과학을 과학하다

LED의 활용영역

LED의 빛은 매우 빠르게 변조될 수 있으므로 광섬유와 빈 공간 광통신에 널리 사용됩니다. 여기에는 적외선 LED를 자주 사용하는 TV와 같은 리모컨이 포함됩니다. 광 절연 기는 LED와 광 다이오드 또는 광 트랜지스터의 조합을 사용하여 두 회로 간에 전기적 절연을 수행하는 신호 경로를 제공합니다. 이것은 의료 장비에 특히 유용합니다. 의료 장비에서 생명체와 접촉하는 저전압 센서 회로 (일반적으로 배터리 전원)의 신호는 위험한 전압에서 작동하는 기록 또는 감시 장비에서 발생할 수 있는 전기 간섭으로부터 전기적으로 절연되어야 합니다. 광 아이 솔에 이 터를 사용하여 공통 접지 전위가 없는 회로 간에 정보를 전송할 수도 있습니다.

많은 센서 시스템은 신호 소스로 빛에 의존합니다. 센서의 요구 사항에 따라 LED는 이상적인 광원입니다. Nintendo Wii의 센서는 적외선 LED를 사용합니다. 맥박 산소 측정기는 산소 포화도를 측정하는 데 사용됩니다. 일부 평판 스캐너는 일반적인 냉음극 형광등 대신 RGB LED 어레이를 광원으로 사용합니다. 3 색 조명을 별도로 제어할 수 있기 때문에 스캐너는 예열 없이 자동으로보다 정확한 색상 균형을 조정하고 얻을 수 있습니다. 마찬가지로, 스캔 중인 페이지는 한 번에 한 가지 색상의 빛으로만 비치기 때문에 센서는 끝에 흑백으로만 표시할 수 있습니다.

LED는 광 다이오드로도 사용할 수 있으므로 발광 및 감지 모두에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 손가락이나 스타일러스에서 반사된 빛을 기록하는 터치스크린에서 사용할 수 있습니다. 많은 재료와 생물학적 시스템은 빛에 민감하고 의존합니다. Glolite는 식물의 광합성을 향상하기 위해 LED를 사용하고, 살균을 위해 물 또는 기타 물질에 있는 박테리아 나 바이러스를 제거하기 위해 UV LED를 사용합니다.

스펙트럼 범위가 247nm ~ 386nm인 Deep UV LED는 물 및 공기 정화, 표면 소독, 에폭시 경화, 자유 공간 비 관찰 통신, 고성능 액체 크로마토그래피, UV 경화 및 인쇄, 광선 요법, 의료 분석 장비, DNA 흡수 등에 사용됩니다. .

LED는 전자 회로의 품질을 위한 전압 표준으로도 사용됩니다. 저전압 레귤레이터에서 제너 다이오드 대신 순방향 전압 강하 (적색 LED는 약 1.7V, 적외선 LED는 1.2V)를 확인하십시오. 빨간색 LED는 무릎 위로 가장 평평한 I 곡선을 가지고 있습니다. 질화물 기반 LED는 I 곡선이 다소 가파르기 때문에의 용도로 사용할 수 없습니다. LED의 순방향 전압은 제너 다이오드의 전류 의존성보다 훨씬 크지만 전압이 3V 미만인 제너 다이오드의 적용은 널리 보급되지 않았습니다.

저전압 조명 기술 (LED, OLED 등)은 점점 작아지고 두께가 낮은 소재를 조립하는 데 적합하며, LED 월페이퍼 형태의 광원과 내부 벽을 결합하는 실험이 진행 중입니다.

