적외선 LED 940nm 데이터시트 - 기술 문서

1. 제품 개요

본 문서는 적외선(IR) 발광 다이오드(LED) 소자에 대한 포괄적인 기술 개요를 제공합니다. 이 소자의 주요 기능은 근적외선 스펙트럼, 특히 피크 파장(λp) 940 나노미터(nm)에서 빛을 방출하는 것입니다. 이 파장은 인간의 눈에는 보이지 않지만 다양한 센싱 및 리모컨 응용 분야에 매우 효과적입니다. 이 소자는 신뢰할 수 있고 일관된 IR 광원이 필요한 전자 조립체에 통합되도록 설계되었습니다.

이 IR LED의 핵심 장점은 TV 리모컨 및 근접 센서와 같은 소비자 가전 제품의 일반적인 표준인 940nm 방출에 있습니다. 이 파장은 실리콘 광검출기 감도와 주변광 제거 사이에서 좋은 균형을 제공합니다. 목표 시장에는 소비자 가전, 산업 자동화, 보안 시스템 및 신호, 감지 또는 데이터 전송을 위해 비가시광선이 필요한 모든 응용 분야가 포함됩니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

제공된 PDF 단편은 단일한 중요한 광도 파라미터인 피크 파장을 강조합니다.

2.1 광도 특성

피크 파장 (λp): 940nm

이는 LED가 방출하는 가장 두드러진 파장으로, 복사 강도가 최대인 지점입니다. 940nm 피크는 여러 가지 이유로 중요합니다:

• 실리콘 검출기 호환성:가장 일반적인 IR 검출기인 실리콘 포토다이오드와 포토트랜지스터는 일반적으로 800nm에서 950nm 범위에서 최대 감도를 가집니다. 940nm 광원은 이와 잘 일치하여 효율적인 검출과 강력한 신호 강도를 보장합니다.
• 낮은 가시광선 방출:일부 근적외선 LED는 희미한 붉은 빛을 방출하지만, 940nm LED는 사실상 보이지 않아 은밀한 응용 분야나 가시광 누출이 바람직하지 않은 경우에 이상적입니다.
• 햇빛 내성:태양 복사 스펙트럼은 940nm 근처에서 국소 최소값을 가지며, 이는 예를 들어 850nm LED에 비해 이 파장을 사용하는 센서가 주변 햇빛 간섭에 덜 취약하도록 돕습니다.

PDF 발췌문은 피크 파장만 보여주지만, 완전한 데이터시트에는 일반적으로 복사 강도(밀리와트/스테라디안, mW/sr), 시야각(도 단위의 반강도 각도), 스펙트럼 대역폭(반치폭, FWHM, nm 단위)과 같은 추가 광도 파라미터가 포함됩니다.

2.2 전기적 파라미터

제공된 텍스트에 명시적으로 나열되지는 않았지만, 설계를 위해 전기적 특성을 이해하는 것은 기본입니다.

• 순방향 전압 (Vf):지정된 전류에서 동작할 때 LED 양단에 걸리는 전압 강하입니다. 일반적인 IR LED의 경우, 이 값은 종종 1.2V에서 1.6V 범위이지만 정확한 값은 반도체 재료와 칩 설계에 따라 다릅니다. 이 파라미터는 적절한 전류 제한 저항이나 구동 회로를 선택하는 데 중요합니다.
• 순방향 전류 (If):권장 연속 동작 전류로, 표준 패키지의 경우 일반적으로 20mA에서 100mA 사이입니다. 최대 순방향 전류를 초과하면 급격한 성능 저하나 파괴적 고장을 초래할 수 있습니다.
• 역방향 전압 (Vr):손상 없이 LED가 견딜 수 있는 역바이어스 상태의 최대 전압으로, 일반적으로 약 5V입니다. 이를 초과하면 PN 접합이 파괴될 수 있습니다.
• 전력 소산:Vf * If로 계산되며, 이는 소자에 가해지는 열 부하를 결정하고 방열판 필요성에 영향을 미칩니다.

2.3 열적 특성

LED 성능과 수명은 접합 온도에 크게 의존합니다.

• 열저항 (Rθj-a):반도체 접합에서 주변 공기로의 열 흐름에 대한 저항으로, 와트당 섭씨도(°C/W)로 표현됩니다. 값이 낮을수록 더 나은 방열 능력을 나타냅니다.
• 최대 접합 온도 (Tj max):반도체 접합에서 허용되는 최고 온도입니다. 이 한계 이상으로 동작하면 LED의 수명이 급격히 단축됩니다. Tj를 한계 내로 유지하려면 적절한 PCB 레이아웃(열 비아, 구리 면적)이 필수적입니다.
• 디레이팅 곡선:주변 온도가 증가함에 따라 최대 허용 순방향 전류가 어떻게 감소하는지를 보여주는 그래프입니다. 이는 모든 동작 조건에서 신뢰성을 보장하기 위한 중요한 설계 도구입니다.

