광원의 혁신, LED(발광 다이오드) II

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<사라지는 백열전구와 형광등>

우리 눈에 보이는 빛을 만들어내는 가장 쉬운 방법은 높은 온도에서 파라핀과 같은 화석연료를 태우는 것이다. 등잔불, 호롱불, 촛불 등이 그렇게 해서 빛을 낸다. 텅스텐처럼 전기저항이 큰 금속 필라멘트에 많은 양의 전류를 흘려서 뜨겁게 달궈도 빛이 나온다.

형광등처럼 빠르게 움직이는 전자를 이용해서 빛을 만들기도 하는데 TV나 컴퓨터 모니터로 사용하던 브라운관도 그런 장치다. 그런데 이들은 빛과 함께 많은 열을 발생시켜 전기를 낭비하게 만들 뿐만 아니라 화재의 원인이 되기도 한다.

백열등, 형광등의 결점이 계속 부각되는 상황에서 마침 LED가 개발되자 각국은 백열등과 형광등을 규제하는 대책을 마련했다. 2012년 유럽과 일본은 모든 종류의 백열등 생산, 수입, 판매 금지를 발표했고, 한국도 2013년부터 백열등 판매를 금지했다. 1996년에 백색 LED가 등장한지 고작 15년이 지나서이다.

이와 같이 각국이 백열전구 등에 전격적인 조처를 취할 수 있었던 것은 그동안 지구에서 사용하는 문명의 이기 중 이기인 백열전등의 에너지 소모율이 95%에 이르는 대표적인 저효율제품이기 때문이다. 불이 켜진 전구를 만지면 뜨거운데 이는 백열전구가 들어온 에너지의 대부분을 빛이 아니라 열을 내는데 사용하기 때문이다.

더욱이 에너지 효율이 낮은 제품은 지구온난화에도 영향을 미치므로 각국에서는 백열전구를 퇴출 1순위로 꼽았다.

미국도 2007년 12월 「새에너지법」을 발효시켜 2012년부터 백열등이 사라지도록 했으며 2016년부터 형광등도 사라지도록 유도한다. 특히 형광등에 들어가는 수은, 납 등이 환경오염을 불러오는 것도 퇴출을 부추기는 요인 중 하나다. 네온사인도 같은 운명이다.

요즘 교통신호등 중에는 유난히 밝게 보이는 것이 있는데 이것은 할로겐전구 앞에 색유리를 끼운 기존의 신호등과는 다르게 작은 전구들이 동심원으로 배열되어 있다. 원래 전기⋅전자 제품의 표시 기능 부품으로 활용되던 LED를 조명에 접목한 이 방식은 형광등보다 전기를 5분의 1 이상 덜 사용하고 수명도 20배 정도 길다.

백열전구와 형광등이 이와 같이 전격적으로 교체되는 것은 LED의 장점이 워낙 많기 때문이다. 앞에서 여러 번 설명했지만 LED의 효율이 높은 것은 흘려준 전류가 거의 전부 빛을 내는 데 사용되기 때문인데 더욱 큰 장점은 백열전구나 형광등과는 달리 빛을 내고 있는 동안에도 뜨겁게 달아오지 않는다는 점이다.

그러나 일부 사람들은 LED 문학적인 표현으로 낭만적으로 보이는 백열전구의 빛과는 달리 냉정하고 차가운 빛이므로 호감이 가지 않는다고도 말한다. 그러므로 아직도 침실의 경우 백열전구를 고수하는 사람이 적지 않다.

이 문제에 관한 한 과학자들은 근간 LED로도 그런 효과를 낼 수 있다고 장담한다. 백열전구, 형광등 등을 퇴출시켜도 문제가 없다는 뜻이다.

 

LED를 활용한 제품들이 수없이 등장하는데 양자점 또는 퀀텀닷을 이용한 디스플레이란 말이 언론을 장악하여 이를 개발한 사람이 노벨상을 수상할 것이라는 전망이 계속 나왔다.

물질의 크기가 수〜수십 나노미터(nm) 단위로 줄어들 경우 전기적, 광학적 성질이 크게 변화하게 되는데, 이런 성질을 이용하여 디스플레이를 만들면 이제까지와는 다른 효과를 보여줄 수 있기 때문이다. 즉 기존의 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아 차세대 발광 소자가 될 수 있다는 뜻이다.