BLUE LED

1972년 스탠퍼드 대학의 Herb Marsha와 Wally Lines는 재료 과학 및 공학 박사 학위를 공부하고 있었고 마그네슘이 도핑된 질화 갈륨을 사용하여 청자색의 첫 번째 배치를 생산했습니다. LED. Marsha는 RCA 연구소에서 휴가를 보내는 동안 Jacques Pankove와 함께 일했습니다. Mar scar가 스탠퍼드 대학을 떠난 지 2 년 후인 1971년에 RCA 동료인 Pankov와 Ed Miller는 아연 도핑된 질화 갈륨의 첫 번째 청색 전계 발광을 시연했습니다. 그러나 Pankov와 Miller는 나중에 최초의 실제 GaN 발광 다이오드인 녹색 빛을 방출했습니다. 1974 년 미국 특허청은 1972년 Marsca, Lines 및 Stanford University의 David Stephenson 교수에게 특허를 부여했습니다 (미국 특허 US 3819974A). 오늘날에도 질화 갈륨의 마그네슘 도핑은 여전히 모든 상용 청색 LED 및 레이저 다이오드의 기초입니다. 1970 년대 초, 이러한 장치는 지루하고 비실용적이었으며 질화 갈륨 장치에 관한 연구는 여전히 매우 늦었습니다.

1989 년 8월 Cree는 간접 밴드 격차 반도체로 생산된 실리콘 카바이드 (SiC) 기반의 최초 상용 청색 LED를 발표했습니다. SiC LED의 효율은 0.03% 미만으로 매우 낮지만 가시광선 스펙트럼의 파란색 부분에서 빛을 방출합니다.

1980 년대 후반, GaN 에리 택솔 성장과 p 형 도핑의 상당한 발전으로 GaN 기반 광전자 장치의 현대화가 이루어졌습니다. 이를 바탕으로 Boston University의 Theodore Mustacus (Theodore Mustacus)는 1991년 고휘도 청색 LED를 제조하는 새로운 2단계 방법에 대한 특허를 획득했습니다.

2 년 후인 1993년 Nichia Corporation의 Shun Nakamura는 질화 갈륨 성장 방법을 사용하는 고휘도 청색 LED를 시연했습니다. 동시에 나고야의 ISAM Akasaki와 Hiroshi Amado는 사파이어 기판에 중요한 GaN 증착 물을 개발하고 GaN p 형 도핑을 시연하고 있습니다. 이 새로운 개발은 LED 조명에 혁명을 가져왔고 고출력 청색 광원을 현실로 만들었으며 청색광 및 기타 기술 개발을 촉발했습니다.

Nakamura 씨는 그의 발명으로 2006 Millennium Technology Award를 수상했습니다. 나카무라 씨, 아미노 히로시 씨, 아마 사기 이사 무씨가 청색 LED의 발명으로 2014년 노벨 물리학상을 받았습니다. 2015 년 미국 법원은 3개 회사가 Mustakas의 이전 특허를 침해했다고 판결하고 면허증 비용으로 1,300만 달러 이상을 지급하도록 명령했습니다.

1995 년 Cardiff University Research Institute (GB)의 Alberto Barbieri는 고휘도 LED의 효율성과 신뢰성을 연구하고 (Al Ga INGA As) "투명 접촉"에 인듐 주석 산화물 (ITO)의 사용을 시연했습니다.

2001 년과 2002년에 질화 갈륨 (GaN) LED가 실리콘 위에 성장했습니다. 프로세스가 성공적으로 시연되었습니다. 2012 년 1월 SRAM은 Plessey Semiconductors에서 실리콘 기판 및 GaN-on-silicon LED에서 성장한 고전력 INGAR LED를 생산했습니다. 2017 년 현재 일부 업체에서는 LED 제조용 기판으로 SiC를 사용하고 있지만 질화 갈륨과 가장 유사한 특성이 있는 사파이어가 보편화하여 사파이어 웨이퍼 (패턴 웨이퍼)의 형태화 수요가 감소하고 있다. 삼성, 케임브리지 대학, 도시바가 Gabon SIDED 연구를 진행하고 있다. Toshiba는 저금리 때문에 연구를 중단했습니다. 어떤 사람들은 실리콘에서 하기 어려운 에리 택솔 처리를 선택하고, Cambridge University와 같은 다른 사람들은 격자 불일치와 열팽창 계수를 줄이기 위해 다층 구조를 선택하여 LED 헤드가 고온 (크리스털)에 있지 않도록 합니다. 발열을 억제하고 발광 효율을 향상합니다. 에리 택솔 (또는 패턴 사파이어)은 나노 압착 석판인쇄로 완성할 수 있습니다. GaN은 일반적으로 리프트 오퍼 효과를 최대한 활용하기 위해 금속 유기 기상 증착 (MOCVD)을 사용하여 증착됩니다.

