청영역 만을 남기고 나머지 음원을 생략하는 MP3 형태가 됩니다.
(음원 파일인 MP3는 원음원인 CD 등으로부터 가청영역만을 추출하는 방식입니다)
그래서 MP3보다는 CD의 음원이 풍부한 것처럼 LED 보다는 백열광의 광원이 더 풍부하다는 것이 되는데,
이는 LED가 주로 가시영역을 겨루는 일반 라이트 영역에서는 이점도 많고 백열전구 등과 어깨를 나란히 할 만 하지만,
보다 넓은 스펙트럼과 에너지를 요구하는 스튜디오, 촬영용, 그 외의 특수 조명 분야에서는 활용도가 떨어지게 되므로 아직은 LED조광을 기피하고 있읍니다.
출처: http://www.ohled.com/20070504004 작성자: curse
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