이 경우 굴절률이 특정조건을 만족하면 쉽게 레이저를 발진할 수도 있고, 빛을 흡수할 수도 있어 태양전지에도 활용된다. 특히 나노 입자이므로 작은 DNA 조각에 삽입하여 형광물질 용도로 사용할 수 있다. 과거에는 인체에 유해한 카드뮴을 주원료로 사용하였으므로 주의가 필요했는데 비(非)카드뮴계의 퀀텀닷 개발 및 양산이 이루어져 가전제품에 소위 양자점 디스플레이란 이름이 등장했다.

양자점의 가장 큰 특징으로는 입자의 크기에 따라 방출되는 스펙트럼이 연속적으로 변한다는 것이다. 이러한 특징 덕분에 한가지 물질을 가지고 여러 가지 색을 만들어 낼 수 있다. 즉 양자점의 크기를 적당히 바꿔주면 전체적으로 마치 연속스펙트럼을 방출하는 것처럼 보이게 된다. 특히 소스 전극, 양자점, 드레인 전극 사이의 거리가 수십~수백 나노미터이기 때문에 정보의 전달, 반응속도가 기존 트랜지스터에 비해 비약적으로 빨라진다.

양자점의 특성을 이용한 디스플레이를 QLED라고 부른다.

유기물을 이용해서 만든 OLED, 양자를 이용해서 만든 QLED

양자점 디스플레이는 기술적으로 최대 밝기는 현재의 LCD 대비 50~100배에 달하고 소비 전력은 오히려 같은 밝기 기준에서 30~50%까지 절약 가능하며 낼 수 있는 빛의 스펙트럼 영역이 30% 정도 넓어질 수 있어 ‘꿈의 LED’로 설명하기도 한다. 소위 획기적인 UHD TV가 등장할 수 있다는 뜻이다.

이 분야에서 세계의 경쟁은 매우 치열하여 2019년, 중국에서 무기물 퀀텀닷 직접발광 디스플레이 패널 개발을 성공했다고 발표했다. 31인치 H-QLED 패널이라고 알려졌다.

국내에서도 QLED 디스플레이가 등장했다고 선전하기도 하나 엄밀한 의미에서 이는 QD-LCD로 이름만 QLED TV라는 지적도 있다. 이 분야를 연구한 선두주자가 한국의 현택환 서울대 석좌교수로 2020년 강력한 노벨화학상이 후보자로 추천되었다고 발표되기도 했다.

그동안 전세계를 석권한 에디슨의 백열전등, 형광등 심지어는 네온사인까지 퇴출시킬 정도의 파괴력을 가진 LED는 노벨상수상위원회의 노벨상 추천사로도 잘 알 수 있다.

 

<노벨상 추천사>

국왕 폐하, 왕실가족 여러분, 그리고 신사숙녀 여러분

많은 동화 속에서 빛은 악마의 세력을 내쫓는데 사용되는 힘입니다. 톨킨(J.R.R. Tolkien)의 1954년작인 반지의 제왕에서 요정 여왕은 반지를 가진 자에게 반짝이는 크리스털 병을 주면서 “모든 빛이 사라질 때, 어둠 속에서 너에게 빛을 밝히리(May it be a light to you in dark places, when all other lights go out).”라고 말했습니다.

우리 조상들은 약 30만 년 전에 불을 사용하여 열원이나 야생동물에 대한 무기로 사용했습니다. 불은 모든 빛이 사라져도 어둠 속에서 빛이 납니다.

19세기 후반, 미국의 발명가 토마스 에디슨(Thomas Edison)은 백열등을 발명하고 실용화했습니다. 그는 약 2천 번의 실험 끝에 성공했다고 알려져 있습니다. 사람들이 실패했다고 지적할 때, 그는 “아니오, 나는 실패하지 않았소. 전구를 만들지 못하는 2천 가지 방법을 발견했잖소.”라고 대답했습니다. 전기 송전선망이 확장되고 전구가 개선되면서, 수백만, 머지않아 수십억의 인구가 저렴하고 오래 사용 가능한 광원을 얻었습니다. 전구는 모든 다른 빛이 사라진 어둠 속에서도 빛이 납니다.

