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[과학이야기] 발광 다이오드(LED)의 응용이장로 이학박사(고려대)
  • 신홍관 기자
  • 승인 2020.03.27 08:48
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(서울=포커스데일리) 해질녘, 고층 아파트 유리창을 멀리서 쳐다보다가 그 중에서 유난히 밝은 층 하나를 발견할 수가 있었다.

특별히 밝은 이 아파트세대는 LED(Light Emitted Diode: 發光 다이오드)조명 전구를 장착한 것으로 알려 졌다. 요즈음 LED 조명을 사용하는 세대가 빠르게 늘어 나고 있는 상황이다.

조명용 광원은 1810년 전후에 가스등 발명을 시작으로하여 1879년에 백열등, 1938년에 형광등, 그리고 1996년에 백색 LED가 개발되어 대략 60년 간격으로 새롭게 변하고 있다.

LED 발전추세로 미루어 현재의 조명체계인 형광등이나 할로겐 램프등이 머지 않아 퇴출되고 LED 반도체 조명으로 바꾸어 질 전망이다.

고유가시대와 지구 온난화로부터 화석 연료 사용의 규제가 대두되는 시점에서 백열 전구에 비하여 긴 수명, 저전력 에너지 사용량을 가지는 LED는 형광등에 사용되는 독성물질인 수은이나 카드늄을 사용하지 않아서 친환경 추세에도 부합하는 이점이 있다. 가까이는 휴대폰 키패드에서 부터 일반조명에 이르기까지 광범위한 적용이 가능하다 보니 국가적 관심을 받고 있다.

LED 즉 '발광다이오드'는 전류를 가하면 빛을 발하는 화합물 반도체 소자이다. 기본적으로 LED는 양(+)의 전기적 성질을 가진 p형 반도체(전공이 많아 양의 성질 띔)와 음(-)의 전기적 성질을 지닌 n형 반도체(전w자가 많아 음의 성질 띔)가 얇은 층 형태로 붙어 있는 이종 접합구조를 갖는다.

순방향으로 전압을 가하면, 수 볼트의 전압으로 전류가 흘러, n층의 전자가 p층으로 이동해 정공과 결합하면서, 가지고 있던 에너지 차이, 즉 에너지 밴드 갭에 해당하는 파장의 빛에너지를 발산하게 된다. 이 과정에서 사용하는 원소의 종류에 따라 방출되는 에너지의 양이 달라진다. 이 에너지 차이에 따라서 빛의 파장이 결정되고 그에 따라 다른 색을 낼 수 있게 된다. 적색은 주로 GaAs를, 녹색은 GaP를, 그리고 청색은GaN을 기반으로 한다.

그러면 백색 LED는 어떻게 만들까?  지금까지 눈에 편한 백색을 구현하기 위하여 백색 LED는 청색 LED에 황색 형광체를 쓰거나 또는 3원색의 LED를 세트로 묶어서 병렬 조합하는 방식이었다. 그리나 청색 혹은 자외선을 흡수해 녹색, 황색, 적색 등 형광을 방출하는데 쓰이는 희토류 물질인 형광체는 수입의존도가 높을 뿐만 아니라 낮은 연색성과 변색 등도 문제가 된다. 또 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합하는 방식은 단가가 높아 진다는 단점이 있었다.

다행히도 최근 국내 연구진이 이와는 다르게 3차원 특수한 피라미드 구조의 마이크로 복합 구조 반도체칩에 전류를 흘려 백색광을 내는 LED를 개발하는데 성공하였다고 한다. 따라서 이 결과는 무형광체 백색 LED의 초기 단계이긴 하지만 3차원 반도체 공정개발을 통해 효율을 개선하면 값싸고 색 재현성이 좋은 무형광체 단일칩 백색 LED 광원으로 활용할 수 있을 것으로 보인다.

지금까지 알려진 LED가 가지는 장점은 약 60%이상의 양자효률, 5~10만시간의 장수명, 수mm이하의 초소형 경량 광원, 저전압 직류가동, 화상의 염려가 없는 저온 광원, 1~2차원으로 무한확대가 가능한 점광원, 1,600만개의 총 천연색의 빛, 극히 빠른 응답 반응속도로 인한 디지탈 모듈레이션의 확장성, 그리고 간단한 설치와 유지보수 등이라고 한다.

LED 기술의 향상으로 대 출력 LED광원과 신 조명기술을 만들어 내고 있으며, 인공적인 빛을 필요로 하는 분야 마다 그 유용성을 확인시키고 있다. 그 결과 LED 응용이 폭발적으로 증가 하고 있고 막대한 규모의 시장성이 형성되고 있다.

LED의 응용에 대하여 살펴보기로 한다. LED는 교통 신호등과 전광판같은 단순한 표시 소자기능에서 인간의 시감각, 동식물의 광반응을 이용한 대상제어의 영역으로 진화하고 있다. 인간의 감성, 심리, 생리현상에 부합하는 조명을 제공하고 어패류, 가축 등의 이동통제, 포획과 양식, 그리고 약용식물, 해조류 등 고부가 가치 식물 자원의 숙성 재배와 억제 등에 응용 되고 있다. LED TV의 back light, 자동차 조명 등 공산품에서의 응용이 시장성을 선도하고 있고, 조선, 의료, 환경, 가시광 통신, 정보가전, 군수과학산업에서의 신기술 개발 등에도 그 시장 규모가 확대되고 있다.

따라서 LED는 에너지 절감과 친환경 소재로 많은 연구 기관과 기업에서 다양한 연구와 개발이 진행되고 있으며 관련 산업 및 기술이 확충되면서 많은 제품들이 출시 되고 있다.

특히 일반 조명용 광원으로서의 백색 LED에 대한 기대가 크기 때문에, 발광 효율의 향상, 연색성, 가격문제, 광원의 기능평가 및 인체에 미치는 영향까지도 고려하여, 신뢰성을 확보한 고품질 LED 제품들의 개발을 통하여, 차세대광원으로서의 입지가 다져질 수 있도록 해야 할 것이다.

신홍관 기자  hksnews@ifocus.kr

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#과학이야기#이장로박사#발광다이오드

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