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LED

last modified: 2015-03-15 23:01:11 by Contributors

Contents

1. 발광 다이오드(Light Emitting Diode)
1.1. 개요
1.2. 작동원리
1.3. 장점
1.4. 단점
1.5. 용도
2. 철도나 버스에서 행선지 표시를 위해 사용하는 장비
3. 매직 더 개더링의 카드 Lion's Eye Diamond의 약자 및 애칭
4. BEMANI 시리즈의 아티스트의 작곡가 L.E.D.


1. 발광 다이오드(Light Emitting Diode)

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[JPG image (13.4 KB)]

음악방송 LED 테러의 주범 사진에 보이는 것은 고휘도 LED이다. 일반적으로 생각하는 LED는 이것이지만, 단어적인 의미에서 따져보면, 원래는 휘도가 더 낮은 것이 정상

1.1. 개요

전류의 방향이 일정 전극 방향과 일치하면 불빛이 나는 다이오드. 20세기에 발견되어 초기부터 사용되었으며, 지속적인 연구와 개량으로 인해 성능이 이전에 비해 많이 향상되었다.

1.2. 작동원리

p-n 접합에 그 기초를 두고 있으며 작동원리는 전자와 양공이 만나면 가지고 있던 에너지 차이, 즉 에너지 밴드 갭에 해당하는 파장의 빛을 내는 구조이다. 물리 Ⅰ을 배웠다면 E = hν 를 떠올려 보자.

이 과정에서 사용하는 원소를 다르게 하면 방출되는 에너지의 양이 달라지는데 이러한 에너지의 양의 차이에 의해 빛의 파장의 길이가 결정되고 그에 따라 다른 을 낼 수 있게 된다. 빨간색은 주로 GaAs를, 초록색은 주로 GaP를, 파란색은 주로 GaN를 기반으로 한다. 셋 다 인듐 등의 원소 첨가량을 바꾸며 밴드 갭을 조절할 수 있다.[1] 적외선이나 자외선을 내는 LED도 있는데 적외선은 AlGaAs, 자외선은 무색투명한 탄소 덩어리로 만들 수 있다.

양자점 LED라는 방식도 있는데, 이는 물질의 크기가 작아지면 양자 역학에서 말하는 양자제한효과가 일어나 유효 밴드갭이 변화하는 것을 이용한다. 따라서 동일한 물질을 가지고 입자의 크기만 달리해서 발광하는 색을 달라지게 할 수 있는데, 이를 이용하면 고효율 단색 LED로 품질 높은 백색 LED를 만들 수도 있다. OLED에 비해 색 순도가 매우 높고 무기물인데다가 OLED처럼 작게 만들 수도 있고, LED보다 싸므로 차세대 광원 및 디스플레이용으로 각광받는 연구분야이다. RoHS 때문에 주로 사용되고 있는 CdS의 대체물질도 찾아야 하고 할 것이 많다.

흰색 LED는 일반적인 디스플레이의 구현법과 같이 R,G,B 3원색의 LED를 세트[2]로 묶거나, 파란색 LED에 노란색 빛을 내는 형광 물질을 도포[3]하여 제작한다.[4] 눈에 편한 흰색을 구현하기 위해 UV LED에 R, G, B 형광물질을 이용하는 방법도 있다.

실리콘으로도 만들 수 있지만 간접천이형이라 직접천이형인 위 물질들에 비해 효율이 극히 떨어진다. 덕분에 실리콘 기반 LED는 거의 사장되었고 이렇게 효율이 떨어지는 건 태양전지도 마찬가지이다. 다만 태양 전지의 경우 CIGS 등 직접천이면서 흡수 파장대가 넓은 물질이 비싸서 실리콘 기반 태양 전지가 쓰이고 있다.

여기에 사용되는 에너지 띠 그래프의 x축은 브릴루앙 영역인데[5] 전도대역이 최소값을 가지는 x값과 가전자대역이 최대값을 가지는 x값이 같으면 직접천이형으로 밴드 갭에 해당하는 에너지가 모두 빛으로 나오지만 x값이 다르면 간접천이형으로 밴드 갭에 해당하는 에너지가 모두 빛으로 나오지 않고 일부가 포논이 되므로 격자 진동을 일으켜 열로 소모된다. 더 자세히 알고 싶다면 고체물리를 공부하면 된다.

