광원의 혁신, LED(발광 다이오드) I

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2014년 노벨물리학상은 일본의 세 학자에게 돌아갔다.

아마노 히로시(Hiroshi Amano), 나카무라 슈지(Shuji Nakamura), 아카사키 이사무(Isamu Akasaki)로 아카사키 이사무 박사는 이들의 주임교수이므로 두 명에 비해 25년도 더 나이가 많다.

'발광다이오드(LED)' 2014년 노벨물리학상

이들은 백열전구 등 기존의 발광체보다 더욱 효율적인 광원 공급을 가능케 한 업적으로 수상했는데 바로 발광 다이오드(LED)의 발명이다.

조명에 사용될 수 있는 백색광 제작을 위해서는 적색, 녹색, 청색 빛의 조합이 필요하다. 청색 LED는 적색이나 녹색 다이오드보다 만들기가 훨씬 어려운데 1980년대와 1990년대 이들은 다루기 어려운 반도체 질화갈륨을 사용하여 효율적인 청색 LED를 만드는데 성공한 것이다.

아마노 히로시는 일본 하마마츠 태생으로 1989년 나고야 대학에서 전기공학 박사학위를 받았다. 2002년 나고야의 메이조 대학 교수가 되었고, 이후 나고야 대학교로 옮겼다. 나카무라 슈지는 일본 이카타 태생으로 도쿠시마 대학에서 전기공학을 공부한 뒤, 1994년 도쿠시마 대학교에서 박사학위를 받고 1999년 미국 캘리포니아 대학 샌타바버라 캠퍼스의 교수가 되었다. 아카사키 이사무 박사는 교토 대학에서 전기공학을 공부한 뒤, 전기회사인 고베 코교사에서 근무를 시작했다. 이후 학계로 돌아와 1964년 나고야 대학교에서 박사학위를 받았으며 1981년 나고야 대학을 거쳐 메이조 대학교로 옮겼다.

1989년 나고야 대학의 아카사키 이사무 교수와 그의 학생 아마노 히로시는 마그네슘(Mg)으로 도핑된 질화갈륨(GaN)를 주사전자현미경으로 관찰한 후에 p-형 전도성이 생긴다는 사실을 우연히 발견하였으며,이 방법을 low-energy electron-beam irradiation(LEEBI)로 명명하였다.

이 연구는 p-형 GaN를 실현할 수 있다는 것을 보여준 것으로 발광소자 역사상 가장 중요한 발견의 하나로 여겨진다. 두 명은 3년 뒤에 1%의 효율을 나타내는 질화갈륨(GaN) p-n 접합 발광 다이오드를 최초로 발표하였으며 곧이어 일본 니치아의 나카무라 슈지가 열처리 과정을 통해 보다 손쉽게 마그네슘(Mg)이 도핑된 질화갈륨(GaN)에 p-형 전도성을 갖게 하는 방법을 개발하였다. 이를 토대로 보다 효율적이고 양산 가능한 청색 발광 다이오드를 개발하였다.

이 연구를 기반으로 조명용 백색광 LED의 근간이 되는 GaN 기반 청색 LED가 태어나 전방위적 세계를 석권하고 있는 중으로 이들은 이 공로로 2014 노벨 물리학상을 수상하였다.

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<조명의 혁신>

학자들은 100여 년 전에 지구상에 탄생하여 전 지구를 석권한 백열전등이 LED(Light Emitting Diode)에 양보하게 된 것은 우연한 발견이 가져온 조명의 혁명라고 말한다.

사실 백열전등은 효율과 수명 문제로 많은 사람들에게 고민을 주었는데 LED가 이런 문제를 그야말로 단 칼에 잘라주었기 때문이다. 사실 LED가 등장하지 않았다면 아직도 전력소모가 높고 수명이 짧은 백열등과 형광등을 사용하며 음극형광램프(CCFL)가 탑재된 LCD TV, 배터리 소모가 많고 어두운 화면을 가진 휴대폰 등에 만족해야 했을지도 모른다.

그런데 LED 등장으로 리모콘부터 휴대폰, TV, 전광판, 전구 등 우리 생활 곳곳에서 사용된다.

LED는 1980년대에 알려졌지만 엄밀한 의미에서는 약 100여 년 전 영국의 한 엔지니어에 의해 우연히 발견되었다. 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 발견했다.

