LED 발광 원리, 전자와 정공이 만나 빛이 되는 반도체 구조

성당의 스테인드글라스는 유리에 섞은 금속 산화물이 색을 정합니다. 같은 햇빛이 들어와도 어떤 유리 조각은 붉게, 어떤 조각은 푸르게 빛나죠.

LED 발광 원리에서도 색을 정하는 것은 재료입니다. 다만 LED는 지나가는 빛을 걸러서 색을 만드는 것이 아니라, 반도체 안에서 전자와 정공이 만나는 순간에 빛을 새로 만들고 그 색이 밴드갭으로 정해집니다.

이 글은 PN 접합의 기본 동작을 소자 기초 글에 맡기고, 접합 안에서 일어나는 재결합과 발광, 양자우물, 백색 LED, 열 문제를 다룹니다. 스테인드글라스는 이미 있는 빛을 걸러 낼 뿐 빛을 만들지 못한다는 점이 LED와 다릅니다.

LED 발광 원리의 출발점, 재결합과 광자

전도대에 올라간 전자는 에너지가 높은 상태이고, 가전자대의 빈자리인 정공은 전자가 내려올 수 있는 낮은 자리입니다. 전자가 정공을 만나 가전자대로 내려앉는 것을 재결합(Recombination)이라 하며, 이때 남는 에너지가 빛 알갱이인 광자 하나로 나오면 복사 재결합입니다.

광자의 에너지는 대략 밴드갭에 해당하므로, 밴드갭이 곧 빛의 색을 정합니다. 광자 에너지와 파장은 E(eV) ≈ 1240 ÷ λ(nm)로 이어집니다. 흡수가 전자를 올리는 과정이라면 발광은 그 정반대 과정입니다.

직접 천이 밴드갭이 필요한 이유

모든 반도체가 빛을 잘 내는 것은 아닙니다. 전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 같은 운동량 위치에 있는 직접 천이(Direct Transition) 재료는 전자가 정공을 만나기만 하면 곧바로 광자를 내보낼 수 있습니다. GaAs와 GaN이 대표적입니다.

실리콘과 게르마늄 같은 간접 천이(Indirect Transition) 재료는 두 자리의 운동량이 어긋나 있습니다. 광자는 운동량을 거의 가져가지 못하므로 격자 진동(포논)이 운동량을 대신 맞춰 주어야 하고, 이 과정은 확률이 낮아 재결합 에너지가 대부분 열로 빠집니다. LED와 레이저 다이오드가 대부분 직접 천이 재료로 만들어지는 이유입니다.

그렇다고 밴드갭 크기만 맞으면 어떤 반도체든 좋은 LED가 된다고 생각하면 곤란합니다. 밴드갭이 원하는 색에 맞더라도 간접 천이라면 효율이 낮아 광원으로 쓰기 어렵습니다.

순방향 구동과 양자우물, 빛이 만들어지는 자리

순방향 구동과 이중 이종접합

LED는 PN 접합에 순방향 전압을 걸어 구동합니다. 전압이 접합의 전위 장벽을 낮추면 N쪽의 전자와 P쪽의 정공이 접합 근처로 밀려 들어와 서로를 만납니다. 전류가 흐르기 시작하는 전압은 대체로 광자 에너지에 해당하는 전압 근처입니다.

전자와 정공이 접합 영역으로 퍼져 흩어지면 만날 확률이 떨어집니다. 그래서 밴드갭이 작은 활성층을 밴드갭이 큰 두 층 사이에 끼운 이중 이종접합 구조를 써서, 전자와 정공을 활성층 안에 가둡니다.

양자우물, 얇은 층에 전자와 정공 가두기

양자우물(Quantum Well)은 활성층을 수 nm 두께로 극단적으로 얇게 만든 구조입니다. 층이 이렇게 얇아지면 전자가 가질 수 있는 에너지가 띄엄띄엄한 값으로 정해지고, 전자와 정공이 좁은 영역에 모여 만날 확률이 높아집니다.

방출되는 파장은 우물 재료의 조성과 두께로 조절합니다. 청색 LED에서는 얇은 InGaN 층을 GaN 층 사이에 끼운 양자우물이 쓰이고, 인듐의 비율을 바꾸면 발광 파장이 이동합니다.

