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LED와 반도체 레이저의 차이: 발광 원리·빛의 성질·용도 비교

LED와 반도체 레이저는 모두 PN 접합에 순방향 전류를 흘려, 전자와 정공이 재결합할 때 빛을 냅니다. LED의 빛은 자연 방출에 의한 것으로, 파장 폭이 넓고 여러 방향으로 퍼집니다. 반도체 레이저는 빛을 왕복시키는 공진기를 갖고 유도 방출로 빛을 증폭하므로, 파장과 위상이 맞춰진, 곧게 나아가는 강한 빛을 얻을 수 있습니다. 조명과 표시에는 LED가, 광통신과 광디스크, 센싱에는 레이저가 사용됩니다.

비교 항목LED반도체 레이저
발광 원리자연 방출. 전자와 정공이 각자 제멋대로의 타이밍에 재결합해 빛을 냄유도 방출. 빛이 같은 파장·위상·방향의 빛을 추가로 만들어 내며 증폭됨
광 공진기없음있음. 벽개한 단면(단면 발광형)이나 다층막 반사경(VCSEL) 사이에서 빛을 왕복시킴
파장 폭(스펙트럼 폭)넓음(수십 nm 정도)좁음(1 nm 이하도 가능. DFB 레이저는 단일 파장으로 발진함)
빛의 퍼짐넓은 각도로 퍼짐좁음. 가늘게 모으거나 멀리까지 보낼 수 있음
위상의 정렬(코히어런스)낮음높음
전류와 광출력전류를 흘리면 바로 빛나며, 전류에 거의 비례해 밝아짐문턱 전류를 넘으면 발진이 시작되어 광출력이 급격히 증가함. 문턱 아래에서는 약한 자연 방출광뿐
변조 속도비교적 느림빠름. 광통신용으로는 전류로 직접 변조해 수십 Gb/s의 신호를 보내는 것도 있음
온도의 영향온도가 올라가면 발광 효율이 떨어짐온도가 올라가면 문턱 전류가 증가하고 파장도 바뀌므로 온도 제어를 쓰기도 함
취급 용이성구동 회로가 간단하고 수명이 긺광출력을 일정하게 유지하는 제어가 필요한 경우가 많음. 강한 빛은 눈에 위험하므로 레이저 안전 기준(등급 분류)이 있음
주요 용도조명, 디스플레이 백라이트, 표시등, 리모컨광섬유 통신, 광디스크, 레이저 프린터, LiDAR, 얼굴 인식 센서, 레이저 가공

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

LED
넓은 범위를 밝게 비추고 싶을 때나 표시에 사용할 때. 저렴하고 수명이 길며 구동도 간단합니다.
반도체 레이저
빛을 가늘게 모아 멀리 보내고 싶을 때, 빠르게 변조해 정보를 보내고 싶을 때, 파장이 맞춰진 빛이 필요할 때. 광통신, 거리 측정, 가공 등에 사용합니다.
공통점
둘 다 내는 빛의 색(파장)은 주로 발광층 반도체의 밴드갭으로 결정됩니다. 발광 효율이 높은 GaN계, GaAs계, InP계 등 직접 천이형 화합물 반도체가 사용되며, 간접 천이형인 실리콘은 발광 소자에 적합하지 않습니다.

자주 묻는 질문

LED와 레이저의 빛은 무엇이 다른가요?

레이저의 빛은 파장과 위상이 맞춰져 있어 곧게 나아가며 잘 퍼지지 않는 반면, LED의 빛은 파장 폭이 넓고 여러 방향으로 퍼집니다. LED는 자연 방출로, 레이저는 공진기 안에서의 유도 방출로 빛을 내기 때문입니다.

반도체 레이저의 문턱 전류란 무엇인가요?

레이저 발진이 시작되는 전류입니다. 공진기 안에서 유도 방출에 의한 빛의 증폭이 손실을 웃돌면 발진하며, 그보다 큰 전류에서는 광출력이 전류에 대해 급격히 증가합니다. 문턱보다 작은 전류에서는 LED와 같은 약한 자연 방출광만 나옵니다.

LED의 색은 무엇으로 결정되나요?

주로 발광층 반도체의 밴드갭으로 결정되며, 파장 λ(nm) ≈ 1240 / Eg(eV)의 관계가 있습니다. 청색과 녹색에는 InGaN, 적색에는 AlGaInP 등이 사용됩니다. 백색 LED의 대부분은 청색 LED 빛의 일부를 형광체로 황색 등으로 바꿔 섞습니다.

실리콘으로 LED나 레이저를 만들기 어려운 이유는 무엇인가요?

실리콘은 간접 천이형 반도체여서, 전자와 정공이 재결합해 빛을 내려면 포논(격자 진동)도 관여해야 하므로 발광 효율이 매우 낮기 때문입니다. 실리콘 포토닉스에서는 InP 등 화합물 반도체 레이저를 조합해 사용합니다.

