표면 실장형 LED(SMD LED)는 반도체 칩에 전류를 흘려 보내 전기 발광을 통해 빛을 방출하는 방식으로 작동합니다. 이 소형 LED는 회로 기판에 직접 납땜되며, 일반적인 작동 전압은 2V에서 3.5V, 전류는 20mA 정도입니다. 이 칩은 인광체 코팅(백색 LED의 경우)이 된 플라스틱 하우징으로 덮여 빛을 효율적으로 반사하여 최대 와트당 100루멘의 밝기를 제공합니다. 이들의 작은 크기(예: 5050 SMD의 경우 3.5mm x 2.8mm)와 낮은 발열량은 현대 전자제품에 이상적입니다.
기본 LED 구조
일반적인 SMD LED는 1.6mm x 0.8mm (0603 크기)에서 5.0mm x 5.0mm (5050 크기) 사이의 크기를 가지며, 모델에 따라 밝기는 3루멘에서 150루멘에 이릅니다. 내부에는 반도체 칩(일반적으로 질화갈륨 또는 유사 재료로 제작)이 있어 전기 에너지를 빛으로 변환하며, 그 효율은 와트당 80~200루멘으로, 기존 백열 전구보다 훨씬 뛰어납니다.
SMD LED의 핵심은 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다:
다이(die)는 실제 발광 부품으로, 일반적으로 0.2mm에서 1.0mm 너비이며 반사성 세라믹 또는 금속 베이스에 장착됩니다. 전기가 흐르면 전자가 틈을 가로질러 뛰어넘으면서 에너지(빛의 기본 입자인 광자)를 방출하는데, 이 과정을 전기 발광(electroluminescence)이라고 합니다. 백색 LED의 경우, 노란색 인광체 층이 일부 청색광을 더 따뜻한 색조로 변환하여 2700K(따뜻한 백색)에서 6500K(차가운 백색) 사이의 색온도를 달성합니다.
일부 SMD LED는 120도의 시야각을 가져 광범위한 조명에 적합하며, 다른 일부는 스폿 조명을 위해 빛을 더 좁은 30도 빔으로 집중시킵니다. 열 방출은 매우 중요합니다. 열 관리가 부실하면 LED의 50,000시간 수명이 절반으로 단축될 수 있습니다. 이 때문에 고출력 SMD LED는 종종 다이에서 열을 빼내기 위해 구리 또는 알루미늄 기판을 사용합니다.
SMD LED의 주요 이점은 낮은 작동 전압입니다. 대부분은 2.8V에서 3.4V 사이에서 20mA에서 350mA의 전류로 작동합니다. 이로 인해 에너지 효율이 높아져 기존 조명 기술보다 60-80% 적은 전력을 소비합니다. 또한 작은 크기로 인해 고밀도 배치가 가능하여 단일 회로 기판에 평방 인치당 수백 개의 LED를 담을 수 있어 초박형 디스플레이와 밝고 균일한 백라이팅을 구현할 수 있습니다.
| 구성 요소 | 재료/크기 | 주요 기능 |
|---|---|---|
| 반도체 다이 | 질화갈륨 (0.2-1.0mm) | 전기를 빛으로 변환 |
| 인광체 코팅 | YAG:Ce (백색 LED용) | 색온도 조절 |
| 캡슐화 | 에폭시/실리콘 | 다이 보호, 빛 분산 제어 |
| 기판 | 세라믹/알루미늄 | 열 방출, 수명 연장 |
구형 LED와 달리 SMD 버전은 부피가 큰 플라스틱 돔에 의존하지 않습니다. 대신 평평한 디자인으로 인해 PCB에 직접 납땜할 수 있어 스루홀 LED에 비해 조립 비용을 15-30% 절감합니다. 일부 고급 모델은 단일 패키지에 여러 개의 다이(RGB 또는 백색)를 통합하여 추가 배선 없이 풀 컬러 디스플레이를 가능하게 합니다.
전류가 빛을 생성하는 방법
에너지의 90%를 열로 낭비하는 구형 백열 전구와 달리, LED는 전기 에너지의 최대 50%를 가시광선으로 변환하여 훨씬 더 효율적입니다. 이는 질화갈륨(GaN) 또는 인듐 갈륨 질화물(InGaN)과 같은 재료로 만든 아주 작은 반도체 칩 내부에서 발생하며, 여기서 전자와 “정공”(결여된 전자)이 충돌하여 광자, 즉 빛의 기본 입자를 방출합니다.
