LED 조명이 빨강, 초록, 파랑 등 다양한 색을 내는 원리를, 원자 내 전자가 에너지를 얻어 들뜬 상태가 되었다가 바닥 상태로 떨어지는 과정으로 설명해 주세요.

Question

LED 조명이 빨강, 초록, 파랑 등 다양한 색을 내는 원리를, 원자 내 전자가 에너지를 얻어 들뜬 상태가 되었다가 바닥 상태로 떨어지는 과정으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

LED 조명이 다양한 색을 낼 수 있는 원리를 원자 내 전자의 에너지 상태 변화로 설명하면 이렇습니다.

LED 내부에는 특정한 반도체 물질이 사용되는데, 이 물질의 원자나 전자는 외부에서 전기 에너지를 공급받으면 들뜬 상태, 즉 높은 에너지 준위로 올라갑니다. 그러나 전자는 안정된 상태를 유지하려는 성질이 있어 곧 다시 낮은 에너지 준위, 즉 바닥 상태로 떨어지게 됩니다. 이때 잃어버린 에너지가 빛의 형태로 방출되는데, 방출되는 빛의 파장은 전자가 이동한 에너지 차이에 의해 결정됩니다.

빨강, 초록, 파랑 LED는 각각 다른 반도체 재료를 사용하여 전자가 떨어질 때 방출되는 에너지 차이가 다르게 설계되어 있습니다. 에너지 차이가 크면 파장이 짧아져 파란색 빛이 나오고, 에너지 차이가 작으면 파장이 길어져 빨간색 빛이 나옵니다. 초록색은 그 중간 정도의 에너지 차이에 해당합니다.

즉, LED의 색은 전자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 떨어질 때 방출하는 빛의 파장에 의해 결정되며, 반도체 재료의 특성에 따라 빨강, 초록, 파랑 등 다양한 색을 낼 수 있는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요.

LED의 빨강, 초록, 파랑 등 다양한 색은 전자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아오면서 방출하는 에너지의 크기에 의해서 결정됩니다. LED 내부에는 p형과 n형 반도체가 맞닿은 구조가 있으며, 전압을 걸어주면 전자들이 에너지를 얻어 높은 에너지 상태로 이동합니다. 이 상태는 원자 또는 고체 내 전자가 일시적으로 불안정한 들뜬 상태에 있는 것인데요, 이후 전자는 다시 더 안정한 상태로 돌아가려 하면서 에너지를 잃게 됩니다. 이때 잃는 에너지가 빛의 형태로 방출됩니다.

방출되는 빛의 색은 아무 색이나 나타나는 것이 아니라 전자가 떨어지면서 방출하는 에너지 크기에 의해 결정되는데요, 에너지가 클수록 파장이 짧은 파란색 계열이 나타나고, 에너지가 작을수록 파장이 길어지므로 빨간색 계열의 빛이 방출됩니다. 이 관계는 E=hν라고도 표현할 수 있는데요, 즉 에너지가 클수록 진동수가 커지고 파장은 짧아집니다.

LED에서는 이러한 에너지 차이가 반도체 물질의 밴드갭에 의해 결정되는데요, 밴드갭이 큰 물질의 경우에는 전자가 높은 에너지에서 낮은 에너지로 떨어질 때 방출하는 에너지가 큽니다. 따라서 파란색이나 자외선 계열의 빛이 나오고, 밴드갭이 작은 물질에서는 에너지가 작아 빨간색이나 주황색 빛이 나오는 것입니다. 예를 들어 갈륨 나이트라이드는 파란색 LED에 사용되며, 갈륨 비소는 적색 LED에 사용됩니다. 감사합니다.