3. 빈닝 시스템 설명

제조 공정 변동으로 인해 LED는 동일하지 않습니다. 빈닝 시스템은 주요 파라미터를 기준으로 소자를 분류하여 생산 배치 내 일관성을 보장합니다.

• 파장/피크 파장 빈닝:LED는 실제 피크 파장(예: 935-945nm, 940-950nm)에 따라 빈으로 분류됩니다. 이는 응용 분야에 대한 색상 일관성을 보장합니다.
• 복사 강도/플럭스 빈닝:소자는 측정된 광 출력 전력에 따라 그룹화됩니다. 예를 들어, 빈은 특정 테스트 전류에서 최소/전형/최대 복사 강도 값으로 정의될 수 있습니다.
• 순방향 전압 빈닝:LED는 테스트 전류에서의 Vf에 따라 분류됩니다. 이는 특히 여러 LED가 직렬로 연결될 때 더 균일한 회로 설계에 도움이 됩니다.

설계자는 주문 시 응용 분야에 필요한 성능을 보장하기 위해 필요한 빈을 지정해야 합니다.

4. 성능 곡선 분석

그래픽 데이터는 단일 지점 사양보다 더 깊은 통찰력을 제공합니다.

4.1 전류 대 전압 (I-V) 곡선

이 곡선은 순방향 전압과 순방향 전류의 관계를 보여줍니다. 비선형이며, IR LED의 경우 일반적으로 약 1.2V인 "무릎" 전압을 나타내며, 이 이상에서는 전압이 약간 증가해도 전류가 급격히 증가합니다. 이는 LED 구동을 위해 전압 제어가 아닌 전류 제어의 중요성을 강조합니다.

4.2 온도 특성

주요 그래프는 다음과 같습니다:

• 순방향 전압 대 접합 온도:Vf는 음의 온도 계수를 가지며, 이는 온도가 증가함에 따라 감소한다는 의미입니다. 이는 온도 감지에 사용될 수 있습니다.
• 복사 강도 대 접합 온도:광 출력은 일반적으로 온도가 상승함에 따라 감소합니다. 이 곡선의 기울기는 출력의 열적 안정성을 나타냅니다.
• 상대 강도 대 순방향 전류:광 출력이 구동 전류에 따라 어떻게 비례하는지 보여주며, 일반적으로 열 효과가 지배적이기 전까지는 선형 또는 약간의 준선형 관계를 가집니다.

4.3 스펙트럼 분포

상대 강도를 파장에 대해 그린 그래프입니다. 940nm LED의 경우, 이 곡선은 940nm를 중심으로 하며 일반적인 FWHM은 40-50nm입니다. 이 곡선의 모양과 폭은 빛이 필터 및 검출기와 어떻게 상호작용하는지에 영향을 미칩니다.

5. 기계적 및 패키지 정보

PDF는 패키징 용어를 언급하지만 치수 도면은 누락되어 있습니다.

• 패키지 유형:IR LED의 일반적인 패키지에는 3mm, 5mm 방사형 리드 및 0805, 1206과 같은 표면 실장 장치(SMD) 패키지 또는 특수 IR 패키지가 포함됩니다.
• 치수:상세한 기계 도면은 길이, 너비, 높이, 리드 직격/간격(스루홀용) 또는 패드 치수(SMD용)를 지정합니다.
• 패드 설계/랜드 패턴:SMD 부품의 경우, 권장 PCB 풋프린트(패드 크기, 모양 및 간격)는 신뢰할 수 있는 솔더링 및 기계적 강도를 위해 중요합니다.
• 극성 식별:LED는 다이오드이므로 올바른 극성으로 연결해야 합니다. 식별은 일반적으로 렌즈의 평평한 가장자리, 더 긴 애노드 리드 또는 SMD 패키지 본체에 표시된 캐소드를 통해 이루어집니다.

6. 솔더링 및 조립 가이드라인

적절한 취급은 신뢰성을 보장합니다.

• 리플로우 솔더링 프로파일:SMD 소자의 경우, 예열, 침지, 리플로우 피크 온도(일반적으로 최대 260°C, 수 초), 냉각 속도를 지정하는 시간-온도 프로파일을 따라야 합니다.
• 핸드 솔더링:해당되는 경우, 인두 온도(<350°C) 및 리드당 최대 솔더링 시간(예: 3초)에 대한 지침이 에폭시 렌즈나 반도체에 대한 열 손상을 방지하기 위해 제공됩니다.
• ESD 예방 조치:LED는 정전기 방전에 민감합니다. 접지된 장비를 사용하여 ESD 보호 작업대에서 취급해야 합니다. PDF에 언급된 "정전기 방지 백"은 이 요구 사항을 강조합니다.
• 보관 조건:소자는 수분 흡수를 방지하기 위해 건조하고 통제된 환경(예:<40°C/40% RH)에 보관해야 하며, 이는 리플로우 중 "팝콘 현상"을 일으킬 수 있습니다.