헨리 조셉 라운드(1881~1966) 출처:위키백과

그러나 라운드의 발견은 당시에는 큰 주목을 받지 못했지만 학자들은 그의 발견을 통해 많은 광자(photon)를 생성하고 그 광자를 가능한 많이 밖으로 추출(light extraction)하는 것을 알고 있었다. 특히 LED는 화합물 에너지 차이에 따라 발광하는 빛의 색상이 달라지기 때문에, 어떤 화합물을 어떻게 조합하는가에 대한 연구가 진행되었다.

닉 호론야크 주니어(Nick Holonyak Jr. 1928~) 출처:위키백과

라운드의 발표로부터 약 50여년이 지난 1962년, 닉 호론야크 주니어(Nick Holonyak Jr.) 박사는 Ga(As1-xPx) 가시광선 영역의 발광소자를 활용하여 1962년 적색 발광 다이오드 개발에 성공했다. 학자들은 이를 최초의 실용적인 발광소자로 인정한다.

이후 청색~자색의 가시광선 단파장 영역 발광소자에 대한 연구가 급진전되었는데 결과는 그다지 만족할만한 수준이 아니었다. 그런데 1990년대 초에 드디어 GaN 기반의 재료를 이용한 청색 LED 개발에 성공했다. 이 역시 실용화에 많은 문제점이 있지만 GaN 기반의 LED가 성공을 거둔 것 자체로 큰 반향을 일으켰다. 이를 바탕으로 녹색 LED, 백색 LED도 탄생할 수 있었기 때문이다.

LED는 기본적으로 단색 광원이다. 화합물의 조합에 따라 가시광의 장파장 영역부터 단파장 영역까지의 각기 다른 빛을 발한다. 이러한 단색 광원의 LED는 주로 신호등, 전광판 등 정보 전달용 디스플레이로 사용되었는데 1990년대 청색 LED 개발에 성공하여 백색 LED를 구현할 수 있게 되면서 조명시장에 LED가 본격적으로 등장했다.

 

<청색과 백색 LED>

백색 LED를 구현하는 데에 청색 LED가 중요한 이유는, 빛의 특성과 밀접한 관련이 있다. 빛의 3원색이 빨강, 초록, 파랑인데 이를 모두 섞으면 흰색이 되기 때문이다. 그러므로 백색 LED를 얻으려면 청색 또는 자색의 LED 칩 위에 다른 색상의 형광물질을 도포하거나, 두 개 또는 세 개의 LED 칩을 조합해서 백색을 얻는다.

백색과 청색은 LED의 근본이라 볼 수 있으므로 이들에 대해서 설명한다.

파랑색 발광 다이오드는 주로 질화갈륨(GaN)을 재료로 하는 파랑색 빛을 가진 발광 다이오드다. 발광 다이오드는 낮은 전력으로 구동할 수 있는 광원이므로 많은 사람들이 디스플레이 장치에 응용되는 것을 기대했다.

그러나 1980년대 중반까지 빛의 삼원색에 필요한 빨강색은 실용화되었지만, 파랑색은 실용적으로 사용이 거의 불가능했다. 한편 초록은 일찍부터 실용화되었지만 순수한 녹색은 파랑색과 같은 GaN계 반도체 재료가 사용되므로 파랑색 LED의 개발까지 기다려야했다.

그러므로 발광 다이오드에 의한 RGB 디스플레이의 구현은 쉽지 않았다.

그러나 순수한 파랑색 발광의 필요성에 따라 셀렌화아연(ZnSe) 계 화합물이나 탄화규소 (SiC)를 이용한 연구가 계속 수행되었는데 이 분야 연구를 세 사람이 주로 주도하여 결국 문제점을 해결한 것이다.

그런데 2001년, 나카무라 슈지 교수는 연구 중에 발명한 ‘404 특허’를 두고 <나치아 화학공업>사를 제소하여 기업과 직무 발명자와의 관한 큰 사회문제를 일으키기도 했다. 이런 경우 업적이 아무리 좋다하더라도 문제를 일으켰다하여 노벨상 수상이 거부되기 마련이다.

그러나 나카무라 슈지 교수의 경우 특허 문제로 커다란 사회적 사건이 일어났음에도 노벨상을 수상할 수 있었던 것은 <노벨상위원회>의 말처럼 청색광을 개발하여 보다 효율적이고 친환경적인 발광다이오드(LED) 조명을 만들어 인류 생활에 기여했기 때문이다.

흰색 LED를 만드는 것은 간단한 일이 아니다.