상업적으로 사용된 발광다이오드

가시 파장 LED의 최초 상업적 사용은 종종 백열등 및 네온램프의 대안으로 사용되며, 실험실 및 전자 장비와 같은 값 비싼 장비의 7 구분 디스플레이에서 처음으로 그리고 계산기, 텔레비전과 라디오에서 처음으로 사용됩니다. 1968년까지 가시광선 LED와 적외선 LED는 매우 비쌌고 실제 사용량은 단위당 200달러로 매우 적었습니다.

1962 년부터 1968년까지 Howard C가 이끄는 HP의 연구팀은 실용적인 LED 연구 개발 (R & D)에 참여했습니다. 저는 Boden Gerald P. P. Pigini와 Mohammed입니다. 저는 HP Labs의 HP Associates 및 Atalla입니다. 동시에 Atalla는 HP에서 GaAs, 갈륨비소 (GRASP) 및 인듐 비소 (Ines) 장치에 대한 재료 과학 연구 프로그램을 시작했으며 몬샌토와 협력하여 최초의 LED 제품을 개발했습니다. 가장 초기의 LED 제품은 1968년에 출시된 HP LED 모니터와 Monsanto LED 표시기였습니다. Monsanto는 1968년에 GRASP를 사용하여 가시광 LED의 표면 및 대량 생산에 적합한 적색 LED를 생산한 최초의 조직입니다. Monsanto는 이전에 HP에 GRASP를 제공할 것을 제안했지만, HP는 독점적인 GRASP를 확장하기로 했습니다. 1969 년 2월, Hewlett-Packard는 집적 LED 회로 기술을 사용하는 최초의 LED 장치인 HP 5082-7000 디지털 표시기를 출시했습니다. 최초의 스마트 LED 디스플레이이자 디지털 디스플레이 기술의 혁명이었으며 디지털 튜브를 대체하고 나중에 LED 디스플레이의 기반이 되었습니다.

Atalla는 HP를 떠나 1969년에 Fairchild Semiconductor에 합류했습니다. 1969 년 5월 설립부터 1971년 11월까지 Microwave and Optical Electronics Corporation의 부사장 겸 총괄 관리자를 역임했습니다. 그는 LED에 관한 연구를 계속했고 1971년에 표시등과 광학 판독기에 LED 사용을 제안했습니다. 페어차일드 옵트 전자공학은 1970년대에 각각 5센트 미만으로 상업적으로 성공한 LED 장치를 생산했습니다. 이 장치는 평면 공정으로 제조된 화합물 반도체 칩을 사용합니다 (Atalla의 표면 패시베이션 방법을 기반으로 Jean Hoerni가 개발). 칩 제조를 위한 평면 처리와 혁신적인 패키징 방법을 결합하여 페어차일드 팀은 광전자 공학의 선구자인 Thomas Brant 의지도 아래 필요한 비용 절감을 달성할 수 있었습니다. LED 제조업체는 이 방법을 계속 사용합니다.

원래의 빨간색 LED는 조명 출력이 영역을 비추기에 충분하지 않기 때문에 표시기로만 사용할 수 있습니다. 계산기의 판독 값이 너무 작아서 플라스틱 렌즈가 한곳에 조립되어 판독할 수 있습니다. 그 이후로 다른 색상도 일반화되어 장비 및 장치에 나타납니다.

