LED, 우연한 발견이 가져온 조명의 혁명

LED가 발명되지 않았다면, 우리 생활은 어땠을까요? 전력소모가 높고 수명이 짧은 백열등과 형광등을 사용하고, 음극형광램프(CCFL)가 탑재된 LCD TV, 배터리 소모가 많고 어두운 화면을 가진 휴대폰 등에 만족해야 했을지도 모릅니다.

이처럼 리모콘부터 휴대폰, TV, 전광판, 전구 등 우리 생활 곳곳에 함께 하는 LED는 약 100여 년 전 영국의 한 엔지니어에 의해 우연히 발견되었는데요, 우연한 발견이 가져온 대혁명의 이야기를 들려 드리겠습니다.

■ LED의 기원: 우연히 발견한 빛

화합물 반도체인 LED(발광다이오드)의 역사는 약 100년을 거슬러 올라갑니다. 1907년 영국의 라디오 엔지니어인 헨리 조셉 라운드(Henry Joseph Round)는 진공 다이오드의 대체물로서 금속-반도체 탄화규소(SiC) 정류기의 전기적 특성을 조사하던 중, 고체상의 재료에서 빛이 방출되는 현상을 우연히 발견했습니다. 라운드는 이 전자발광(electroluminescence) 현상을 두 문단의 짧은 글로 Electrical World 저널에 발표했습니다. 하지만 그 당시에는 큰 주목을 받지 못했는데요, 이때만 해도 우연한 발견이 훗날 혁명을 가져올 것이라곤 생각하지 못했던 것이죠.

라운드 이후의 LED 연구는 많은 광자(photon)를 생성해 내고, 그 광자를 가능한 많이 밖으로 추출(light extraction)하는 것을 목표로 이루어졌습니다. 또한 LED는 화합물 에너지 차이에 따라 발광하는 빛의 색상이 달라지기 때문에, 어떤 화합물을 어떻게 조합하는가에 대한 연구도 함께 이루어졌는데요, 다양한 가시광 영역 중 적색~노란색의 장파장 영역에 대한 연구에서 먼저 진전이 있었습니다.

Nick Holonyak Jr.는 Ga(As₁–_xP_x) 가시광선 영역의 발광소자를 실현하는데 집중해 1962년 적색 발광 다이오드 개발에 성공했습니다. 이는 최초의 실용적인 발광소자로 인정받고 있습니다. 이후, 80년대 접어들면서 적색~노란색의 장파장 영역의 고효율 발광 소재로 AlGaInP 화합물 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되며 현재의 기술력에 이르게 되었는데요,

청색~자색의 가시광선 단파장 영역 발광소자에 대한 연구는 1960년대 후반부터 시작되었습니다. 여러 기업과 기관에서 청색 발광소자 개발에 도전하였으나 낮은 효율성 등의 문제로 성공이 쉽지 않았는데요, 1990년대 초에 이르러서야 GaN 기반의 재료를 이용한 청색 LED 개발에 성공했습니다. 여전히 결함이 많았지만, GaN 기반의 LED가 성공을 거둔 것 만으로도 획기적인 일이었습니다. 이를 바탕으로 녹색 LED도 개발되었으며, 오늘날 백색 LED도 탄생할 수 있었기 때문입니다.

■ 백색 LED의 구현: 디스플레이에서 조명으로 발전한 LED

LED는 기본적으로 단색 광원입니다. 화합물의 조합에 따라 가시광의 장파장 영역부터 단파장 영역까지의 각기 다른 빛을 발합니다. AlGaInP계열은 적색~노란색의 장파장을, GaInN 계열은 푸른 단파장의 광원으로 사용되고 있습니다.

이러한 단색 광원으로서의 LED는 주로 신호등, 전광판 등 정보 전달용 디스플레이로 사용되어왔는데요,1990년대 청색 LED 개발에 성공한 이후 백색 LED를 구현할 수 있게 되면서 조명시장에 LED가 등장했습니다.

백색 LED를 구현하는 데에 청색 LED가 중요한 이유는, 빛의 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 학창시절 미술 시간에 배웠듯이 빛의 3원색(빨강, 초록, 파랑)을 모두 섞으면 흰색을 발하는 성질을 적용한 것입니다. 백색 LED를 구현할 때에도 청색 또는 자색의 LED 칩 위에 다른 색상의 형광물질을 도포하거나, 두 개 또는 세 개의 LED 칩을 조합해서 백색을 얻습니다. 

지금도 단색 광원의 LED 칩과 형광체를 조합하여 고연색성의 백색 LED를 구현하기 위해 연구가 꾸준히 진행되고 있는데요, 이는 조명으로 LED에 대한 관심과 기대가 높기 때문입니다.

■ 백색 LED: 단순한 발전이 아닌 조명의 혁명

한 때 인류 역사상 최고의 발명으로 꼽히던 백열등, 그리고 현대 사회에서 가장 널리 사용되고 있는 조명 중 하나인 형광등. 그러나, 이들 조명은 높은 전력소비와 수은 사용, 그리고 짧은 수명으로 인한 환경오염의 문제를 내포하고 있습니다.

이 때문에 2012년 유럽과 일본은 모든 종류의 백열등 생산, 수입, 판매 금지를 발표했고, 미국 또한 일부 종류의 백열등 판매를 금지하며, 에너지 절감 대책 마련에 나서고 있는데요, 우리나라 또한, 2013년부터 백열등 판매를 금지하는 것을 발표했습니다.

이처럼 고효율, 친환경 조명의 필요성이 확대되고 있는데요, LED 조명은 높은 에너지 효율과 친환경적 특징으로 차세대 조명으로 주목받고 있습니다.

일각에서는 조명산업의 기술혁신에 대해 재미있는 해석을 내놓기도 했습니다. 바로 1879년 에디슨의 백열등 발명을 기점으로, 60년주기로 커다란 기술 혁신이 일어난다는 것입니다. 인류에게 해가 진 후에도 활동할 수 있는 빛을 선물한 백열등 발명 이후 59년이 지난 1938년에는 형광등이 탄생했고, 그로부터 58년 후인 1996년에는 백색 LED가 탄생했으니 일리 있는 해석이죠?

전문가들은 2015년이면 LED가 백열등을 제치고 형광등과 함께 주요 조명으로 자리 잡을 것이며, 곧 형광등도 대체 가능할 것으로 전망하고 있습니다. 또한 미래 조명 시장을 주도하고, 생활 방식의 변화에도 영향을 미칠 중요한 광원이라고 평가하고 있습니다.

■ Smart LED: 조명을 넘어 스마트 광원으로

우연히 발견된 반도체 광원에서 조명으로 발전한 LED. 반도체이기 때문에 빛의 색상이나 색온도, 밝기 등 제어가 가능한데요, 따라서 LED는 기존 조명만 대체하는 것이 아니라, 전체 광원 산업의 혁명을 불러오고 있습니다.

빌딩 전면에 LED를 설치해 아트월로 활용하거나, 도심 곳곳을 LED로 장식하는 등 조경 분야에서는 LED를 이미 활발히 활용하고 있습니다. 가정 내에서도 백열등과 형광등을 대체하고 있는데요, 또한 기분이나 컨디션에 따라 색상을 달리하여 연출하는 감성 조명이 등장하는 등 변화가 찾아올 것으로 예측됩니다. 이 외에도 각종 전자/IT 기기의 디스플레이의 성능이 향상되고, LED를 이용한 에너지 절감형 조명모듈과 시스템이 개발되어 우리 삶에 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.