[LED 특집] 빛의 역사를 다시 쓴다, LED

우리 사회 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있는 LED는 현재 국가적으로 ‘신성장동력’으로 선정, 무한한 활용분야 개척에 열을 올리고 있는 실정이다. ‘Light Emitting Diode’의 약자인 LED는 발광 다이오드라 부르기도 한다.

LED가 처음 세상에 공개된 것은 1907년, 지금으로부터 1세기를 거슬러 올라간다. 당시 영국에서 무선통신을 연구하던 마르코니 실험실의 연구원인 헨리 조셉 라운드에 의해 LED의 발광현상이 최초로 관찰됐다는 기록이 있다. 하지만 원하는 색상을 만들 수 없었으므로 당시로서는 ‘발광현상’의 발견에 지나지 않았다.

1920년대에 접어들면서 러시아의 전기 과학자 올레그 로제프가 라디오에 들어가는 다이이오드를 통해 발광 다이오드를 발견하게 되고 독립적인 LED 발광체를 만드는 데 성공을 거뒀다. 이 사건은 러시아와 독일, 영국의 과학 저널에 소개될 정도로 주목을 받았으나 1960년대 이전까지 상품가치를 인정받지 못했다.

오랫동안 가능성에 그쳤던 LED는 1962년 제너럴일렉트릭(GE)의 닉 홀로냑 주니어(Nick Holonyak Jr.)가 최초로 붉은 가시광선 빛이 나오는 RED LED를 개발하는 데 성공하면서 급속도로 진척을 이뤘다(홀로냑은 그 공로로 2004년 Lemelson-MIT상을 수상하기도 했다). 또한 홀로냑의 제자인 조지 크래포드(George Craford)가 Yellow LED를 개발하는 데 성공했고, 1970년대 초반 미국 가전회사 RCA가 청색 LED를 발명하는 데 성공을 거둬 LED 개발은 급물살을 타기에 이르렀다.

▲ RED LED를 최초로 개발한 닉 홀로냑 주니어 (사진 출처:http://www.gruponeva.es)

그러나 LED라는 신소재 개발에는 막대한 비용이 소요됐다. 녹색 LED가 발명된 1968년만 하더라도 가시광선, 적외선 LED 칩셋의 가격이 개당 200달러나 해 제품화하거나 개인이 연구하는 데 한계를 가질 수밖에 없었다. 빛을 내는 반도체인 LED는 무한한 가능성을 내포하고 있었지만 그 가능성을 현실적인 가격의 소형 제품화하기 어려워 또 다시 오랫동안 큰 발전 없이 지지부진한 연구가 이어졌다.

그런 LED가 빛을 보게 된 것은 1990년대에 들어서다. 1993년 나카무라 슈지라는 일본인이 고효율의 청색 LED를 최초로 상용화하는 데 성공했다. 이후 1996년경 나카무라 슈지가 청색 LED에 Yellow 인광물질을 씌워 백색광을 만드는 데 성공을 거두자 비로소 LED가 조명기구로 사용될 수 있게 되었다.

이후 LED는 조명뿐 아니라 계산기, 알람시계, 삐삐와 휴대폰의 키패드 등 다양한 분야의 제품에 백라이트 유닛으로 사용되기에 이르렀다. 참고로, 청색 LED를 세계 최초로 발명한 나카무라 슈지는 당시 재직 중이던 닛치아 화학공업으로부터 고작 2만엔의 포상금을 받았으나 낫치아 화학공업을 상대로 특허권 확인소송을 건 니카무라 슈지는 재판에서 승소, 나카무라 교수에게 200억엔을 지급하라는 판결을 내렸다.

LED는 ‘전기를 흘리면 발광하는 다이오드’라 정의 내릴 수 있다. 그렇다면 일종의 반도체 소자인 다이오드가 어떻게 스스로 빛을 띄게 됐을까? 그 원리를 살펴보도록 하자.

LED 칩의 기본구조는 포지티브(Positive) 정공이 많은 ‘P형 반도체’와 네거티브(Negative) 전자가 많은 ‘N형 반도체’가 접합된 ‘PN 접합’으로 구성된다. LED 칩에 순방향의 전압을 걸면 LED 칩 안을 전자와 정공이 이동해 전류가 흐르게 된다.

이동하는 도중 전자와 정공이 부딪치면 서로 결합하게 되고 결합 상태에서 전자와 정공이 원래 가지고 있던 에너지보다 작은 에너지로 변형되는데 이때 발생하는 여분의 에너지가 빛과 에너지로 변환되어 발광한다. 이것이 LED의 발광원리이며 발광 효율이 적을수록 적은 전기로 강한 빛을 만들 수 있게 된다.  