트랜지스터와 같은 초기 LED는 빛을 방출하기 위해 유리창이나 렌즈가 있는 금속 사례에 캡슐화되었습니다. 최신 표시기 LED는 투명 성형 플라스틱 케이스 (관형 또는 직사각형)에 캡슐화되어 있으며 장치의 색상에 따라 색상이 지정됩니다. 적외선 장치를 염색하여 가시광선을 차단할 수 있습니다. 고전력 LED의 방열 효율을 개선하기 위해 더 복잡한 패키지가 사용되었습니다. 표면 실장 LED는 패키지 크기를 더욱 줄여줍니다. 광 커넥터는 광섬유 케이블용 LED에 연결할 수 있습니다.

초창기의 발광다이오드

전기 발광 현상은 1907년에 Marconi 연구소에서 실리콘 카바이드 결정과 고양이수염 탐지기를 통해 영국의 실험자 H.J. 에 의해 발견되었습니다. 러시아 발명가 Oleg Josef는 최초의 LED가 1927년에 제조되었다고 보고했습니다. 그의 연구는 소련, 독일 및 영국의 과학 저널에 실렸지만 수십 년 동안 이러한 발견을 하지 못했습니다.

1936 년 Georges Distorau는 황화아연 (ZnS) 분말이 절연체 위에 떠 있고 여기에 적용된 다른 전기장이 전기 발광을 일으킬 수 있음을 관찰했습니다. 그의 간행물에서 Destoriau는 종종 발광을 "잃어버린 v- 빛"으로 언급합니다. Destoria는 라듐 연구 및 발광 분야의 초기 개척자이기도 한 Madame Curie의 실험실에서 근무했습니다.

헝가리의 Zoltan Bay와 Gyorgy Szigeti는 1939년 헝가리에서 불순물을 기반으로 흰색, 노란색 흰색 또는 녹색 흰색을 방출하는 SiC 기반 조명 장치에 대한 특허를 획득했습니다.

Kurt Lehovec, Carl Accardo 및 Edward Jamgochian은 1951년에 이러한 최초의 LED를 설명했습니다. 그들은 배터리 또는 펄스 발생기 전류 소스와 SiC 결정을 사용하는 장치를 사용했습니다 (1953년 순수 결정과 비교).

1955 년 American Radio Corporation의 Rubin Braun stein은 갈륨비소 (GaAs) 및 기타 반도체 합금의 적외선 복사에 대해 보고했습니다. Braun stein은 갈륨 안티몬 화물 (GASB), GaAs, 인듐 인화물 (NIP) 및 실리콘 게르마늄 (sigh)의 합금을 사용하여 간단한 다이오드 구조를 통해 실온 및 77 켈빈에서 적외선을 관찰합니다.

1957 년 브라운 슈타인은 단거리 무선 통신 밖에서도 기본 장비를 사용할 수 있음을 증명했습니다. Kraemer Braun stein이 지적했듯이 "... 우리는 간단한 광학 링크를 설정했습니다. 레코드 플레이어의 음악은 긍정적인 것을 변조하는 데 사용됩니다. 현재로. 방출된 빛은 약간 떨어진 PBS 다이오드로 감지됩니다. 신호는 오디오 증폭기에 입력되고 스피커에서 재생됩니다. 빔을 차단하여 음악을 맘 춥니다. 이 설정을 사용하게 되어 기쁩니다. 이 설정에서는 광통신 애플리케이션에 LED를 사용하는 것이 좋습니다.