이해도 확인

반도체 레이저와 LED의 차이로 올바른 것은?

  1. ALED 쪽이 파장의 폭이 좁고 단색성이 높다
  2. B반도체 레이저는 유도 방출과 광 공진기에 의해 파장과 위상이 갖추어진 지향성 높은 빛을 낸다
  3. C반도체 레이저는 전류를 흘리지 않고 발광한다
정답과 해설 보기

정답: B. 반도체 레이저는 유도 방출과 광 공진기에 의해 파장과 위상이 갖추어진 지향성 높은 빛을 낸다

LED는 자연 방출의 빛으로 파장 폭이 수십 nm이며 여러 방향으로 퍼집니다. 반도체 레이저는 벽개면 등으로 만든 광 공진기 안에서 문턱값 이상의 전류를 흘려 유도 방출을 일으키고, 파장과 위상이 갖추어진 폭이 좁은(1 nm 이하도 가능) 지향성 높은 빛을 냅니다. 광통신, 광디스크, 레이저 프린터, LiDAR, 가공 등에 사용됩니다.

LED의 발광색(발광 파장)을 결정하는 주된 요인은?

  1. A패키지의 형상
  2. B구동 전류의 방향
  3. C발광층에 사용하는 반도체의 밴드갭
정답과 해설 보기

정답: C. 발광층에 사용하는 반도체의 밴드갭

LED에서는 전자와 정공이 재결합할 때 밴드갭에 해당하는 에너지의 빛이 나옵니다. 파장은 λ(nm) ≈ 1240/Eg(eV)이며, 예를 들어 GaN계(InGaN)는 약 2.7 eV로 청색인 약 460 nm, AlGaInP는 약 1.9 eV로 적색인 약 650 nm입니다. 발광층의 조성을 바꾸면 밴드갭을 조정할 수 있어, 같은 InGaN이라도 In을 늘리면 녹색이 됩니다. 백색 LED는 청색 LED와 황색 형광체의 조합입니다.

LED가 빛나는 원리로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A순방향 바이어스로 주입된 전자와 정공이 재결합할 때 빛을 낸다
  2. B역방향 항복 전류로 고온이 되어 열복사로 빛난다
  3. C빛이 닿으면 전류가 흐른다
정답과 해설 보기

정답: A. 순방향 바이어스로 주입된 전자와 정공이 재결합할 때 빛을 낸다

LED에 순방향 전압을 걸면 n측에서 전자가, p측에서 정공이 접합부로 주입되어, 재결합할 때 밴드갭에 해당하는 에너지를 빛으로 방출합니다. 발광색은 재료로 결정되며, 적색은 AlGaInP, 청색과 녹색은 InGaN계입니다. 백색 LED는 청색 LED에 황색 형광체를 조합한 것입니다. 효율적으로 발광시키려면 직접 천이형 재료가 필요하며, 실리콘으로는 실용적인 LED를 만들 수 없습니다.

  1. 광통신에서 단일 파장으로 안정적으로 발진시키기 위해 회절 격자를 내장한 반도체 레이저는 무엇입니까?
  2. 실리콘 같은 간접 천이형 반도체에서 전자와 정공이 재결합하여 빛을 낼 확률이 낮은 이유로 올바른 것은 무엇입니까?
  3. 파장 620 nm인 빛의 광자 1개가 가진 에너지에 가장 가까운 값은 무엇입니까? (E [eV] ≈ 1240 / λ [nm])

이미지 센서와 광소자 문제 풀기

주요 용어 설명

순방향 바이어스
p측에 양(+), n측에 음(-)의 전압을 가하는 것. 장벽이 낮아져 전류가 잘 흐른다. 반대로 가하면 역방향 바이어스이며 전류는 거의 흐르지 않는다.
직접 천이형
전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 같은 파수에 있는 밴드 구조. 전자와 정공의 재결합으로 효율적으로 발광한다. GaAs 등.
밴드갭(Bandgap)
가전자대 상단과 전도대 하단 사이의 에너지 차이. 실리콘은 상온에서 약 1.12 eV이다. 클수록 고온·고전압에 강하다.
양자 우물(quantum well)
밴드갭이 작은 수 nm의 얇은 층을 밴드갭이 큰 층으로 끼운 구조. 캐리어를 가두어 재결합이 잘 일어나게 하므로 LED와 레이저의 발광층에 쓰인다.
VCSEL(수직 공진 표면 발광 레이저)
기판에 수직 방향으로 빛을 내는 반도체 레이저. 웨이퍼 상태로 검사할 수 있고 2차원 배열이 쉬워 데이터 통신과 얼굴 인식의 광원 등에 사용된다.

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