초기 LED는 발광할 수 있는 색이 제한적이었는데 그 이유는 LED 칩에 사용되는 화합물에 있다. Ga(갈륨), N(질소), In(인듐), Al(알루미늄), P(인) 등 반도체를 구성하는 화합물에 따라 빛의 파장이 달라지게 된다. 빛의 파장은 450nm 전후가 청색, 520nm 전후가 녹색, 640nm 전후가 적색을 띈다. 1962년 적색, 1968년 녹색, 그리고 1990년대 청색 LED가 개발되면서 빛의 3원색인 적색, 녹색, 청색의 구현이 가능하게 되었다. 이를 통해 자연계에서 얻을 수 있는 대부분의 색을 빛으로 구현할 수 있는 기술을 확보하게 되었다.

다른 조명기기와 달리 다양한 색상을 만들어냄에도 불구하고 그 크기가 획기적으로 줄어든 탓에 LED는 전자제품, 자동차, 특수장비 등의 일부분으로, 나아가서 디스플레이, 휴대폰, 노트북, 전자사전 등 소형 가전제품에도 두루 쓰기에 됐다. 그러나 무엇보다 가장 큰 성장 가능성을 가진 분야가 바로 조명산업 분야다.

▲ 네덜란드 한 주택가에 도입된 LED 보안등 적용 화면

조명산업이 가장 주목 받는 이유는 일반 국가의 전체 전력 소모량 가운데 약 20% 정도가 조명용으로 사용되기 때문이다. 조명은 다른 산업 제품과 비교했을 때 상대적으로 관리가 쉬워 여러 나라에서 LED 조명의 대중화를 위해 다양한 정책과 기준 등을 정비하고 있는 실정이다.

조명 산업에서 가장 유용한 컬러는 역시 백색이다. LED의 백색 구현 기술은 청색 LED와 노란색 형광체를 하나의 LED 패키지로 구성하는 기술이다. 기술이 발달하기 이전에는 적색, 녹색, 청색의 단색 위주로 가전제품에 사용됐지만 이제는 빛의 3원색인 적색, 녹색, 청색을 섞어 자연스러운 백색을 만들 수 있게 됐다. 일부 조명 제품의 경우 밝기의 정도와 색상까지 임의로 조절할 수 있는 조명까지 출시되었을 만큼 LED 조명의 사용 범위는 넓다 할 수 있다.

LED는 반도체 자체가 발광하는 특성을 간직해 백열등처럼 필라멘트가 끊어져 점등되지 않는 경우가 없다. LED의 수명은 제품에 따라 큰 차이를 보이지만 약 5만 시간 이상의 긴 수명을 자랑하며 전기 효율이 나쁜 백열들에 비해 90% 가량 효율이 향상된다.

인류에게 있어서 조명은 실내공간에서의 삶을 영위함과 동시에 야간생활이 가능하도록 만들어준 놀라운 기술이다. 인류의 문명과 동일한 장고한 역사를 간직한 조명 역사가 변혁을 맞이한 것은 1870년대 에디슨이 백열램프를 개발한 순간부터지만 LED는 한 세기가 넘도록 진보해온 조명 역사를 단숨에 뛰어넘을 만큼 혁신적이다. 전기 에너지를 사용하는 조명 중 가장 친환경적인 만큼 미래 시대에 걸맞은 조명이라 부를 만하다.

LED 제품의 응용 분야는 굉장히 다양하다. 초기에는 단색 점광원을 활용한 무드등이나 기기 작동등, 휴대폰 키패드 라이트 등으로 사용됐지만 백라이트 유닛으로의 가능성이 확인되면서부터 이동통신 단말기, PDA, 디지털 카메라, 캠코더 등 모바일 기기 시장에서 광범위하게 사용되고 있다.

LED는 형광등에 비해 그 수명이 길고 전력 소모가 옥내외 광고판, 소형 가전 BLU, 실내 조명, 교통신호기도 차츰 LED로 교체되고 있다.

▲ 초기 LED는 단색 발광만 가능해 모바일 기기의 키패드 조명 등으로 사용되다
LCD 화면 뒷면의 백라이트 유닛까지 확대되는 등 다양한 분야로 응용되고 있다.

무엇보다 LCD TV의 광원으로 사용되던 형광램프를 LED 칩셋으로 교체한 LED BLU(Back Light Unit) TV가 발매되면서 평판형 TV는 새로운 전환기를 맞이했다. 두께를 기존의 절반 가량으로 줄인 데 이어 전력소비량도 줄이고 명암비를 대폭 높임과 동시에 납, 수은 등 유해물질을 사용하지 않는 공정은 미래사회가 요구하는 가전제품의 모습을 닮아가고 있다.

▲ 겨울철 시청 앞 광장과 청계천에 설치돼 행인들의 발걸음을 사로잡는 LED 장식 조명, 루미나리에

이 밖에도 건물 조경용 LED, 매년 겨울 서울시청을 수놓는 빛의 축제, ‘루미나리에’, LED 세포치료 기능을 활용한 초소형 내시경, 햇빛이 없는 해저에서 규조류를 증식시켜 바닷물을 정화시키는 데에도 사용되는 등 사회 전반에 걸쳐 LED를 활용한 응용분야는 셀 수 없이 많다.