College Of Engineering
서울공대 이야기

미래를 비추는 반도체 조명 LED 공학

                     

                                                                                                      윤의준/서울대 재료공학부 교수

최근 반도체 조명이 새로운 빛의 혁명을 일으키며 21세기 산업기술의 ‘쌀’로 불리고 있다. 그 중심에 서 있는 것이 바로 LED. 반도체는 어떻게 빛을 내는 것일까. LED가 반도체 조명의 총아로 떠오른 이유는 뭘까. 반도체 조명이 바꿔놓을 미래를 미리 만나보자.

고대 그리스 신화에는 프로메테우스가 제우스로부터 불을 훔쳐 인류에게 전해준 대가로 가혹한 벌을 받는다는 이야기가 있다. 그만큼 인류에게 불은 매우 중요한 문명 발전의 원동력이었다. 불로 맹수를 쫓고, 추운 겨울을 따뜻하게 날 수도 있었다. 무엇보다 인류는 불에서 나오는 빛을 이용해 태양 광선에 의존하지 않고 긴긴 밤을 밝히며 어둠의 공포에서 벗어날 수 있었다.


빛의 혁명은 이런 불에서 시작됐다. 땔감을 지핀 모닥불을 시작으로 동식물의 기름을 이용한 호롱불, 밀랍을 이용한 촛불 등을 거쳐 산업혁명 시대에는 가스등이 발명됐고, 1879년 에디슨이 전기를 이용한 백열전구를 발명하면서 마침내 빛은 현대 조명시대를 열며 빛의 혁명을 일으켰다.

 

 


안방 불 밝힐 LED

 서울반도체가 세계 최초로 발명한 교류용 LED 조명.

 


최근 새로운 빛의 혁명이 일어나고 있다. 백열전구가 우리의 삶을 180도 바꿔 놓았듯이 새로운 빛은 다시 한번 우리의 삶을 예기치 못할 정도로 바꿔 놓을 것이다. 21세기 산업기술의 ‘쌀’이라고 일컬어지는 반도체를 이용한 빛이 바로 그것이다.


반도체 하면 금방 떠오르는 것은 실리콘, 반도체 메모리, 컴퓨터, 무선통신 등이지 아마 빛은 아닐 것이다. 하지만 3족 원소인 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In)과 5족 원소인 질소(N), 인(P), 비소(As)로 이뤄진 화합물반도체는 실리콘이 갖지 못한 특성인 빛을 발생시키는 기능이 있다. 질화갈륨(GaN)이 이런 화합물반도체의 대표적 예다.

그렇다면 반도체에서 빛이 나오는 이유는 뭘까. 이는 반도체의 에너지 띠구조 때문이다. 반도체에는 전자와 정공이 있고 이들 사이에는 에너지 띠간격이 존재하는데, 전자가 정공보다 높은 에너지를 갖고 있다.


높은 곳에 올려놓은 구슬은 높이에 비례하는 위치에너지를 갖고 있으며 구슬이 떨어지면 지면에서는 그 위치에너지에 해당하는 만큼의 운동에너지를 갖는다. 이와 마찬가지로 반도체 내의 전자는 에너지 띠간격에 해당하는 만큼의 높은 에너지를 갖고 있으며 이 전자가 지면에 있는 양전하의 정공과 결합하면서 그 에너지를 빛으로 내보내는 것이다.

쉽게 말해 3족과 5족 원소를 적절하게 조합해 반도체를 만든 뒤 여기에 전류를 흘려주면 에너지 변환과정이 일어나 빛이 발생하는 것이다. 특히 이 때 대부분의 전류가 열 대신 빛으로 전환되기 때문에 반도체 광원은 효율이 매우 높다.