LED 조명의 여명기에는 청색과 백색 LED는 비싸다는 단점이 있었지만, 그나마도 중국의 힘으로(...) 기존 조명에 쓰일만한 정도의 저성능 LED는 대량 생산에 성공해 매우 싼 가격에 구할수 있게 되었다. 고성능 LED는 여전히 Cree사나 오스람사, 니치아사 정도에서나 생산되는지라 수요에 비해 공급이 딸릴 지경이지만 이나마도 상당히 가격을 내리는데 성공했다.

대한민국에서 이 분야 본좌 기업은 서울반도체라는 벤처기업. (다만 LED칩을 직접적으로 생산하지는 않고 cree 등에서 공급받은 칩을 패키징한다. 물론 LED 패키징도 LED의 특성을 좌우하므로 기술력이 없는 기업이라곤 할 수 없다 ) 그외에 타이탄코리아, 마이크로하이테크 등 LED를 패키징하거나 저가칩을 생산하는 업체들이 국내에도 몇몇 있다. 다만 LED칩 생산은 중국발 저가칩들이 엄청나게 쏟아져 들어온뒤로는 할 필요가 없어져서 국내 업체들의 주 업무는 상술했듯이 패키징이다.

청색과 백색이 비쌌던건 당시에는 바로 나온지 얼마 안됐기 때문이기도 하고 증착하기가 거지같기 때문이다. 반도체 물질의 받침으로 주로 사용되는 사파이어 기판과 격자상수가 차이가 좀 많이 나서 그냥 증착하면 계면이 쩍쩍 갈라지는 헬게이트가 열리므로, 증착 전 기판에 버퍼층을 두거나 기판을 바꾸거나 하는 방법으로 격자상수 차이를 완화해야 한다. 실제로 시판되는 청색 LED들은 계면에서 이런 헬게이트를 방지하고자 10여층의 단결정 박막이 증착된다. 이러니까 비싸지

백색은 앞에서 볼 수 있듯이 청색을 기반으로 형광 물질을 도포하는 경우가 대다수이다. 정확히 말하자면 청색이 좀 늦게 나왔다. 옛날 컴퓨터들의 본체에 쓰인 발광체들을 보면 알 수 있지만 예전에 주로 쓰이던 LED색상은 적색과 노란녹색. 청색은 SiC를 기반으로 한 간접천이형이나 적색 LED에 청색 형광 물질을 사용하여 구현했으나 효율이 극히 떨어졌다. GaN이 청색을 발광하는 성질이 있다는 것은 이전에도 알려져 있었지만 위의 격자상수 문제때문에 실험실 수준에서만 제조가 가능할 뿐이었다. 그러다 일본에서 결함을 일부러 만들어내는, 통념을 깨는 방식으로 접근해 청색 LED의 반도체 물질인 GaN의 실용적인 증착법을 개발하고, 순수 청색과 동시에 백색을 구현하는 데 성공한 것이다.

결국 청색 LED의 개발의 공로를 인정받아 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지가 2014년 노벨물리학상을 공동 수상하였다. 이중 GaN의 실용적인 증착법을 개발한 나카무라 슈지는 자신의 회사에 대해 소송을 제기하여 직무발명 분야의 기념비적인 판결을 세운 것으로도 유명하다. 그리고 이 판결의 결과는 나카무라 슈지가 5억엔 또는 8억엔을 받는[6] 것으로 마무리가 되었다.

1.3. 장점

전기 에너지를 빛 에너지, 특히 가시광선 영역으로 거의 100% 변환할 수 있는 최고효율의 발광기기다. 민간에 있어서는 대개 조명계의 혁명 정도로 받아들여진다. 특히 LED를 이용한 플래시라이트가 등장하면서 손전등 방면에서는 일대 혁명을 일으켰다. 휴대성을 중시한 소형 손전등이 이전까지 아무리 날고 기어봤자 20루멘의 영역을 못벗어났다면 LED 도입 이후의 손전등은 새끼손가락만한게 100루멘, 엄지손가락 만한게 350루멘, 한손에 여유있게 잡고 쓸만한건 무려 1000루멘을 넘고 2000루멘까지도 넘보는 경지에 이르렀다.(...) 또한, 매우 고효율이라 건물 내에서 태양 없이 식물을 경작하기도 한다. 여기에는 적색과 청색 LED를 사용하는데 식물이 이 파장대의 빛을 광합성에 가장 많이 사용하는 원리를 이용한다. # # 일반 가정집(백열구+할로겐+형광등)이 내부 인테리어 공사하면서 몽땅 LED 로 바꾸니 전기세가 절반으로 줄어들드라 라는 이야기는 이젠 흔하다.