LED에 2V에서 3.5V 사이의 전압을 인가하면 전자가 음극 쪽(n형 반도체)에서 양극 쪽(p형 반도체)으로 뛰어넘습니다. 이 층 사이의 에너지 갭이 빛의 색깔을 결정합니다. 예를 들어, 2.1V 강하는 일반적으로 적색광을 생성하는 반면, 3.2V는 청색광을 생성합니다. 백색 LED는 약간의 편법을 사용합니다. 이들은 청색광(약 450nm 파장)으로 시작하여 노란색 인광체 코팅을 통과시켜 두 색상을 혼합하여 백색을 만듭니다. 인광체의 정확한 조성은 색온도를 조절하여 2700K(따뜻한 백색)에서 6500K(주광색)까지 범위를 이룹니다.
프리미엄 GaN 기반 LED는 와트당 200루멘에 도달할 수 있지만, 저렴한 LED는 80 lm/W에 불과할 수 있습니다. 여기서 열이 문제입니다. 접합부 온도(junction temperature)가 10°C 상승할 때마다 LED 밝기는 2-5% 감소하고 수명은 15-20% 단축됩니다. 이것이 고출력 LED가 표준 에폭시보다 3배 더 나은 열전도율을 가진 사파이어 또는 탄화규소 기판과 같은 재료를 사용하는 이유입니다.
전류 제어는 매우 중요합니다. 너무 적으면(10mA 미만) LED가 어둡게 유지되고, 너무 많으면(작은 SMD의 경우 350mA 초과) 빠르게 타버립니다. 대부분의 LED는 20-150mA에서 최적으로 작동하며, 순방향 전압은 색상에 따라 다릅니다.
- 적색/주황색/황색: 1.8–2.2V
- 녹색/청색/백색: 2.8–3.4V
초당 수천 번(예: 1kHz 주파수) 전류를 켜고 끔으로써(펄스 폭 변조, PWM), LED는 30% 듀티 사이클에서 더 어둡게 보이지만 동일한 색조를 유지합니다. 이는 전류를 줄이면 청색 LED가 약간 보라색으로 변할 수 있는 아날로그 디밍으로 인한 색상 변화를 방지합니다.
흥미롭게도 모든 광자가 LED를 빠져나가는 것은 아닙니다. 내부 반사로 인해 20-30%의 빛이 칩 내부에 갇힙니다. 고급 LED는 마이크로 렌즈 어레이 또는 질감이 있는 표면을 사용하여 빛 추출을 15-40% 높여 이를 해결합니다. 다른 방법으로는 플립칩 설계를 사용하여 발광층이 기판에 더 가깝게 위치하도록 하여 와이어 본딩으로 인한 손실을 줄입니다.
그 결과는 조명을 혁신한 기술입니다. 단일 3W SMD LED는 40W 백열 전구를 대체할 수 있고, 25배 더 오래 지속(50,000 대 2,000시간)되며, 85% 적은 에너지를 사용합니다. 다음으로, SMD LED를 부피가 큰 이전 제품과 비교하고, 왜 평평한 작은 사각형이 우세하게 되었는지 알아보겠습니다.