반도체에 전류를 주입하면 빛이 발생하는 현상은 1907년 호기심 많은 미국의 라운드라는 사람이 처음 발견했다. 샌드페이퍼의 재료로 쓰이고 있던 카보랜덤(SiC)에 100V 정도의 고압을 걸어주자 청록색의 빛이 발생했던 것이다. 하지만 당시에는 빛이 발생하는 원리도 모르고 어떻게 이용할 지도 모른 채 그저 신기한 현상으로만 여겼다. 반도체를 이용해 트랜지스터가 발명된 것이 1947년이니까 상당히 앞선 발견이라 할 수 있다.


그 후 꽤 시간이 지나 화합물반도체에 대한 이해와 기술이 발전하던 중 1962년 미국 제너럴 일렉트릭 연구원으로 있던 홀로냑이 GaAsP라는 화합물반도체를 이용해 빨간색 반도체광원을 최초로 개발했다. 이 반도체광원이 우리가 흔히 LED(Light Emitting Diode)로 부르는 발광다이오드다. 당시 LED 1개 값이 260달러였다고 하니 물가상승률을 생각하면 LED는 어마어마하게 비싸고 귀한 것이었다.


1968년 LED 대량생산이 시작되자 휴렛팩커드는 이것으로 LED 디스플레이를 제작해 팔기 시작했다. 지금은 디스플레이가 모두 액정으로 바뀌었지만 1980년대 초까지만 하더라도 HP의 전자계산기 화면에는 빨간색 LED가 사용됐다.

빨간색 LED를 시작으로 초록색, 노랑색, 주황색 LED 등이 잇달아 개발됐다. 초기에는 LED의 성능이 에디슨이 만든 백열전구 성능의 1/10에 불과했다. 하지만 지금은 여러 연구자들에 의해 비약적인 발전을 거듭해 1000배가량의 성능을 보이는 반도체광원까지 개발돼 형광등의 성능을 훌쩍 넘어섰다.

 

 


세상을 바꾸는 빛, 파란색

LCD 후광조명으로 LED를 사용할 경우 보다 자연에 가까운 색 재현이 가능하다.

 

얼마 전까지만 해도 LED를 쉽게 볼 수 있는 것은 기차역의 기차시간 상황판이나 주식시세 상황판 등 디스플레이가 대부분이었다. 특히 이들 디스플레이의 글자색은 대부분 빨강, 주황, 초록 등 몇 가지 색에 국한됐었다. 아마 LED 하면 전광판에 새겨지는 빨간색 글자를 떠올리는 사람도 많을 것이다. LED로 형광등처럼 백색광을 만드는 것은 불가능했다. 이는 그간 파란색 LED를 만들 수 없었기 때문이었다.


사람은 빛의 삼원색인 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)을 감지하는 세 종류의 원추세포의 자극 정도의 조합으로 서로 다른 색을 인지한다. 따라서 RGB의 세 종류 광원을 만들 수 있다면 자연계의 모든 색을 재현할 수 있고, 이를 조합하면 백색광을 만들어 인공태양을 만들 수도 있다. LED로 형광등 같은 인공조명을 만들 수도 있고, LED로 총천연색 디스플레이를 만들 수도 있는 것이다. 하지만 빨간색이나 초록색 LED와 달리 파란색 LED는 여간해서 만들기가 쉽지 않았다.


LED의 색깔은 반도체의 에너지 띠간격과 관계가 있다. 빛에너지는 파장에 반비례하고 에너지 띠간격의 크기가 큰 반도체일수록 짧은 파장의 빛을 낸다. 따라서 에너지 띠간격의 크기를 적절하게 조절하면 빛의 파장을 조절할 수 있다.

예를 들어 화합물반도체인 질화갈륨의 에너지 띠간격은 3.4전자볼트(eV)로 파장으로 따지면 파란색보다 짧은 자외선에 해당한다. 따라서 질화갈륨에 인듐을 적당히 첨가해 에너지 띠간격을 조절하면 450나노미터(nm)의 파란색에서부터 525nm의 초록색까지 LED 색깔을 얻을 수 있어 원하는 파란색 LED가 만들어진다.


