LED, 형광등을 대체할 고효율, 친환경 조명
청색 LED, 백색광 만드는데 있어 가장 큰 걸림돌
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 2014년도 노벨 물리학상은 고품질 청색 LED를 개발한 3명의 일본인 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지가 받아 화제가 되었었다. 노벨 재단은 이들의 수상을 인류에게 가장 큰 혜택을 가져온 사람에게 주어져야 한다는 알프레드 노벨의 바람을 잘 반영한 수상이라는 평가를 내렸다.
LED는 빛을 내는 반도체를 의미하며 현재는 형광등을 대체하는 새로운 광원으로 자리 잡고 있다. 새로운 광원의 등장은 매번 인류의 문명을 비약적으로 발전시키는데 많은 영향을 주었다. 그래서 노벨 재단에서는 위와 같은 평가를 내렸다.
맨 처음 인류가 사용했던 광원은 단순한 불이었다. 불의 사용은 인류의 의식주 전반에 걸쳐 영향을 주었으며 청동기와 철기 같은 금속의 사용도 가능하게 해주었다. 최초로 불을 발견한 이후 대략 140만 년 동안 인류는 불을 사용하였다.
새로운 광원의 등장은 19세기 후반에 가서 등장했다. 바로 토마스 에디슨이 발명한 전구가 두 번째 광원이었다. 전기를 이용해 필라멘트를 가열시켜 빛을 얻는 방식으로 전기가 보급된 곳에서는 누구나 환하게 빛을 비출 수 있게 되었다.
그러나 에디슨이 개발한 백열전구는 에너지 소모 효율이 안 좋고 수명이 짧다는 단점이 있었다. 이를 해소하기 위해 등장한 것이 필라멘트에서 방출된 전자가 수은과 충돌하여 빛을 내게 만드는 형광등이었다.
한편 2차 세계대전이 끝나고 인류 문명에 반도체가 사용되기 시작하였다. 반도체는 전도 띠와 원자가 띠의 간격이 적당히 작은 물질을 의미한다. 적당히 작다는 의미는 인간이 사용하는 전원으로 조절하기 쉽다는 뜻을 내포하고 있다.
반도체의 띠 틈에 해당하는 에너지를 가하면 원자가 띠에 있는 전자는 전도 띠로 전이한다. 그리고 시간이 지나면 전자는 다시 내려오는데 내려오면서 띠 틈 크기의 에너지를 전자기파 형태로 방출한다.
이때 방출되는 전자기파는 플랑크의 에너지 공식을 따른다. 전자기파의 에너지는 플랑크 상수와 진동수에 비례한다. 띠 틈의 에너지가 가시광선의 진동수에 해당하는 에너지와 같다면 전자가 원자가 띠로 내려오면서 방출하는 전자기파는 가시광선 영역을 방출한다.
방출되는 전자기파의 파장이나 진동수와 같은 성질은 사용한 물질에 전적으로 의존하며 이는 한 가지 색깔의 가시광선만 방출한다는 의미가 된다. 띠 틈의 에너지 크기가 빨간색 빛의 에너지와 같다면 방출되는 빛은 빨간색만 나온다.
이 원리를 맨 처음 이용한 장비는 레이저였다. 레이저는 물질에 직접적으로 전기 에너지를 주입한 다음 방출되는 빛을 모아 한 방향으로 쏘아주는 원리를 가지고 있다. LED는 레이저와 비슷한 원리를 사용하고 있다.
반도체에 에너지를 가해 전자를 전도 띠로 전이시키면 원래 있던 원자가 띠에는 전자가 있던 빈 공간이 남는다. 이 공간을 양공이라고 하는데 양공은 마치 질량과 전하량의 크기가 전자와 동일하지만 전하량의 부호가 전자와 달리 (+)인 입자처럼 움직인다.
일반적으로 전자와 양공의 개수는 정확하게 같아야 한다. 하지만 반도체 물질에 불순물을 주입하면 한 쪽이 더 많게 만들 수가 있다. 전자가 더 많으면 N형, 양공이 더 많으면 P형 반도체라고 한다. 그리고 두 반도체를 붙인 구조를 PN 접합이라고 한다.
P형 반도체에 (+) 전압을 연결하고 N형 반도체에 (-) 전압을 연결하면 서로 같은 전하를 띠고 있기 때문에 양공과 전자들을 밀어낸다. 밀려난 양공과 전자는 두 반도체의 접합부로 향하다 결국 경계면에서 서로 만나게 된다.
전자와 양공이 만나면 빈 구멍과 구멍에 딱 맞는 공이 들어간 것처럼 합쳐진다. 합쳐지는 과정에서 띠 틈의 크기 정도의 에너지가 전자기파 형태로 방출된다. 이때 방출되는 전자기파는 레이저와 완전히 똑같은 설명을 할 수 있다.
가시광선을 방출하는 PN 접합 소자를 LED 또는 발광 다이오드라고 부른다. 최초의 LED는 1962년 에디슨이 설립한 '제너럴 일렉트릭'의 연구원 닉 홀로니악이 개발하였다. 최초의 LED는 적색 빛을 방출하였으며 얼마 지나지 않아 녹색 빛도 개발되었다.
LED는 기존의 광원들에 비해 아주 우월한 성능을 지니고 있다. 구조가 간단하여 대량 생산이 용이하고 수명이 길다. 형광등은 환경 오염 물질을 많이 사용하지만 LED는 환경 오염에 대한 걱정도 적다. 그래서 LED는 조명으로 사용되기 적합한 소재이다.
하지만 조명으로 사용하기 위해선 단색이 아닌 백색광이 필요하다. 백색광은 빛의 3원색인 적색, 녹색, 청색을 혼합하면 간단히 만들 수 있는데 문제는 청색에 있었다. 당시 청색만 낮은 세기를 가지고 있어 백색을 만드는데 장애가 되었다.
아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지
제일 큰 문제점은 청색 LED를 만드는데 필요한 질화갈륨 결정체가 생성 과정에서 분말이 된다는 점이었다. 수많은 기업들이 질화갈륨 결정체를 만들고자 도전하였지만 전부 실패로 돌아가고 포기를 하였다. 1970년대가 되어서야 겨우 질화갈륨 결정체를 얻는 기술이 개발되었지만 청색 LED 개발은 계속해서 실패하였다.
1980년대 후반 아카사키 이사무와 아마노 히로시, 나카무라 슈지는 수년간의 끊임없는 도전을 통해 결국 미세한 질화갈륨 결정체를 만드는데 성공하였고 필요하였던 청색 LED를 만들어냈다. 또한 이들의 발명 이후 질화갈륨을 이용해 순수한 녹색을 얻을 수가 없었던 녹색 LED의 문제도 해결되었다.
현재 LED는 형광등을 대체하기 시작하였으며 스마트폰, 모니터 등의 디스플레이도 전부 LED를 사용하고 있다. 청색 LED를 개발하여 작고 효율적이며 휴대 가능한 광원을 얻게 해준 공로로 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지는 2014년 노벨 물리학상을 수상하였다.
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[MHN과학] 도대체 왜 파란색이 중요했을까? 2014 노벨 물리학상: LED
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