옛날에 쓰인 전구형광등에 비해 작고 견고하고 수명도 길다. 크기로는 먼지 만큼 작아질 수 있어서 얇은 핸드폰에도 일찌감치 들어갈 수 있었으며, 쉽게 필라멘트가 타버리는 백열구나 유리가 깨질 위험이 있는 형광등에 비해 조그마한 플라스틱 덩어리라 비교할 수 없이 내구성이 높다. 그리고 적절한 환경에서 사용할 경우 백열구(수백시간)나 형광등(수천시간)에 비해 천배 만배 (수십만 시간) 가까운 수명을 자랑한다.

TV의 적외선 리모콘 수신부가 형광등의 전자식 안정기에서 나오는 전자파의 간섭을 받아 오동작 하는 경우가 있는데, LED 등은 그럼 점이 없다는 부수적인 장점이 있다.

1.4. 단점

일단 단가가 비싸다. 전구가 몇백원, 형광등도 몇천원이면 사는데 LED 사업이 뜨기 이전인 5년 전만 해도 100w 백열구와 같은 빛을 내는 LED 전구의 가격은 2만원이 넘었었다. 수명이 최소 10배 이상은 가기 때문에 옛날에 샀어도 장기적으로 볼 때 어느정도는 이득이긴 하지만 비싼 초기비용은 어쩔 수 없었다.

허나, 중국제 LED 조명의 약진[7]으로 품질을 유지하면서 계속 단가를 떨어트리는데 성공해서, 민간시장에 있어 LED는 더 이상 비싼 조명기구가 아니다. 오히려 휴대용 조명분야에서 LED가 아닌 다른 조명들은 HID정도를 제외하면 다 사장되어가는 분위기다.(...) 2015년에 접어드는 현재에는 5천원대부터 전구를 구입할 수 있으며, 유명 메이커 제품이 아닌 저가 제품들은 3000원부터도 구입할수 있다. 이나마도 해외직구로 구하면 훨씬 싸게 구할수 있는 수준. 그리고 형광등값도 몇 백원대까지 내려가버렸다

일반인에겐 익숙하지 않은 불빛이라 거부반응도 있다. 조명을 받은 대상이 얼마나 자연색(태양아래 색)에 가까운지를 의미하는 연색성이 다른 조명에 비해 상대적으로 떨어지고[8] 조명으로 사용할 경우 점광원이기 때문에 눈이 부시므로 광확산PC나 광확산필름같은 빛을 분산시키기 위한 부품이 필요하다.[9] 싸구려 저가형 LED 조명 중에서는 회로가 시원찮아서 60hz(교류) 주파수에 따라 옛날 형광등처럼 깜빡거리는 LED 도 있다. 물론 눈이 쉽게 피로해지고 카메라에서는 플리커링 현상이 일어나기 때문에 매우 안 좋은데도 은근히 시중에 함정같이 많이 깔려 있으므로 주의. (직접 켜보고 테스트 한 후 사면 된다)

하지만 기술의 발전과 LED등의 개량에 힘입어 연색성은 다른 조명에 필적할 정도로 개선하는데 성공했고[10] 회로도 계속해서 상향평준화가 이루어지고 있기 때문에 저가 제품군도 평균적인 질이 좋아지고 있다.

