적․녹․청색에 이어 백색 LED 등장
같은 조건에서 발광․수명 등 월등해
기업체 투자 활발…선진국 수준 눈앞

머리를 감고 있던 중 전구가 나가 당황했던 적이 있다면, 깜빡거리는 형광등 때문에 신경을 거슬려 본 경험이 있다면, 발광 다이오드인 LED(Light Emitting Diode)의 출현에 주목해 보자.

요즘은 어디서든 LED라는 이름을 손쉽게 접할 수 있다. 산업분야에서도 획기적인 발전을 이끌 성장동력으로 각광받고 있다. 그렇다면 LED는 대체 어떤 물질이고, 왜 사람들의 관심과 주목을 끌고 있을까.

우선 동작원리부터 살펴보자. LED는 우선 반도체 물질이다. 반도체에서 전기를 나르는 물질에는 ‘전자’와 전자가 빠진 자리의 ‘홀’이라는 것이 존재한다. 전자가 많은 반도체를 n형 반도체라고 하고, 홀이 많은 반도체를 p형 반도체라고 한다. 여기서 n형과 p형을 접합시키면 n형의 전자들이 p형의 홀로, p형의 홀이 n형의 전자로 이동하게 된다. 이렇게 n형과 p형이 접합된 반도체 칩에 전압을 가하면 전류가 흐르는데, 접합 부분에서 빛을 방출하는 소자가 바로 이 LED이다.

이러한 LED는 n형과 p형의 반도체에 첨가하는 불순물의 종류에 따라 다양한 파장을 구현함으로써 총천연색의 발광이 가능하다. 전자파의 파장에서 우리가 눈으로 볼 수 있는 색을  내는 파장은 가시광선이다. 여기에서 파장이 짧은 단파는 청색을 구현하고, 파장이 긴 장파는 적색을 구현한다. LED 조명에 빛을 만들어내기 위해서는 불순물을 첨가하게 되는데, 갈륨아세나이드(GaAs)라는 화학물질을 이용하면 적색이 발광하고, 갈륨나이트라이드(GaN)의 화학물질을 사용하면 청색이 가능하게 되는 것이다.

이렇게 LED의 다양한 발색은 오랜 연구 끝에 나온 결과물이다. 메모리에 사용되는 실리콘 반도체와는 달리, 빛을 낼 수 있는 화합물 반도체는 1962년 Holonyak이 갈륨아세닉포스파이드(GaAsP) 적색 LED를 처음으로 개발하면서 시작됐다.

이후 1990년대 중반 일본의 니치아 화학회사가 고휘도의 청색 LED를 개발, 생산함으로써 자연스러운 총천연색의 표시가 가능하게 됐다. 즉, 청색 LED가 적색 및 녹색 LED와 결합하면서 모든 색상을 표현할 수 있게 된 것이다. 이렇게 청색 LED의 등장은 백색 LED 상용화의 주요 발단이 됐다. 현재는 보색 관계를 이용해 백색 LED를 제작하며, 대표적인 방식으로 청색과 황색의 빛이 서로 합성해 백색을 구현하는 것이다.

LED의 빛은 현재 백열전구와 할로겐 수준으로 올라왔지만, 더욱더 밝은 빛을 내기 위해선 여러 가지 연구가 필요한 상황이다. 빛을 밝게 하는 방법으로 먼저 칩의 면적을 크게 만들면 되지만, 기업에서 이를 선호하지 않아 한꺼번에 많이 생산해내는 양산성 면에서는 비효율적이다. 그밖에 전류를 많이 흐르게 하면 되지만, 열이 많이 발생해 소자의 수명이 단축된다는 단점을 갖고 있다. 또 흔히 사용하고 있는 사파이어 기판은 열전도성이 떨어져 갈륨나이트라이드(GaN) 기판으로 대체하는 것이 좋으나, 이는 가격이 비싸고 대량생산을 하지 못해 실질적으로 사파이어 기판이 가장 많이 사용되고 있다. 이밖에 빛의 효율성을 높이기 위해 빛의 굴절을 조정하는데 이것은 기판에 굴곡을 줌으로써 개선해 나가고 있다.

에너지 절약의 핵심으로 떠오르면서 LED는 더욱 주목을 받고 있다. 많이 알려져 있다시피 LED는 저전압에서 구동을 할 수 있다. 예를 들면 보통 형광등과 LED 조명이 똑같은 밝기의 빛을 내는데 형광등이 전력을 60W에서 100W를 사용한다면, LED 조명은 8W에서 10W의 정도 밖에 소모하지 않는다. 또한 백열전구가 100의 전류를 흐르게 한다면 5%정도 밖에 발광하지 못하지만, LED는 15%까지 발광이 가능하다.

LED의 장점 중 하나는 다른 발광체에 비해 수명이 길다는 점이다. 우리가 사용하고 있는 형광등이 3천 시간을 사용할 수 있다면, LED 조명은 1만5천 시간에서 10만 시간까지 사용 가능하므로 반영구적이라고 말 할 수 있는 것이다. 그러나 아직 일상생활에서 쓰이지 못하는 이유는 LED 조명이 형광등에 비해 가격 면에서 경쟁력이 떨어지기 때문이다.

아직 우리나라의 LED 기술은 선진국의 80% 밖에 못 미치는 수준이지만, 최근 성장동력사업으로 선정되면서 그 미래는 매우 밝다. 유재형(반도체과학기술·박사4학기)씨는 “최근 기업들의 투자와 관심이 커지면서 LED 기술의 성장속도가 빠른 편”이라며 “향후 5년에서 10년 안에 선진국과 기술의 동등해지거나 앞서나갈 수 있을 것”라고 내다봤다. 기술과 생산력이 높아진다면 가격 경쟁력도 높아져 실생활에서 훨씬 더 많이 활용될 것으로 보인다.

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