백색광은 단색빛이 아니고 연속된 스펙트럼에 따라 구현된 색이기 때문이다. 그러나 발광 다이오드는 기본적으로 좁은 범위의 파장만 발광하므로 단일 소자에서 흰색 빛을 발생시키는 것이 불가능하다. 그러므로 학자들은 인간의 눈에는 빛의 삼원색의 혼합이나 보색 관계에 있는 2색 혼합도 흰색으로 보이는 것을 이용하여 흰색 빛을 얻는데 주력했다. 여기에서 ‘흰색’이란 ‘인간의 눈에 흰색으로 보이는 빛’을 의미한다.

다소 어려운 설명이지만 발광 부분의 팁은 청색 발광 다이오드의 물질을 이용하고 그것을 YAG계열의 형광체로 가리면 형광에서 얻을 수 있는 노란색과 투과된 파란색이 합쳐져서 흰색 발광을 얻을 수 있다. 특히 단일의 팁과 패키지만으로 흰색 발광의 구현이 가능하다. 이것이 세계 최초로 발표된 흰색 발광 다이오드이다. 이 기술이 발견됨으로써 흰색 LED는 본격적인 실용화에 들어간다.

파란색과 노란색으로 된 흰색빛은 빨간색이 적으므로 이를 조명에 사용하면 연색성이 낮아지는 단점이 있다. 특히 빨강 계열의 색 재현성이 나빠진다. 빨간 물체가 덜 빨갛게 보인다는 뜻이다.

그러나 세 사람의 연구로 인해 LED는 급격히 발전하여 파란색에서 노란색 이외의 색을 발하는 형광체나 보라색〜자외선을 발하는 발광 다이오드도 개발되었다. 더불어 형광등과 같은 삼원색을 여기 및 발광시켜 연색성을 향상시킨 흰색 발광 다이오드도 등장했다. 또한 흰색 발광의 구현 방법으로 단순하게 빛의 삼원색인 빨간색, 녹색, 파란색의 발광 다이오드의 팁을 이용해 하나의 발광원으로서 흰색을 얻는 방법도 개발되었다.

LED의 속성에 대해 보다 설명한다.

LED의 특성이자 장점은 LED가 반도체라는 것이다. 즉 우리가 흔히 알고 있는 작고 얇은 반도체 IC칩처럼, LED도 반도체의 일종이다.

LED를 우리 말로 '발광다이오드'라고 표기하는데 이는 전류를 가하면 빛을 발하는 반도체 소자이기 때문이다. 반도체는 크게 단원소 반도체, 화합물 반도체, 그리고 유기물 반도체로 분류되는데 LED는 이 중 화합물 반도체에 속한다.

화합물 반도체란 실리콘, 게르마늄 등 하나의 원소로 이루어진 단원소 반도체와 달리, 2종 이상의 원소로 이루어진 반도체를 뜻한다. LED는 주로 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 갈륨비소인(GaAsP), 갈륨질소(GaN) 등으로 만들어지며, 어떤 화합물을 쓰느냐에 따라 LED 빛의 색깔이 달라진다.

유기물 반도체는 탄소와 불소 등으로 구성되어 얇고 유연한 것이 특징으로 굽히는 등 자유자재로 변형이 가능한 차세대 디스플레이로 기대하는 이유다.

LED가 빛을 발하는 것은 LED 자체가 전기에너지를 빛에너지로 변환시켜주는 '광반도체'이기 때문이다. LED가 반도체라는 뜻은 양(+)의 전기적 성질을 가진 p형 반도체와 음(-)의 전기적 성질을 지닌 n형 반도체의 이종접합 구조를 가지기 때문이다. 전자(electron)가 많아 음의 성격을 띤 n형 반도체와 전자의 반대 개념인 정공(hole)이 많아 양의 성격을 띤 p형 반도체가 얇은 층 형태로 붙어있다.

순방향으로 전압을 가하면, 수 볼트의 전압으로 전류가 흘러 발광한다. 즉, n층의 전자가 p층으로 이동해 정공과 결합하면서 에너지를 발산하면서 에너지가 주로 열이나 빛의 형태로 방출된다. 바로 LED다.

밴드갭 에너지 (금지대폭)

n층의 전자와 p층의 정공이 결합하면서 전도대(Conduction Band, Ec)와 가전자대(Valance Band, Ev) 사이의 에너지 준위(eV) 차이에 따라 에너지를 발산하는데 이 에너지 준위 차이인 밴드갭 에너지(Eg)에 따라 빛의 색상이 정해진다. 즉, 에너지의 차이가 크면 단파장인 보라색 계통의 빛을 나타내고, 에너지 차이가 작으면 장파장인 붉은색 계통의 빛이 나온다. 여기에서 어떤 화합물을 사용하느냐에 LED 빛의 색깔이 달라진다는 것은 화합물의 재료에 따라 에너지 준위(eV) 차이가 달라지기 때문이다.

LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 가시광선 LED(VLED), 적외선 LED(IR LED), 자외선 LED(UV LED)로 구분된다. 적외선 LED는 리모콘이나 적외선통신, cctv 적외선 카메라 등에 사용되며, 자외선 LED는 살균, 피부치료 등 생물•보건 분야와 검사 목적 등으로 사용된다.

LED가 그동안 세계를 장악했던 백열전등 등을 대체하는 결정적인 이유는 에너지 효율이 높고 전력소모가 작기 때문이다. 즉 LED는 기존 백열전등과 비교할 때 1/5 수준의 전력만 소비한다.

더불어 장시간 사용할 수 있다는 것은 큰 덕목인데 현재 1만에서 5만 시간에 이른다. 이는 백열등과 대비하여 약 15배 이상의 긴 수명으로, 하루 10시간씩 1년을 사용하더라도 기본적으로 30년 이상 사용할 수 있다. 학자들은 이들 여러 점을 고려하여 기존 조명 대비 전기요금이 최대 87% 수준으로 절감될 수 있다고 설명한다.

더불어 LED는 지구를 보호하는 친환경 기술이라는 점이다. 형광등은 환경규제 물질로 지정된 수은(Hg)을 사용하는데 반해 LED는 수은(Hg)을 전혀 함유하지 않으며 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않는다.

 

<모든 광원 구현 전망>

LED가 반도체라는 것은 실용화면에서 여러 점으로 유리하다.

기존 아날로그 조명과 달리 LED는 디지털 반도체 소자이기 때문에 제어하는 것이 간단하다. 빛의 색상이나 온도, 밝기 등을 제어할 수 있어 단순히 빛을 밝히는 광원이 아닌, 다양한 기능을 갖춘 조명으로 만들 수 있다는 것도 큰 장점이다. 그러므로 다양한 컬러와 밝기로 감성적인 조명과 분위기를 연출할 수 있다.

더구나 LED 칩은 반도체 소자이므로 쌀알 크기보다 작게 만들 수 있으므로 작은 크기로 공간을 절약할 수 있다는 장점도 큰 덕목이다.

소비 전력이 낮고 수명이 길다는 것은 많은 전자기기에 사용할 수 있다는 것을 뜻한다.

전자기기의 동작 모드에 따라서 색을 바꿀 수 있게 되어 기기의 소형화가 자유롭다. 초기에는 휘도가 낮았기 때문에 전자기기의 동작 표시등이나 실내 용도에 한정되었지만 빨강이나 녹색의 고휘도 종류의 발광 다이오드가 실용화되면서, 역의 행선지 안내판 같은 옥외용 디스플레이 장치에도 사용된다.

더불어 고휘도의 청색과 흰색 LED가 등장하자 경기장의 스크린같은 완전한 색의 대형 디스플레이, 전구 대신한 손전등이나 신호기, 자동차의 방향 표시등이나 미등 같은 다양한 조명에도 적용이 확대되었다. 특히 미등에 사용했을 경우 전구보다 브레이크 페달을 밟은 후 점등할 때까지의 시간이 짧기 때문에 안전성이 향상된다.

또한, 보행자나 다른 운전자가 차량을 쉽게 알아볼 수 있으므로 교통사고를 막아주는 자동차의 주간주행등에도 많이 활용되며 철도, 버스의 방향 표시에도 안내판으로 사용된다.

또한 냉음극 형광 램프에서 발생되는 흰색 빛을 컬러 필터에 투과해 얻을 수 있는 색깔인 빨강, 녹색, 파랑에 비해서 발광 다이오드가 발생하는 빛이 색순도가 높아지자 새로운 분야가 등장한다. 액정 디스플레이의 백라이트를 냉음극 형광 램프에서 발광 다이오드로 변경하여 색 재연 범위를 크게 개선하는 것이다.

 

이들 설명을 부연하면 현재 LED로 기존 조명만 대체하는 것이 아니라, 전체 광원에 혁명을 불러일으키고 있다는 것을 의미한다. LED가 급격하게 일반 가정/전시 등에 사용되는 실내조명과 건축/스포츠/테마파크 등에 사용되는 경관조명, TV, 자동차, 휴대폰, 전광판 등 우리 실생활 곳곳에서 쉽게 접할 수 있게 된 이유다. 세 명의 일본인 과학자들이 얼마나 우리 생활에 깊숙이 연계하고 있는지 알 수 있다.