LED 구조상 열에 상대적으로 매우 약하다. 수백도까지 올라가는 백열구는 말할 것도 없고, 오래 켜놓은 형광등 정도의 온도도 LED 로서는 치명적이다. 시중에 파는 백열전구 대체형 LED 전구가 무거운 방열판을 덕지덕지 달아둔 이유가 바로 그것. 적정한 온도에서의 LED 수명은 수십만 시간이지만, 온도가 조금씩 더 올라갈 수록 수명은 제곱분의 1로 깍인다. 100도가 넘는 상황이라면 수천시간도 못쓸 수 있으니 주위 여건을 신경써야 한다. 문제는 이젠 값이 싸져서 수천시간만으로도 효율적이라는 것

다만 발열문제로 따지자면 백열전구가 훨씬 심각하다. 형광등의 발열도 백열전구보다 낮다는것이지 LED에서 나오는 발열에 비하면 훨씬 뜨거운편에 속한다. 그리고 LED등에 숨어있는 어댑터가 사실상 발열의 주범이다. 발열 문제는 LED 회로기판과 어댑터의 개량으로 상당수 해결한데다 어차피 LED의 발열 자체가 조명중에서는 낮은편이었으며, 조명기 구조 자체에 방열설계를 도입함으로서 추가로 발열을 낮추는데 성공했다.

그리고 형광등보다 광효율이 좋긴 한데, 홍보에서 주장하는 것처럼 월등하지는 않다. 흔해빠진 컴팩트 형광등이 8~11.45%의 효율인데, 일반적인 LED는 잘 나오는 게 14.9%#.[11]

결정적으로 반도체이기 때문에 전원환경에 매우 민감하다. 한방에 훅하고 고장나는 일이 많다. 다만 이건 기술 노하우가 쌓이지 않은 일부 제조업체가 처음부터 잘못 만들어서 문제가 되는 경우거나, 저출력의 싸구려 LED를 여러개 갖다붙인 형식의 전구일 경우 부하를 이기지 못하고 고장나는 경우가 꽤 있다.[12]

1.5. 용도

한국에서는 신호등, LED광고판, 자동차의 라이트, 그리고 아래의 2. 등에서 사용하고 있으며, 백색 LED의 개발에 따라 형광등 및 백열등을 대체할 조명기구로 각광받고 있다. 국제수은협약에 따라 2020년에 형광등이 퇴출(기사)된다면 그 수요가 늘어날 전망이다.

소니에서는 화소로 LED를 이용한 LED TV를 발표하기도 했으나 전시회 출품용으로, 실제 판매될지는 알 수 없다. 좋은 색재현성이나 빠른 화면 응답 속도 등은 장점이지만 문제는 이미 LCD, LED 백라이트[13], PDP 등이 치열하게 경쟁하는 상황이라 실제로 출시될지는 불확실하다. 또한 소니에서는 OLED(=유기발광다이오드)를 이용한 TV를 출시하기는 했지만 48인치 짜리가 천만원 크리. 말 그대로 프로토타입인 셈이다. 2014 년 현재 기준 으로 OLED TV 는 55인치가 300만원 대에도 팔리고 있다.

대형 전광판에는 LED로 화면을 만드는 경우가 많다.

여담으로 작고 빛나기에 공대개그로 종종 쓰인다. 예를 들면 이런거

2. 철도나 버스에서 행선지 표시를 위해 사용하는 장비

위의 LED를 이용해서 철도버스에서 행선지 표시를 하기 위한 용도로 사용되는 장비. 철도 승강장이나 버스 정류장 전광판에서도 많이 보이지만, 보통은 철도 차량이나 버스의 행선판에 대해 많이 쓰는 용어이다.

철도의 경우 형광등을 사용하는 롤지식 행선안내판에 비해 전기를 매우 덜 먹는다. 물론 롤지도 백색 고휘도 LED를 사용하면 전력소모를 줄일 수 있겠지만 그냥 교체하는 김에 한번에 싸그리 교체한 듯. 대체적으로 1990년대 후반부터 국내에 알려지면서, 전반적으로 퍼지게 되었다.
국내에서 최초로 사용한 차량은 1991년에 도입된 장대형 새마을호 객차로 실내에는 지금 모니터가 있는 자리에 있었고 실외에는 출입문 바로 옆에 있었으며 행선지와 차호를 알려 주었다. 이후 1992년에 PP동차에도 LED가 달린채로 도입되었다.

작동원리는 TGIS를 통하여 역이름을 설정해주면 LED에 그대로 출력되는 원리이며, 이런 연유로, 전에 없던 행선지가 추가된다거나 하면 TGIS내 펌웨어를 수정해야한다.