쓸만한 파란색 LED가 개발된 것은 불과 10여년 전인 1993년이었다. 빨간색 LED보다 30년이나 늦게 등장한 셈이었다. 일본 나고야대의 아카사키 교수(현재 메이조대 교수)의 선구적인 연구와 이를 상용화시키는데 성공한 일본 니치아화학의 나카무라 박사(현재 미국 산타바바라 소재 캘리포니아대 교수)의 공이 컸다. 이들은 질화갈륨을 써서 파란색 LED를 탄생시켰다. 고효율 파란색 LED를 만들어 냄으로써 빛의 삼원색인 RGB를 모두 만들어 내 총천연색 디스플레이의 실현은 물론 드디어 반도체를 이용한 조명이 현실로 다가선 것이다.


사실 오랫동안 파란색 LED를 개발하기 위해 전 세계적으로 경쟁이 매우 치열했다. 아카사키 교수 이전에도 파란색 LED가 개발된 적이 있었다. 1972년 미국 RCA사의 팬코프 박사는 아카사키 교수처럼 질화갈륨을 이용해 파란색 LED를 개발했다. 하지만 p-형 질화갈륨을 만드는 것이 기술적으로 너무 어려웠기 때문에 파란색 빛이 나온다는 것까지는 발표했지만 파란색의 강도가 너무 낮아서 상용화에는 실패했다. 그 후 미국 크리사에서도 최초의 LED 현상이 발견된 카보랜덤을 사용해 파란색 LED를 개발했고 상용화까지 시켰지만 역시 파란색 빛의 강도가 약해서 제한된 용도로밖에 사용할 수 없었다.


20여년의 시간이 흘러 모든 사람들이 질화갈륨이라는 재료를 잊고 지내는 동안 질화갈륨으로 꾸준히 연구개발에 정진한 사람이 바로 아카사키 교수였다. 그는 장인정신이 투철한 집념의 연구자로 남들이 알아주지 않아도 꾸준히 한 우물을 깊게 판 결과 ‘세상을 바꾸는 빛’인 파란색 LED를 성공시킬 수 있었던 것이다.

 

 


오래 가고 빠르다

 

세계적으로 유명한 아랍에미리트 두바이에 있는 별 7개짜리 호텔의 야경. 모두 LED 조명으로 꾸몄다.

 

LED 같은 반도체 조명이 차세대 조명으로 각광받는 데는 그만한 이유가 있다. 우선 LED는 기존 백열전구에 비해 효율성이 높다. 전력소모가 백열전구의 1/12정도로 매우 적다. 수명도 100배 이상 길다. 백열전구의 수명이 5000시간 정도인 반면 LED는 거의 반영구적이다. 거리의 신호등이 가끔 꺼져 있는 경우가 있는데 이는 신호등 안에 달린 백열전구의 수명이 다 됐기 때문인 경우가 많다. 이로 인해 최근에는 차츰 LED 신호등을 사용하는 추세다. 앞으로 얼마 후면 거리에서 고장난 신호등을 보기 어려워질 것이다.


LED는 전기에 대한 반응 속도도 백열전구에 비해 1000배 정도 빠르다. 백열전구는 고속으로 켰다 껐다 반복하기 어렵지만 LED는 아무리 빨리 켜고 끄기를 반복해도 제대로 작동한다. 통신에 이용할 수 있을 정도로 반응 속도가 빠르다. 최근 고급자동차의 브레이크등과 방향등에 많이 쓰이는 빨간색, 주황색 LED를 보면 기존의 백열전구에 비해 점등시간이 눈에 띄게 빠르다.


만약 앞차가 시속 100km의 속도로 운행하다가 급정거를 하는 경우 같은 속도로 따라가던 운전자가 앞차의 브레이크등이 켜지는 것을 감지하고 브레이크를 밟는데 걸리는 시간을 거리로 환산하면 10여m가 된다. 따라서 자동차에 사용되는 LED는 운전자의 생명을 보호하는 데도 큰 도움이 된다.