제2차 세계대전 이후, 반도체 재료를 기반으로 하는 전자제품들이 개발되었습니다. 과학자들은 초기 단계에서 특정 반도체 물질의 조합인 다이오드가 빛을 발산할 수 있다는 것을 발견했습니다. 전구에서는 필라멘트가 가열되면서 빛을 발하기 시작하지만, 발광 다이오드는 전기를 직접 빛으로 전환하기 때문에 전구보다 훨씬 효율적입니다. 이들은 크리스털로 만들어지기 때문에 유럽에서는 크리스털 램프라고 부르며, 미국에서는 LED라고 부릅니다.

최초 LED는 적색 빛을 발산했지만, 곧 녹색 빛을 발하는 LED가 등장했습니다. 적색, 녹색, 청색 빛을 혼합하면, 백색 빛을 얻을 수 있습니다. 백색광원을 만들려면 청색 LED도 필요합니다. 1960년대부터 기업과 대학들은 청색 LED를 만들기 위해 많은 노력을 투자했지만, 개발에 필수적인 질화갈륨 결정체는 분말로 바뀌어 버리고 말았습니다. 많은 연구자들이 노력과 실패를 거듭하다 결국 포기했습니다. 1970년대 초반, 질화갈륨 결정체를 얻는 새로운 기술이 개발되었습니다. 이 새로운 연구와 실험은 또다시 실패로 이어졌습니다. 너무나 어려운 과업이었습니다.

아카사키 이사무 교수는 일본 나고야 대학에서 당시 그의 박사과정 학생이었던 아마노 히로시 교수, 도쿠시마의 한 소기업 연구원이었던 나카무라 슈지 교수와 함께 다른 사람들이 포기한 영역에서 성공을 거두었습니다. 1980년대 후반, 끊임없는 노력과 기술 그리고 약간의 운을 동반한 수 년간의 연구 끝에 그들은 미세한 질화갈륨 결정체를 만들어 효율적인 청색 발광 LED를 개발하였습니다. 이 수상자들은 2천 번 이상의 실험을 거쳐 청색 LED를 생성하지 않는 수많은 방법들을 발견했고, 결국 성공을 거두게 되었습니다.

청색 발광 다이오드 덕택에, 백색 램프 생산이 가능하게 되었습니다. 오늘날에는 휴대전화, 자전거, 자동차, 도시, 가정 등 어디에서나 볼 수 있습니다. 백열등이나 형광등 대신 LED 조명을 사용함으로써 우리는 에너지를 절약하고 환경을 보호할 수 있습니다. LED 조명은 또한 그 수명이 약 10만 시간, 약 11년 정도로 상당히 깁니다. 매우 효율적이기 때문에 배터리로 여러 시간 동안 사용할 수 있습니다. 태양빛을 사용하여 배터리를 충전 할 수 있으므로, LED 조명은 전기 송전선이 없는 지구 어느 곳이라도 빛을 비출 수 있습니다. 모든 다른 빛이 사라진 어둠 속에서도 빛이 납니다.

알프레드 노벨(Alfred Nobel)은 약 100여년 전 유언장에 노벨 물리학상은 인류에게 가장 큰 혜택을 가져온 사람들에게 수여되어야 한다고 남겼습니다. 올해의 상은 노벨의 바람을 잘 반영하였습니다.

아카사키 교수님, 아마노 교수님, 나카무라 교수님,

여러분은 효율적인 청색 발광 다이오드 발명으로 2014년 노벨 물리학상을 받게 되었습니다. 에너지 소모가 적으면서 밝은 백색 광원을 이용할 수 있게 되었습니다. 스웨덴 왕립과학 아카데미를 대표해서 여러분의 뛰어난 업적에 축하의 말씀을 전하게 되어 영광입니다. 이제 국왕께서 노벨상을 수여하시겠습니다.

 

참고문헌 :

「10년 뒤에는 형광등 꺼진다」, 홍병기, 중앙경제, 2006.8.30

「콩의 정체는」, 이덕환, 디지털타임스, 2007.2.6.

「LED란 무엇일까? LED의 기본 원리와 종류, 장점」, 삼성반도체이야기, 2013.02.05.

「LED, 우연한 발견이 가져온 조명의 혁명」, 삼성반도체이야기, 2013.02.08.

「반도체 발광다이오드(Light-emitting diode, LED)의 역사」, 김종규, 물리학과 첨단기술, DECEMBER 2014

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=namgoocha&logNo=220034598693

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%9C%EA%B4%91_%EB%8B%A4%EC%9D%B4%EC%98%A4%EB%93%9C