국내에서 주로 쓰는 LED 색상은, 초록색(노란색 비슷), 빨간색, 주황색 정도인데, 일단 가격이 싸고, 낮 시간대에도 잘 보이는 색상이 저 색상이기 때문이다. 인천 도시철도의 경우에는 LED중에서도 비싸다는 파란색을 이용하고 있는데, 거의 전 구간이 지하에 깔려 있기 때문에 시도해 볼만했던 듯.

철도 동호인들의 입장에선 반반으로 나뉜다. 우선 이것 때문에 기존 롤지 교체가 빠르게 이루어졌다는 것이 흠좀무, 일본의 경우에는 한국처럼 일부러 LED 개조를 하는 경우가 드물다고.. 특히 코레일을 까는 그 많고 많은 요소중에 하나이다.[14] 물론 LED가 롤지보다 경제적인 건 사실이므로 단순히 롤지를 볼 수 없다 하여 코레일을 까는 것도 문제가 있다. 어찌됐든 기업이 보다 경제적인 방식을 사용한다는 데 비난할 순 없지 않나?

버스의 경우 주로 대도시 시내버스 업체를 중심으로 많이 사용하고 있다. 전면과 측면 앞쪽 출입문 옆에 주로 설치된다. 기본적인 작동원리는 철도와 동일. 하지만 고장이 잦은 탓인지 LED를 철거한 후 옛 방식대로 스티커 형식의 행선판을 부착하는 회사도 많다. 시내버스 차량 수가 타 지자체와는 격을 달리하는 서울특별시 업체들의 경우, 도입 가격 때문에 행선판의 노선번호 부분만 더 밝게 비춰주는 BLU(Back Light Unit)를 사용하기도 한다. 나머지 부분은 차량에 기본사양으로 장착되는 일반 램프 사용.[15] 요즘은 고속버스 업체들 쪽에서도 전면 행선판을 LED로 교체하는 경우가 늘고 있다.

일본의 경우 철도에서는 2004년에 등장한 큐 5050계 를 시작으로E233계,N700계에 행선판에 풀컬러LED를 이용하고 있으며, 이러한 열차에서는 말 그대로 총천연색 행선안내 표지를 볼 수 있다. 열차 행선안내기에 무슨 다양한 컬러가 필요하느냐라고 하지만 일본에서는 온갖안내를 행선기에다 다 표시하기 때문이다. 기본적인 행선지부터 정차역안내, 특실표기, 다음역안내, 열차종별까지. 이전까진 별도의 롤지를 달던가해서 해결하던부분을 손쉽게 해결할 수있게되었다. 한국에도 있긴있는데, 바로 시제차 HEMU-430X. 유난히 밝고 독특한 배색을 가진 행선기를 쓰고있는걸 보면 확실하다. 하지만 풀컬러LED의 경우 아직 단가가 비싸기 때문에 널리 보급되려면 시간이 좀 걸릴 듯[16].

LED에 표시된 글씨를 디지털 카메라로 촬영하면 글씨가 반으로 잘리거나 아예 안 보이게 되는 경우가 있다. 이는 LED에 들어가는 전기가 60Hz(초당 60번 깜빡거리는 동작)이기 때문, 셔터 스피드를 낮추면 LED가 깨끗하게 나오는 사진을 찍을 수가 있다.

시외 직행버스의 전면 행선판에는 기점을 표시하지 않고 기점 다음에 나오는 정류장부터 표시하는 경우가 대부분인데, LED에도 이런 전통(?)이 이식되면서 이로 인해 부산사상발 목포행이 "섬진강▶목포"로 뜬다거나, 유스퀘어발 나로도행이 "학동▶나로도"로 뜨기도 한다.

