LED 발광 다이오드의 원리와 실험

본 내용은 " 기계공학실험레포트(LED) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.22

문서 내 토픽

• 1. LED(발광 다이오드)의 원리

  LED는 Light-Emitting Diode의 약자로 발광 다이오드라고 불린다. 다이오드는 한 방향으로만 전류가 흐르게 하는 반도체 소자이며, p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 만든다. p형 반도체는 13족 원소를 첨가하여 정공을 만들고, n형 반도체는 15족 원소를 첨가하여 잉여전자를 만든다. 순방향 전압을 걸어주면 자유전자와 정공이 만나 전류가 흐르고, 이 과정에서 빛이 방출되는 발광 특성을 이용하여 LED를 만든다. LED는 기존 백열등에 비해 고효율, 저전력, 긴 수명을 가진 소자이다.

• 2. 다이오드의 순방향 및 역방향 전압

  다이오드에 순방향 전압을 걸어주려면 p형에 (+), n형에 (-)를 연결하여 자유전자와 정공이 만나도록 해야 한다. 이 경우 전류가 흐르고 LED가 발광한다. 반대로 역방향 전압은 p형에 (-), n형에 (+)를 연결하는 것으로, 이 경우 척력이 작용하지 않아 전류가 흐르지 않는다. 다만 항복전압 이상의 전압을 걸어주면 역방향에서도 전류가 흐를 수 있다. 실험에서 빨간색, 노란색, 초록색 LED의 순방향 전압을 확인하였다.

• 3. LED의 문턱 전압 측정

  문턱 전압은 LED가 발광하기 시작하는 최소 전압이다. Two Wire Current-Voltage Analyzer를 이용하여 측정한 결과, 빨간색 LED는 약 1.6V, 노란색 LED는 약 1.7V, 초록색 LED는 약 1.7V에서 발광하기 시작했다. 이는 LED의 색상에 따라 문턱 전압이 다름을 보여준다. 문턱 전압 이상의 순방향 전압을 걸어주어야 LED가 정상적으로 작동한다.

• 4. LabVIEW를 이용한 교차로 신호 제어

  LabVIEW 프로그래밍을 통해 교차로 상황을 LED로 재현하였다. While 루프 안에 플랫 시퀀스 구조를 만들고 4가지 case를 코딩하여 신호 상황을 표현했다. 각 LED를 8비트 숫자로 나타내어 case 조합을 구성하고, 타임 노드를 이용하여 case1과 case3는 8초, case2와 case4는 2초로 시간을 설정하여 실제 교차로 신호처럼 작동하도록 구현했다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. LED(발광 다이오드)의 원리

  LED는 반도체 물질의 p-n 접합에서 전자와 정공이 재결합할 때 에너지를 빛으로 방출하는 원리를 기반으로 합니다. 이는 매우 효율적인 에너지 변환 메커니즘으로, 기존의 백열전구나 형광등 대비 훨씬 적은 전력으로 밝은 빛을 생성합니다. LED의 발광 색상은 반도체 물질의 밴드갭 에너지에 의해 결정되며, 이를 통해 다양한 색상의 LED를 만들 수 있습니다. 현대 사회에서 LED 기술은 조명, 디스플레이, 통신 등 광범위한 분야에서 필수적인 역할을 하고 있으며, 에너지 효율성과 환경 친화성 측면에서 매우 중요한 기술입니다.

• 2. 다이오드의 순방향 및 역방향 전압

  다이오드의 순방향 전압은 p-n 접합을 통해 전류가 흐를 수 있도록 하는 최소 전압으로, 일반적으로 0.6~0.7V 정도입니다. 이 전압 이상에서 다이오드는 전도 상태가 되어 전류가 흐르게 됩니다. 반면 역방향 전압은 다이오드에 역방향으로 인가되는 전압으로, 정상적인 조건에서는 거의 전류가 흐르지 않습니다. 다만 역방향 전압이 항복 전압(breakdown voltage)을 초과하면 급격한 전류 증가가 발생하여 다이오드가 손상될 수 있습니다. 이러한 특성을 이해하는 것은 회로 설계에서 다이오드를 올바르게 사용하기 위해 필수적입니다.

• 3. LED의 문턱 전압 측정

  LED의 문턱 전압(threshold voltage) 측정은 LED의 특성을 파악하는 중요한 실험입니다. 문턱 전압은 LED가 발광하기 시작하는 최소 전압으로, 색상에 따라 다르게 나타납니다. 일반적으로 적색 LED는 약 1.6~2.0V, 녹색은 2.0~2.2V, 청색은 2.8~3.2V 정도입니다. 정확한 측정을 위해서는 전류 제한 저항을 사용하여 LED에 과도한 전류가 흐르지 않도록 주의해야 합니다. 이 측정값은 회로 설계 시 적절한 전원 전압과 저항값을 결정하는 데 필수적인 정보입니다.

• 4. LabVIEW를 이용한 교차로 신호 제어

  LabVIEW는 그래픽 기반의 프로그래밍 환경으로, 교차로 신호 제어 시스템 구현에 매우 적합합니다. 신호 제어 로직을 시각적으로 구성할 수 있으며, 타이머, 센서 입력, 신호 출력 등을 효과적으로 관리할 수 있습니다. LabVIEW를 통해 신호 대기 시간, 신호 변환 순서, 긴급 차량 우선 처리 등 복잡한 제어 알고리즘을 구현할 수 있습니다. 또한 실시간 모니터링과 데이터 로깅 기능을 통해 교차로의 효율성을 분석하고 최적화할 수 있습니다. 이러한 자동화 시스템은 교통 흐름 개선과 안전성 향상에 크게 기여합니다.