이 같은 특징을 가진 LED는 현재 어디에 쓰이고 있을까. 고휘도 LED가 개발되면서 대표적으로 응용된 것이 총천연색 옥외 전광판이다. 서울 시내 곳곳의 건물 옥상에 설치돼 있는 초대형 TV나 경기장의 전광판이 바로 그것이다.

 

 


천연색은 LED에게 맡겨


대형 전광판은 수백만 개의 빨간색, 초록색, 파란색의 LED로 구성되며, 이 LED의 조합으로 모든 색을 표현한다. 2002년 월드컵 경기 때 붉은 악마들을 흥분의 도가니로 몰아넣은 시청 앞 전광판도 바로 LED 전광판이었다. 필자는 몇 년 전 잠실 대운동장의 대형 총천연색 전광판 교체사업을 자문한 적이 있다. 1988년 서울올림픽 당시 만들어 놓은 전광판이 수명을 다해 교체하는 작업이었다. 기존 전광판에 사용된 RGB 전구는 형광등과 비슷한 것으로 한정된 수명을 갖고 있었다. 당연히 필자는 자신 있게 RGB LED로 된 전광판으로 교체할 것을 권유했다. 반영구적인 LED의 수명을 알기 때문이었다.


특별한 곳이 아니라 우리 생활 속에서 쉽게 발견할 수 있는 곳에도 예상 외로 LED가 많이 사용된다. 밝기가 그리 밝지 않은 저휘도 LED는 컴퓨터, 모니터 등 각종 전자기기의 전원표시에 쓰이며, 자동차 내부의 속도계나 디지털 숫자를 나타내는 표시기에도 쓰이고 있다. 또 지하철이나 약국, 병원, 공항 등의 안내판, 도로의 교통상황 표지판 등도 모두 LED로 이뤄져 있다. 그리고 눈에 보이지 않는 적외선을 발하는 LED는 TV나 VTR 같은 전자제품의 리모콘에 쓰이고 있다.


이동통신의 발전과 더불어 LED는 응용 범위가 더욱 넓어지고 있다. 휴대전화의 숫자판을 밝혀주는 후광조명장치가 그 중 하나다. 휴대전화 마니아들은 상용제품의 단색 LED를 떼 내고 여러 색을 내는 LED를 개성에 맞게 설치하곤 한다.

요즘에는 LED가 안전용품에도 많이 사용되고 있다. 야간에 도로에서 일하는 인부나 경찰관을 위한 안전복, 표시등 등에 고휘도 LED를 장착한 제품들이 나오고 있다.

무엇보다도 우리 생활을 급격하게 바꿔 놓을 LED의 가장 큰 용도는 실내조명이다. 이미 형광등의 성능을 능가하는 백색 LED는 개발돼 있다. 아직 가격이 비싸 널리 사용되지 못하고 있을 뿐이다. 그러나 계속해서 LED 응용시장이 확대되면서 LED가 대량 생산되면 LED의 생산단가는 차츰 낮아질 것이다. 2008년이면 1W 전력으로 120루멘`(lm)의 빛을 내는 경제적인 백색 LED가 개발돼 세계 조명 시장을 점령할 것으로 보인다.


환경이랑 친하기까지

 


LED는 환경 문제 해결에도 도움이 된다. 산업이 발달하면서 전자제품의 사용이 급증하고 에너지 소비가 매년 10% 이상 증가하면서 에너지 문제는 심각한 상태다. 게다가 교토의정서가 발효돼 앞으로 이산화탄소 발생량을 감축하도록 노력해야 한다. 우리나라도 예외는 아니다.