SMD 대 기존 LED
밝기 및 효율성
- 기존 LED (예: 5mm 원형):
- 출력: 20mA에서 2-5루멘
- 시야각: 30-60도
- 효율성: 80-100 lm/W
- SMD LED (예: 5050 크기):
- 출력: 20mA에서 15-20루멘 (3-4배 더 밝음)
- 시야각: 120° (더 넓은 범위)
- 효율성: 최대 200 lm/W (2배 더 효율적)
크기 및 디자인 유연성
- 기존 LED:
- 부피가 큼 (직경 5mm × 높이 8mm)
- PCB에 10mm 이상의 간격 필요
- 예: 스마트폰 백라이트에 30개의 스루홀 LED 필요
- SMD LED:
- 소형 (예: 3.5mm × 2.8mm)
- 60-80% 더 작은 PCB 면적
- 동일한 스마트폰 백라이트에 이제 단 10개의 SMD 사용
열 성능 및 수명
- 기존 LED:
- 에폭시 셸이 열을 가둠 → 50mA에서 100°C
- 실제 사용에서 수명이 50% 단축
- 정격 50,000시간 (실제로는 종종 25,000시간)
- SMD LED:
- 다이-대-금속 직접 본딩 → 20-30°C 더 시원함
- 고출력 변형은 700mA를 지속적으로 처리
- 높은 전류에서도 50,000시간 이상 유지
비용 및 제조
- 단가:
- 기존: $0.02–0.05
- SMD: $0.03–0.08 (약간 더 높음)
- 조립 절감:
- 기존: 수동/웨이브 납땜 (LED당 $0.10–0.15)
- SMD: 자동 픽 앤 플레이스 (LED당 $0.01–0.03)
- 10,000개당 $800–1,200 절약
- 파손율:
- 기존: 15-20% (취급 중 리드 손상)
- SMD: 거의 0% (평평하고 깨지기 쉬운 리드가 없음)
색상 일관성 및 신뢰성
- 기존 LED:
- 20-30nm 파장 변화 (눈에 띄는 색조 차이)
- 색상 매칭 불량 (의료/CRI >95 요구 사항을 거의 충족하지 못함)
- SMD LED:
- 5-10nm 허용 오차 (자동 인광체 코팅)
- 3단계 MacAdam 타원 내 90% (정확한 색상 균일성)
내구성 (열 및 진동 저항성)
- 기존 LED:
- 1,000회 열 사이클 (-40°C ~ +85°C) 후 12-15%의 고장률
- 20G 진동에서 고장 (리드 피로)
- SMD LED:
- 동일 조건에서 3% 미만의 고장률
- 50G 진동을 100시간 이상 견딤
실제 절약
- 가로등 예시:
- SMD는 등기구당 연간 500 kWh 절약 (기존 대비)
- 20-30% 더 높은 초기 비용은 18개월 미만에 회수
- 표시등 사용:
- SMD 수명: 3-5년
- 기존 수명: 1-2년 (50mA 연속 사용 시)
SMD가 지배적인 이유 (현대 조명의 90%)
✔ 더 작고, 더 밝고, 더 효율적입니다
✔ 더 긴 수명 및 더 나은 열 관리
✔ 더 낮은 조립 비용 및 더 높은 신뢰성
✔ 뛰어난 색상 일관성
✔ 상업/산업용에서 입증된 ROI
일반적인 크기 및 사양
명명 규칙은 간단합니다.
- 2835 LED = 2.8mm × 3.5mm
- 5050 LED = 5.0mm × 5.0mm
하지만 치수만으로는 성능을 정의할 수 없습니다.
소형 LED (표시등 및 백라이팅)
- 0402 LED (0.4mm × 0.2mm)
- 전류: 10-15mA
- 출력: 2-3루멘
- 사용: 스마트폰 상태 표시등 (공간 < 1mm²)
- 1608 LED (1.6mm × 0.8mm)
- 전류: 20mA
- 출력: 5-8루멘
- 사용: 스마트워치 백라이팅
중형 LED (일반 조명)
- 2835 및 5050 LED
- 출력: 20-50루멘
- 전류: 60-150mA
- 시야각: 120°
- 고출력 변형: 300-700mA (방열판 필요)
색상 및 전압 변화
- 따뜻한 백색 (2700-3000K): 인광체 손실로 인해 차가운 백색 (5000-6500K)보다 5-10% 낮은 출력.