7. 포장 및 주문 정보

PDF 단편은 여러 포장 수준을 나열합니다.

• 정전기 방지 백:벌크 소자나 릴에 대한 주요 수분 및 ESD 차단 장치입니다.
• 내부 카톤:여러 개의 정전기 방지 백이나 릴을 포함합니다.
• 외부 카톤:여러 내부 카톤을 포함하는 주요 운송용 카톤입니다.
• 포장 수량:릴당(예: 1000개), 백당 또는 카톤당 표준 수량입니다.
• 라벨링:라벨에는 부품 번호, 수량, 날짜 코드, 로트/배치 번호 및 ESD/수분 민감도 수준(MSL)이 포함되어야 합니다.
• 모델 번호 규칙:완전한 부품 번호는 일반적으로 패키지 유형, 파장 빈, 강도 빈, 순방향 전압 빈과 같은 주요 속성을 인코딩합니다.

8. 응용 권장사항

8.1 대표적인 응용 시나리오

• 적외선 리모컨:TV, 셋톱박스, 오디오 시스템용. 940nm 파장은 업계 표준입니다.
• 근접 및 존재 감지 센서:스마트폰(통화 중 터치스크린 비활성화), 자동 수도꼭지, 비누 디스펜서에 사용됩니다.
• 물체 감지 및 계수:산업 자동화, 자판기 및 보안 빔에 사용됩니다.
• 광학 데이터 전송:단거리, 저속 데이터 링크용(IrDA는 일반적인 표준이었음).
• 야간 투시 조명:저조도 조건에서 감시를 위해 IR 감지 카메라와 함께 사용됩니다.

8.2 설계 고려사항

• 구동 회로:항상 직렬 전류 제한 저항이나 정전류 드라이버를 사용하십시오. R = (공급 전압 - Vf) / If 공식을 사용하여 저항 값을 계산하십시오.
• PCB 레이아웃:LED의 열 패드 아래에 충분한 구리 면적이나 열 비아를 제공하여 열을 발산하십시오(SMD인 경우).
• 광학 설계:빔을 형성하기 위해 렌즈나 조리개를 고려하십시오. LED의 시야각은 검출기의 시야와 일치해야 합니다.
• 필터링:검출기에 IR 통과 필터를 사용하여 가시광선을 차단하고 신호 대 잡음비를 개선하십시오.
• 변조:센싱 응용 분야의 경우, IR 신호를 변조하고(예: 38kHz) 동기화된 검출기를 사용하여 주변광 간섭을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

9. 기술 비교

다른 IR 광원과 비교:

• 850nm IR LED 대비:850nm LED는 종종 희미한 붉은 빛을 내며 햇빛 간섭에 더 취약하지만, 재료 효율로 인해 동일한 구동 전류에서 약간 더 높은 복사 강도를 제공할 수 있습니다. 940nm는 은밀한 작동과 더 나은 햇빛 제거를 위해 선호됩니다.
• 레이저 다이오드 대비:레이저는 장거리 또는 정밀 센싱에 이상적인 간섭성, 좁은 빔을 제공하지만 더 비싸고, 더 복잡한 구동 및 안전 조치가 필요하며, 더 좁은 방출 스펙트럼을 가집니다.
• 백열 IR 광원 대비:필라멘트 기반 광원은 광범위한 스펙트럼의 IR을 방출하지만 비효율적이고, 느리며, 취약하고, 상당한 열을 발생시킵니다.

940nm LED는 주류 소비자 및 산업 응용 분야에 대해 비용, 효율, 신뢰성 및 성능의 최적 균형을 제공합니다.

10. 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 제 940nm LED가 왜 보이지 않나요?

A: 인간의 눈의 감도는 약 750nm를 넘어서면 급격히 떨어집니다. 940nm는 적외선 스펙트럼 깊숙이 들어가 있어 본질적으로 보이지 않으며, 이는 많은 응용 분야의 핵심 기능입니다.

Q: 이 LED를 5V 또는 3.3V 마이크로컨트롤러 핀에서 직접 구동할 수 있나요?

A: 아니요. 항상 직렬로 전류 제한 저항을 사용해야 합니다. 마이크로컨트롤러의 GPIO 핀은 안정적인 전류를 공급할 수 없으며, LED의 낮은 순방향 전압으로 인해 거의 단락 상태를 만들어 손상될 수 있습니다.

Q: 최적의 저항 값을 어떻게 결정하나요?