재료에 따라 갈리는 발광색

일반적으로 청색에서 녹색 영역은 InGaN 계열의 질화물 재료가, 적색에서 황색 영역은 AlGaInP 계열의 인화물 재료가 맡습니다. 더 짧은 자외선 영역에는 AlGaN처럼 알루미늄이 들어간 질화물이 쓰입니다. 밴드갭이 클수록 파장이 짧아지는 흐름을 그대로 따릅니다.

두 재료계가 만나는 녹색에서 황록색 구간은 어느 쪽에서도 효율을 내기 어려워 흔히 그린 갭이라고 불립니다. 질화물 계열은 인듐 비율을 높여 파장을 길게 만들수록 결정 품질을 유지하기 어렵고, 인화물 계열은 파장이 짧아질수록 밴드갭이 직접 천이에서 간접 천이로 바뀌어 효율이 떨어집니다.

백색 LED, 청색 빛에 형광체를 얹는 방식

앞의 LED 발광 원리만으로는 백색 빛을 하나의 반도체가 직접 내기 어려운 경우가 많습니다. 널리 쓰이는 방식은 청색 LED 위에 형광체를 얹는 것으로, 세륨을 넣은 YAG 계열 형광체가 청색 빛의 일부를 흡수해 폭이 넓은 황색 계열 빛으로 바꿉니다.

형광체를 통과하고 남은 청색과 새로 만들어진 황색이 섞이면 눈에는 백색으로 보입니다. 형광체의 종류와 양을 바꾸면 따뜻한 느낌과 차가운 느낌의 색 온도를 조절할 수 있습니다. 적색, 녹색, 청색 칩을 따로 두고 섞는 방식도 있지만 구조가 복잡해집니다.

비발광 재결합과 열 문제

이상적인 LED 발광 원리와 달리 모든 재결합이 빛이 되는 것은 아닙니다. 결정 결함이나 불순물 자리에서 일어나는 비발광 재결합(Non-radiative Recombination)은 에너지를 광자가 아니라 격자 진동, 곧 열로 내보냅니다. 결함이 많을수록 빛으로 나오는 비율이 줄고 열이 늘어납니다.

열은 다시 효율을 깎는 악순환을 만듭니다. 접합 온도가 오르면 비발광 재결합이 늘고 발광 효율과 수명이 함께 떨어지므로, 방열 설계가 발광 구조만큼 중요합니다. 전류를 크게 올리면 효율이 도리어 낮아지는 효율 저하(droop) 현상도 알려져 있으며, 원인은 여러 설명이 함께 논의되고 있습니다.

빛이 반도체 밖으로 빠져나오는 문제도 있습니다. 반도체는 굴절률이 높아 내부에서 만들어진 빛의 상당 부분이 표면에서 반사되어 안에 갇히기 때문에, 표면을 거칠게 하거나 패턴을 넣어 빛이 나오는 길을 넓힙니다. 결국 전기가 빛이 되는 효율은 안쪽에서 광자가 만들어지는 효율과 그 광자가 밖으로 나오는 효율의 곱으로 정해집니다.

발광색별 LED 구조 비교 표

구분	청색에서 녹색 LED	적색에서 황색 LED	백색 LED
대표 재료계	InGaN과 GaN	AlGaInP	청색 LED와 형광체
대략의 파장	약 450~530 nm	약 590~630 nm	청색과 황색 빛의 혼합
광자 에너지(약)	2.3~2.8 eV	2.0~2.1 eV	청색 광자 약 2.8 eV에서 일부 변환
활성층 구조	얇은 InGaN 양자우물	이종접합과 양자우물	청색 LED의 양자우물을 그대로 사용
어려운 점	인듐 비율을 높일수록 결정 품질 유지가 어려움	녹색 쪽으로 갈수록 효율 저하	형광체 변환 때 에너지 일부가 열로 손실

핵심 정리

LED 발광 원리는 순방향으로 주입된 전자와 정공이 직접 천이 재료의 활성층에서 복사 재결합해, 밴드갭에 해당하는 에너지의 광자를 내보내는 것입니다. 양자우물이 재결합 확률을 높이고, 백색은 청색 LED와 형광체의 조합으로 만들며, 비발광 재결합과 열이 효율과 수명을 좌우합니다.

스테인드글라스의 색을 유리 속 재료가 정하듯 LED의 색도 반도체 재료와 양자우물의 조성이 정합니다. 다른 점은 스테인드글라스가 햇빛을 거를 뿐인 반면, LED는 전기를 직접 광자로 바꾼다는 것이니 효율을 따질 때는 빛이 만들어지는 과정과 빠져나오는 과정을 나눠서 보면 됩니다.

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