파장에 따라 LED의 화각이 달라진다고? – 광학적 원리와 기술 이야기

LED 조명을 사용하다 보면, 똑같은 형태의 패키지라도 **색상(파장)**에 따라 빛이 퍼지는 각도, 즉 **화각(Beam Angle)**이 미묘하게 다르다는 걸 느끼신 적 있으신가요?

오늘은 왜 파장에 따라 LED의 화각이 달라지는지, 그 물리적 원리와 기술적 배경을 살펴보겠습니다.

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🔍 LED의 화각(Beam Angle)이란?

• 화각이란 LED가 방출하는 빛이 퍼지는 각도를 말합니다.
• 일반적으로 **광속이 중심 밝기의 50% 수준이 되는 지점의 각도(Full Width at Half Maximum, FWHM)**를 기준으로 정의합니다.
• 화각이 넓으면 확산 조명, 좁으면 스폿 조명 역할을 합니다.

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🌈 파장(색)에 따라 화각이 달라지는 이유

1. 굴절률은 파장에 따라 변한다 (색 분산)

• 렌즈나 봉형 광학재료(실리콘, PMMA, 사파이어 등)의 굴절률은 파장이 짧을수록 더 큽니다.
• 이로 인해 짧은 파장의 빛(청색, 자외선)은 더 많이 굴절되고, 긴 파장의 빛(적색, 적외선)은 덜 굴절됩니다.

✔ 같은 구조의 렌즈를 통과해도 파장에 따라 굴절각이 달라짐
→ 결과적으로 LED 발광 화각도 파장에 따라 변화함

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2. 파장에 따른 광 추적 경로 차이

• LED 내부의 광원에서 나오는 빛은 반도체 → 봉지재 → 외부 광학계를 통과합니다.
• 이 과정에서 굴절률 변화 + 내부 반사 + 파장 특성이 복합 작용하여 파장별로 최종 발산각이 달라지는 현상이 발생합니다.

예시:

• 같은 LED 구조라도 청색(450nm)은 중심 집중형 패턴,
• 적색(630nm)은 더 퍼지는 패턴을 보일 수 있음

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🛠 실제 기술 적용 사례

✅ 1. 백색 LED의 색 수차 보정

• 청색 칩 + 형광체 방식에서 파장 분포가 넓음
• 광학 렌즈 설계 시 파장 차이에 따른 초점 및 화각 편차를 보정해야 함

✅ 2. LED 조명 설계 시 렌즈 차별화

• 광학 렌즈 업체들은 파장별 최적 설계 데이터베이스 보유
• 같은 사양이라도 UV LED, 적색 LED는 서로 다른 광학계 적용

✅ 3. ToF, LiDAR, IR 송신부 설계

• 근적외선 LED 사용 시 일반 가시광보다 화각이 더 퍼지는 경향
• 센서 정밀도, 거리 탐지 성능에 영향을 미침 → 보정 필수

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📌 기술적 참고 사항

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💡 정리하자면

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📝 마무리하며

파장에 따라 LED의 화각이 달라지는 현상은 단순한 “색깔 차이”가 아닌 정확한 광학 설계와 관련된 과학적 원리입니다.
이런 디테일이 쌓여 더 효율적이고 정밀한 광원 설계로 이어지고,
우리 일상 속의 조명, 센서, 디스플레이 품질을 높이는 데 큰 역할을 합니다.