A: 옴의 법칙을 사용하십시오: R = (Vs - Vf) / If. 예를 들어, Vs=5V, Vf=1.4V(전형적), If=20mA인 경우: R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 옴. 다음 표준 값(예: 180Ω 또는 220Ω)을 사용하십시오.

Q: 언급된 "정전기 방지 백"의 목적은 무엇인가요?

A: 이는 저장 및 운송 중에 LED를 정전기 방전(ESD)으로부터 보호하며, 손상이 즉시 보이지 않더라도 민감한 반도체 접합을 손상시킬 수 있습니다.

Q: 주변 온도가 성능에 영향을 미치나요?

A: 네, 상당히 영향을 미칩니다. 복사 강도는 온도가 증가함에 따라 감소하고, 순방향 전압은 감소합니다. 중요한 응용 분야의 경우, 디레이팅 곡선을 참조하고 이에 따라 열 관리를 설계하십시오.

11. 실제 사용 사례

사례 연구 1: 스마트폰 근접 센서

940nm LED는 이어피스 근처에 배치됩니다. 통화가 활성화되면 LED는 짧은 펄스를 방출합니다. 근처의 광검출기는 반사된 빛을 측정합니다. 물체(사용자의 귀와 같은)가 가까이 있으면 반사된 신호가 강해지고, 터치스크린은 우발적인 입력을 방지하기 위해 비활성화됩니다. 940nm 파장은 통화 중에 가시광선이 보이지 않도록 보장합니다.

사례 연구 2: 산업용 컨베이어 물체 계수기

IR LED와 검출기는 컨베이어 벨트의 반대편에 장착되어 빔을 생성합니다. 물체가 통과하면 빔이 끊어지고 계수기가 작동합니다. 변조된 940nm 신호를 사용하면 시스템이 공장 바닥의 뜨거운 물체나 기계에서 나오는 지속적인 IR 복사를 무시하는 데 도움이 됩니다.

12. 동작 원리

적외선 LED는 반도체 p-n 접합 다이오드입니다. 순방향 바이어스(p측, 애노드에 양의 전압이 인가됨)가 걸리면, n 영역의 전자가 접합을 가로질러 p 영역으로 주입되고, p 영역의 정공은 n 영역으로 주입됩니다. 이러한 소수 캐리어는 반대 영역의 다수 캐리어와 재결합합니다. IR LED에 일반적으로 사용되는 갈륨 비소(GaAs) 또는 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs)와 같은 직접 밴드갭 반도체 재료에서 이 재결합 사건은 광자(빛 입자) 형태로 에너지를 방출합니다. 방출된 광자의 파장(색상)은 반도체 재료의 밴드갭 에너지(Eg)에 의해 결정되며, 방정식 λ ≈ 1240 / Eg (eV)에 따릅니다(여기서 λ는 나노미터 단위). 940nm 파장의 경우 밴드갭 에너지는 약 1.32 eV입니다. 특정 재료 구성(예: AlGaAs)은 이 정확한 밴드갭을 달성하도록 설계됩니다.

13. 기술 트렌드

IR LED의 발전은 응용 수요에 의해 주도되는 몇 가지 주요 트렌드를 따릅니다:

• 증가된 출력 및 효율:지속적인 재료 과학 및 칩 설계 개선으로 더 높은 복사 강도와 벽면 효율(광 출력 / 전기 입력)이 얻어져 더 긴 범위 또는 더 낮은 전력 소비가 가능해집니다.
• 소형화:패키지 크기는 계속 축소되어(예: 칩 스케일 패키지) 웨어러블 및 초박형 스마트폰과 같은 점점 더 작은 소비자 기기에 맞출 수 있습니다.
• 통합 솔루션:LED, 드라이버, 광검출기, 때로는 마이크로컨트롤러까지 단일 패키지로 결합한 모듈로의 이동이 있으며, 이는 최종 사용자를 위한 설계를 단순화합니다(예: 완전한 근접 센서 모듈).
• 새로운 스펙트럼으로의 확장:850nm와 940nm가 지배적이지만, 특수 응용 분야(예: 가스 감지(특정 흡수선 사용) 또는 향상된 생물 조직 이미징)를 위한 다른 IR 파장에 대한 관심이 증가하고 있습니다.
• 개선된 열 관리:더 낮은 열저항을 가진 새로운 패키지 설계는 까다로운 환경에서 더 높은 구동 전류와 지속적인 출력을 허용합니다.

이러한 트렌드는 자동차 LiDAR 및 생체 인증부터 고급 환경 모니터링에 이르기까지 더 광범위한 응용 분야에 대해 IR 센싱을 더 신뢰할 수 있고, 컴팩트하며, 에너지 효율적이고, 접근 가능하게 만드는 것을 목표로 합니다.