통계에 의하면 전 세계 발전량의 약 25% 정도가 조명에 쓰이고 있다고 한다. LED는 백열전구나 형광등 같은 기존의 광원에 비해 효율이 매우 높다. 우리나라의 경우 현재 비효율적인 조명장치를 백색 LED로 대체할 경우 원자력발전소 몇 개를 건설하는 효과가 있다는 예측자료가 나오기도 했다. 지구온난화를 줄이고 환경을 보전하기 위해서라도 에너지를 절약할 수 있는 LED를 조명으로 적극 활용해야 한다.


형광등 계열의 후광조명장치에는 환경에 유해한 수은이 소량 들어 있기 때문에 2008년 이후부터는 이를 유럽에 수출할 수 없다. 이미 LED는 소형 LCD의 후광조명장치에 사용되고 있으며, 앞으로 대형 LCD용 후광조명장치까지 넘보고 있다. 특히 LED를 LCD의 후광조명장치로 사용할 경우 기존의 형광등 계열의 후광조명장치를 이용할 때보다 자연색에 가까운 색을 재현할 수 있어 더욱 기대가 크다.


LED는 자동차 산업에도 큰 영향을 미칠 것이다. 자동차는 진동이 있기 때문에 내구성이 중요하므로 현재의 전구 형태 보다는 LED가 훨씬 유리하다. 또 자동차 디자인에서도 전조등 부분이 항상 원형인 전구로 인해 큰 제약을 받아 왔지만 LED를 쓰게 되면 원형에서 벗어나 사각형, 삼각형 등 새로운 형태의 전조등 디자인이 가능하다.

LED는 도시의 밤을 화려하게 변신시킨다. 세계 유명 도시의 랜드마크 건축물의 외관은 물론 교량의 장식에도 많이 활용되고 있다. 우리나라의 경우 최근 재단장한 압구정동의 한 백화점은 모든 벽면을 LED를 활용한 타일로 마감해 건물의 벽면 전체가 시시각각 변하는 동영상 스크린 역할을 하고 있다.


급격하게 우리 주변을 바꾸고 있는 LED. 정보처리, 정보통신, 정보저장의 핵심재료인 반도체가 우리의 밤을 밝히는 재료로 다가오고 있다. 세계 LED 산업은 매년 47%씩 급성장 하고 있으며 앞으로 더욱 새로운 부분에 활용될 것이다.

우리나라는 반도체 산업에서 세계적인 국가경쟁력을 갖고 있다. 따라서 이런 경험을 바탕으로 우리의 장점을 십분 발휘하면 조명 시장의 패러디임 변화에 능동적으로 대처할 수 있다. 차세대 반도체 조명은 메모리, 이동통신, 디스플레이의 뒤를 이어 21세기 우리나라를 먹여 살릴 신성장동력이 될 것이 확실하다. 정부에서도 백색 LED를 신성장동력 사업의 일환으로 선정했다.


LED 공학은 반도체를 기반으로 하지만 물리학, 광학, 재료공학, 전자공학, 응용화학, 기계공학 등 많은 분야가 서로 관련돼 있다. 현재 국가적 사업의 성공을 위해 산학연 전문가들이 머리를 맞대고 연구개발에 정진하고 있다. 야심 차고 창의력 있는 많은 젊은이들의 동참을 기대해 본다.



윤의준 교수는 서울대 금속공학과를 졸업한 뒤 1990년 미국 매사추세츠공대에서 재료공학으로 박사학위를 받았다. 이후 미국 AT&T 벨연구소에서 박사후과정을 거쳐 1992년부터 서울대 재료공학부 교수로 재직 중이다. 서울대 공대 홍보 사이트인 BeEngineers.com을 개설하고, 현재 서울대 공대 대외협력실장을 맡고 있는 등 윤 교수의 ‘공대 사랑’은 남다르다. 과학동아 BeScientists 유망진로탐색의 기획도 그의 작품이다. 우수한 예비 공학인들이 LED의 매력에 푹 빠지길 기대하고 있다.



윤의준/서울대 재료공학부 교수

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