3. 매직 더 개더링의 카드 Lion's Eye Diamond의 약자 및 애칭


4. BEMANI 시리즈의 아티스트의 작곡가 L.E.D.


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  • [1] 일단 밴드갭으로 봤을 때 초록색은 GaP가 색이 나오지만 실제로는 GaN에 Al이나 In 등의 도핑을 다르게 해서 사용하는 경우가 많다.
  • [2] LED를 사용한 전광판은 이렇게 서브픽셀을 구현해서 디스플레이의 역할을 한다.
  • [3] 이렇게 하면 파란색 빛과 노란색 빛이 섞이는데, 이 두 색은 이기 때문에 두 빛이 섞인 빛은 우리 눈에는 흰색으로 보인다. 다만 이렇게 만든 흰색 LED는 색성이 낮고, 청색광 때문에 상대적으로 눈을 피로하게 하는 경향이 있다.
  • [4] 주로 YAG 계열의 형광 물질이 사용된다.
  • [5] 역격자 공간에서 결정격자가 가지는 주요 방향을 의미한다.
  • [6] 이 엄청난 기술을 개발한 그에게 당초 주어진 보상금은 고작 2만엔(!!)이었다.
  • [7] LED 방면에서만큼은 중국제가 절대로 메이드 인 차이나가 아니다. 오히려 유럽제보다 훨씬 싼데다가 품질마저 유럽제를 뛰어넘는 경우까지 생겨서 현재 LED 조명은 중국산이 거의 독점하다시피 하고있다. 말 그대로 명품이 값마저 싸다.
  • [8] LED 스탠드 상품설명을 보면 연색지수(CRI)가 90을 넘는다고 광고하는데 광고의 사실유무를 떠나서 형광등은 대부분 90을 넘고 할로겐이나 백열전구는 거의 100에 가깝다. 물론 나트륨등보다는 낫지만.
  • [9] 다만 손전등계에서는 오히려 면광원 취급을 받는다. (사실 면광원의 본좌인 형광등을 제외하면 LED는 조명계에서도 그다지 점광원 취급도 못받는다) 손전등에 쓰이는 광원중에서는 가장 넓은 발광면적을 지니기 때문. HID가 아크 발광으로부터 극단적인 점광원을 얻어서 비교를 불허하는 집광성을 자랑하는것에 비하면 LED는 빛이 광범위하게 퍼져서 SMO 반사경을 사용하더라도 왠만하면 조사거리가 500m대를 잘 못벗어난다.
  • [10] 오히려 자유자재로 색온도를 조절할수 있는 정도까지 다다랐다. 비결은 LED에 특정 형광 물질을 섞어서 색온도를 인위적으로 떨어트리는 것. 이 덕분에 LED로도 기존 할로겐등이나 전구등의 빛색상을 그대로 재현할수 있게 되었다.
  • [11] 이것은 LED의 특성상 AC를 그대로 쓰기 어렵기때문에 (최근에 아크로치(AC-LED)라고 하는 AC를 그대로 쓰는 신형 LED가 개발되긴 했지만 8년이 지났는데도 보급까지는 아직 멀었다. 특히 중소기업의 LED모니터를 사면 아직도 아래쪽에 어뎁터가 달려있을 정도.)DC로 변환하면서 손실이 상당히 심각하기 때문인것도 있다. 휴대폰 충전기를 꽂고 30분정도 충전한뒤에 어댑터를 만져보자, 뜨거워진만큼 아까운 전기가 낭비된것이다.원래 전력잡아먹는 괴물인 어댑터가 LED의 효율을 전부 씹어먹는다고 생각하면 된다.
  • [12] 노란색 입자도 잘 안보일 정도의 싸구려 LED 수십개 갖다붙인 형식은 나중에 고장날 염려도 크기 때문에 오랫동안 쓸 생각은 하지 않는것이 좋다. 쓰다보면 슬슬 LED가 하나 둘씩 고장나서 못쓰게 되어가는 경우가 있다. 물론 이건 그만큼 싸기 때문에 딱히 금전적으로 손해볼일은 별로 없기는 하다.
  • [13] 액정 뒤쪽에서 LED가 비춰주는것.따지고보면 LCD의 종류중 하나이지만 원래 쓰이던 백라이트와 차이가 있기때문에 LED가 백라이트인것을 따로 표시한다.(화소가 LED인것과 헷갈리는 경우가 많다.)
  • [14] 적어도 코레일은 초저항제어열차를 제외한 모든 열차를 LED 개조를 감행하였으므로. 서울메트로는 LED개조를 하긴 했는데 전부 개조한건 아니라 그나마 덜 까이는 와중에...
  • [15] 같은 노선소속의 차량이라도, 일반 차량은 대부분 BLU를 장착한다. 저상 차량의 경우는 대부분 LED를 사용
  • [16] 이전 항목에서는 OLED라고 서술되어 있었으나, 그냥 풀컬러LED이다

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