1961 년 9월, James R. Baird와 Gary Pittman은 텍사스 댈러스에 있는 Texas Instruments에서 일하면서 GaAs 기판에서 터널을 발견했습니다. 다이오드의 근적외선 (900nm) 방출. 1961 년 10월까지 GaAspn 접합 이미 터와 전기적으로 절연된 반도체광 검출기 간의 효과적인 발광 및 신호 결합이 입증되었습니다. 1962년 8월 8일 Baird와 Pittman은 연구 결과를 바탕으로 "반도체 방사 다이오드"라는 특허를 신청했으며, 이 특허는 순방향 바이어스에서 효과적으로 방출할 수 있는 떨어진 된 음극 접점을 제공합니다. 적외선. 장착된 아연 확산 pn 접합 LED를 설명하십시오. 미국 특허 및 상표국은 실험실, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs 및 Lincoln Labs에서 제출 한 공학 설명에 따라 작업의 우선순위를 정한 MIT의 GE입니다. 두 발명가는 최초의 실용적인 LED GaAs 적외선 발광입니다. 다이오드 (US 3293513)가 특허를 신청했습니다. Texas Instruments (TI)는 특허를 신청한 직후 적외선 다이오드를 제조하는 프로젝트를 시작했습니다. 1962년 10 월 TI는 순수한 GaAs 크리스털을 사용하여 890nm 광 출력을 생성하는 최초의 상용 LED 제품 (SNX-100)을 출시했습니다. 1963 년 10 월 TI는 최초의 반구형 LED SNX-110을 출시했습니다.

가시 스펙트럼 (빨간색) LED는 1962년 10 월 9일 뉴욕 Chirac에 있는 General Electric Company에서 근무하는 동안 Nick Horonac Jr.가 시연했습니다. Holonyak과 Bevacqua는 1962년 12월 1일 "Applied Physics Letters"잡지에서 이 LED를 보고했습니다. 전 Holonyak 대학원생 M. George Cranford (29세)는 1972년에 최초의 노란색 LED를 발명하여 빨간색과 주황색 LED의 밝기를 10배까지 높였습니다. 1976 T.P. Pia sol은 광섬유 전송 파장 전용의 새로운 유형의 반도체 재료를 개발하여 광섬유 통신을 위한 최초의 고휘도, 고효율 LED를 설계했습니다.

LED (Light Emitting Diode)는

전류가 흐르면 빛을 내는 반도체 광원입니다. 반도체의 전자는 전자의 정공과 재결합하여 광자의 형태로 에너지를 방출합니다. 빛의 색 (광자의 에너지에 해당)은 전자가 반도체의 밴드 격차를 통과하는 데 필요한 에너지에 의해 결정됩니다. 백색광은 반도체 장치에 다중 반도체 또는 발광 형광체 층을 사용하여 얻을 수 있습니다.

초기 LED는 1962년에 실용적인 전자 부품으로 등장했으며 저 강도 적외선 (IR) 빛을 방출했습니다. 적외선 LED는 다양한 가전제품의 원격 제어 회로에 사용됩니다. 최초의 가시광선 LED는 빨간색과 낮은 강도로 제한되었습니다. 최신 LED는 가시광선, 자외선 및 적외선 파장에 반응하여 높은 광 출력을 제공합니다.

초기 LED는 소형 백열전구를 대체하기 위한 표시기로 사용되었으며 7 구분 디스플레이로 자주 사용되었습니다. 최근에는 실내외 조명에 적합한 고출력 백색 LED가 개발되고 있다. LED가 새 디스플레이 또는 센서를 생성하고 전환 중입니다. 높은 환율은 고급 통신 기술에 도움이 됩니다.

백열 광원과 비교할 때 LED는 낮은 전력 소비, 긴 수명, 향상된 물리적 견고성, 소형화 및 빠른 스위칭 등 많은 장점을 가지고 있습니다. LED는 항공 조명, 자동차 전조등, 광고, 일반 조명, 신호등, 섬광 조명, 벽지 조명, 원예 등, 의료 기기 등 다양한 용도로 사용됩니다.

레이저와 달리 LED에서 방출되는 빛은 스펙트럼에서 일관 적이지 않으며 흑백이 아닙니다. 그러나 스펙트럼은 사람의 눈이 순수한색 (채도)처럼 보일 만큼 좁습니다. 더욱이 대부분 레이저와 달리 방사선은 공간적으로 일관성이 없어서 레이저의 매우 높은 밝기 특성에 접근하는 것이 불가능합니다.