- RGB 5050 LED:
- 3개의 다이 포함 (적색: 620-625nm, 녹색: 520-525nm, 청색: 465-470nm)
- 개별 출력: 색상당 7-10루멘
- 결합된 백색광: 500-800mcd
- 순방향 전압 차이:
- 2835 따뜻한 백색: 2.8-3.2V
- 3528 청색: 3.0-3.4V
- 직렬 대 병렬 고려 사항:
- 10개의 3V LED를 직렬로 연결 → 30V 드라이버 필요
- 병렬 설정 → 정확한 전류 조절 필요
열 및 효율성 요소
- 5630 패키지 (5.6mm × 3.0mm)
- 150mA에서 3528보다 15-20°C 더 시원하게 작동
- 더 나은 열 방출로 인해 10-15% 더 긴 수명
- 밝기 등급(bin)이 중요:
- 최상위 등급 3014 LED (3.0mm × 1.4mm): 30mA에서 12루멘
- 표준 등급: 30mA에서 9루멘 (25% 차이)
- 하나의 등기구에 필요한 LED 수에 영향
수명 및 실제 성능
- 정격 50,000시간 (25°C, 적절한 전류 조절 시)
- 실제 (85°C 주변 온도): ~30,000시간
- 7030 패키지 (7.0mm × 3.0mm) – 세라믹 기판은 105°C에서도 60,000시간 후 90% 출력을 유지
마이크로 LED (차세대 디스플레이)
- 크기: 0.1mm² 미만
- 전류: 1-5mA
- 밝기: 5,000-10,000 니트 (야외 가독성)
- 밀도: 500+ LED/cm² (스마트폰 화면에서 4K 구현)
- 비용: 표준 SMD 조립보다 30-50% 더 높음
핵심 요약
- 크기는 열 성능 및 밝기에 영향
- 전압 및 전류 요구 사항은 색상 및 패키지에 따라 다름
- 고출력 LED는 방열판 필요
- 등급(Bin)은 실제 광 출력에 영향
- 수명은 고온 환경에서 단축
- 마이크로 LED는 초고해상도 디스플레이를 가능하게 하지만 비용이 더 많이 듦
일반적인 회로 연결
적절한 구동과 부적절한 구동의 차이는 작동 수명이 50,000시간 대 5,000시간임을 의미할 수 있습니다.
5V 전원 공급 장치에서 20mA의 3V 백색 LED의 경우, (5V – 3V) / 0.02A = 100옴 저항이 필요하며, 0.04W를 소모합니다. 이는 저전류 표시등에는 작동하지만, 고전력에서는 비효율적이 됩니다. 150mA LED는 0.45W를 열로 낭비하여 효율성을 70% 미만으로 떨어뜨립니다. 이 때문에 100mA 이상의 부하에서는 정전류 드라이버가 저항을 대체합니다.
스위칭 레귤레이터는 효율성 문제를 해결합니다. 24V에서 10개의 3V LED를 직렬로 구동하는 벅 컨버터는 필요한 30V만 공급하여 90-95%의 효율성을 달성합니다. 이들은 입력 변동(20V에서 30V)에도 불구하고 1-3%의 전류 편차를 유지하며, 이는 자동차 또는 배터리 구동 애플리케이션에 매우 중요합니다. Mean Well LDD 시리즈(350mA 드라이버, $1.50–2.00)는 저항 회로 대비 에너지 절약을 통해 6-12개월 만에 투자금을 회수합니다.
동일 배치에서 나온 LED라도 5-10%의 순방향 전압 변동을 보입니다. 5개의 3V LED를 3.3V에 저항 없이 병렬로 연결하면 전류 몰림(current hogging)이 발생하여, 하나의 LED가 120mA를 끌어당기는 동안 다른 LED는 80mA를 받아 불균일한 밝기와 가속화된 열화를 초래합니다. 해결책은 다음과 같습니다.
- 개별 저항 (예: 20mA LED의 경우 22옴)
- 각 분기를 독립적으로 조절하는 다중 채널 드라이버 (예: TI TLC5916).
1kHz (30% 듀티 사이클)에서 500mA LED를 펄스하면 색상 변화 없이 150mA 평균 전류를 달성합니다. AL8805와 같은 하이엔드 드라이버는 25kHz PWM을 지원하여 깜박임을 제거하고 0-100% 디밍을 가능하게 합니다. 장점은? PWM 회로가 BOM에 $0.30–0.50을 추가하지만, 스마트 조명에서 부드러운 일출 효과와 같은 기능을 가능하게 합니다.
3W LED (3.4V에서 700mA)는 2.4W의 열을 발생시키므로, 수동 냉각을 위해 와트당 1평방 인치의 2온스 구리가 필요합니다. 부적절할 경우 접합부 온도가 25°C에서 85°C로 상승하여 순방향 전압이 0.1V 감소합니다. 이는 전류를 15-20% 증가시키고 저항 계산을 왜곡합니다. 열 폴드백 회로는 냉각이 실패할 때 전류를 줄여 이를 완화합니다.
50개의 LED가 있는 5미터 12V 스트립은 전압 강하를 겪습니다. 첫 번째 LED는 12.0V를 받고 마지막 LED는 10.4V를 받아 20%의 밝기 기울기를 생성합니다. 해결책은 다음과 같습니다.
- 더 높은 전압 (24V 또는 48V)
- 5미터마다 전력 주입 (18AWG 케이블)으로 전압 강하를 5% 미만으로 유지.
