LED의 이해

어떤 부품을 사용하기에 앞서서는 그 부품에 대하여 충분히 이해를 하여야 합니다. 충분히라는 말이 애매하기는 하지만, 어쨌든 어떤 일이 일어나고 있는지는 알아야 부품을 충분히 사용한다고 할 수 있습니다. 무엇을 하든 내가 무엇을 하고 있는지는 알아야 하지요. 그럼 LED를 충분히 자유롭고 안전하게 사용할 만큼만 이해를 해 보도록 합시다. 

 

지금부터 살펴볼 부품은 빛이 필요한 여러 곳에 사용되고 있는 발광다이오드입니다. 

 

발광다이오드(LED; Light Emitting Diode)는 다이오드(Diode)라고 불리는 반도체 부품의 일종입니다. Di-라는 접두어는 2를 나타내는데, 2개를 붙여서 만든 반도체 부품이라는 의미입니다. 

 

왼쪽은 실물 LED, 오른쪽은 LED의 회로기호입니다. 회로기호에 빛이 나는 것을 표시하고 있습니다.

 

위의 사진에서 왼쪽에 제가 가지고 있던 고휘도 백색 LED입니다. Through-hole 패키지라고 해서 긴 리드(Lead; 부품에서 나와 있는 단자 혹은 이 경우와 같은 선을 의미합니다)가 나와 있습니다. 발광부에는 렌즈(Lens)가 빛을 모아주도록 구성되어 있습니다. 오른쪽은 LED의 회로 기호(Circuit Symbol)입니다.

2개의 리드 중, 좀 더 긴 쪽이 있습니다. 회로기호에서 화살처럼 생긴 부분의 뒤쪽에 해당하며, 이것을 애노드(Anode)라고 부릅니다. 그 반대쪽, 짧은 쪽 리드, 회로 기호에서 화살머리처럼 생긴 부분을 캐소드(Cathode)라고 부릅니다. 애노드(Anode)는 양(+)극을, 캐소드(Cathode)는 음(-)극을 의미합니다. 

 

두 단자에 각각 양(+)극과 음(-)극이 존재한다는 것은 방향이 정해져 있다는 의미입니다. 그렇습니다. LED는 전류가 흐르는 방향이 정해져 있습니다. LED는 애노드 측으로 전류가 흘러 들어와서 캐소드 측으로 빠져나갑니다. 전류가 애노드에서 캐소드로 흐르기 위한 첫번째 조건이 무엇일까요? 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 애노드의 전압이 캐소드의 전압보다 높아야 합니다. 애노드 전압이 캐소드 전압보다 어느 정도 높은 경우 LED가 정방향바이어스(forward biased) 되었다고 말을 하고, 이때 LED의 불빛이 켜집니다. 반대의 경우를 역방향바이어스(reverse biased) 되었다고 하며, 이 경우에는 전류가 흐르지 않는다고 일단 생각을 하세요. 전류가 흐르지 않으니 당연히 LED는 켜지지 않습니다. 아래에 정방향바이어스 된 LED를 그림으로 표시하였습니다. 경우에 따라서 전류가 흐르기도 하고 흐르지 않기도 하니까 도체(導體)도 부도체(不導體)도 아닌 반도체(半導體)라고 불리우는 것입니다.

 

정방향바이어스(Forward Biased)된 LED의 전류흐름

 

 

LED가 정방향바이어스 되었을 때, 위의 그림에서의 $V_F$, 즉 LED의 양쪽에 나타나는 전압을 정방향전압(Forward Voltage)라고 합니다. 또 위의 그림에서 $I_F$, 정방향바이어스 되었을 때 흐르는 전류를 정방향전류(Forward Current)라고 합니다. 이것은 LED에 무제한으로 많이 흘릴 수 있는 것이 아니라 제한이 있습니다. 

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부품의 여러 가지 특성을 알려 주는 문서를 데이터시트(Datasheet)라고 합니다. LED는 종류별로 다른 정방향전압이나 최대 정방향전류를 가집니다. 이 값들은 LED의 데이터시트를 통해서 알 수 있습니다. 모든 부품을 검토할 때에는 반드시 데이터시트를 잘 살펴 보고 사용을 하도록 하여야 합니다. 

제가 가지고 있는 LED의 데이터시트를 잠시 살펴보겠습니다. 

 

데이터시트에는 부품에 대해서 알아야 할 여러 가지 특성값들이 나와 있습니다. 우리가 LED 데이터시트에서 우선 관심이 있는 값은 정방향전압과 최대 정방향전류입니다.

 

정방향전류가 20mA일 때 정방향전압은 최저 3.0V, 최고 3.4V로 나와 있네요. 정방향전류는 20mA를 넘지 않도록 하고 있습니다. 다른 LED의 Datasheet와 같은 경우에는 정방향전류와 정방향전압의 관계를 나타내는 그래프도 데이터시트에 제시가 되는데, 제가 가지고 있는 LED의 데이터시트에는 없네요. 어쨌던 20mA의 정방향전류가 흐를 때, 정방향전압은 3.0~3.4V라는 것은 이 데이터시트에서 알 수 있습니다. 같은 LED는 아니지만 아래와 같은 그래프입니다.

또 다른 LED의 데이터시트에서 발췌하였습니다. 이 LED는 20mA의 정방향전류가 흐르는 경우 1.9V 정도의 정방향전압을 갖는다고 되어 있네요.

LED의 데이터시트에서는 우선 정방향전압과 정방향전류를 눈여겨보도록 하세요. 그래야 동작하는 회로를 만들 수 있습니다. 

 

지금까지 LED에 국한해서 설명했지만, 이 내용들은 모든 다이오드에도 공통적입니다. 일반적인 전자공학 과정이라면 가장 기본적인 다이오드(Diode)에 대하여 설명하고 하나하나 차례로 넘어 가겠지만, 여기에서는 새로운 부품을 대할 때마다 그때그때 함께 이해하면서 넘어가려고 합니다. 

 

이어지는 포스트에서는 LED에 불을 밝혀 보겠습니다.