빛이 닿는 모든 곳이 LED로

LED의 원리와 차세대 기술 짚어보기

[테크월드=선연수 기자]

1879년 토마스 에디슨(Thomas Edison)이 전기로 빛을 내는 백열전구를 발명한 데 이어, 오늘날 LED 조명이 일상이 되기까지는 인류의 역사에 비하면 빛처럼 빠른 속도의 기술 발전 속도를 보인다. 기원전 1만 5000년 전 오일램프 사용을 시작으로 19세기 백열전구의 등장, 20세기에 등장한 형광등 그리고 21세기 LED 기술에 이르기까지. 빛의 혁신은 더 오래, 밝게, 효율적으로 사용하기 위해 발전해왔다. 주기적으로 깜박이던 형광등을 의자에 올라 갈아끼우던 일을 과거로 만들어버린 LED 기술은 어떤 이유로 더 오래, 밝게 빛이 날까?

LED의 근간, 다이오드

다이오드란 P형 반도체와 N형 반도체를 접합해, 전류를 정방향인 한 방향으로 흐르도록 만든 소자다. 이는 전압을 반대로 연결하면 전류가 흐르지 않는 역전류를 방지 기능으로 가정용 어댑터에 필수적으로 탑재되는 부품이다. 가정용 교류 전압인 220V를 전자 기기가 원하는 전압과 전류로 변환해준다. 이와 같은 정류작용의 특성을 적용해, 전압을 가하면 빛을 내도록 설계된 반도체가 바로 발광 다이오드(Light Emitting Diode), LED다.

자체발광 LED

1907년 영국의 엔지니어 헨리 조셉 라운드(Henry Joseph Round)는 ‘Electrical World’ 저널에서, 진공관 다이오드의 대체재로서 금속-반도체 탄화규소(SiC) 정류기의 전기적 특성을 조사하던 중 소재로 사용한 물질에서 빛이 방출되는 현상을 우연히 발견했다고 소개했다. 이 현상을 LED 기술의 시작으로 볼 수 있으며, 이후 여러 연구를 거쳐 1962년 제너럴 일렉트릭(GE)의 닉 홀로이악(Nick Holonyak)이 LED를 발명하면서 LED 상용화의 물꼬를 트게 된다.

LED는 N형 반도체와 P형 반도체를 접합한 것으로 음극에서 양극으로(정방향) 정전압을 걸어 주면, N형 쪽에 포진한 전자와 P형에 포진한 정공이 전압의 흐름에 따라 이동한다. 전자와 정공은 접합부에서 충돌해 재결합 과정을 겪게 되며, 이때 발생하는 재결합 에너지가 빛으로 방출된다[그림 1]. 전기 에너지가 빛 에너지로 변환되는 과정에서 열에너지를 거치는 중간 과정이 사라짐으로써 더욱 효율적으로 에너지를 사용할 수 있다. 또한, 전구의 필라멘트보다 외부의 충격에 강해 튼튼하고 수명이 긴 조명으로서 산업 현장, 우주선 등의 조명에 활용할 수 있다.

그러나 정격 전류 이상의 전류를 공급하면 소자가 파손돼 쓸 수 없게 되며, 빛 방출로 온도가 상승하면 LED의 효율이 떨어지고 소자의 수명도 줄어들게 된다. 이를 방지하기 위해 방열장치가 필수로 동반돼야 한다.

백색 LED를 개척한 푸른빛

처음으로 발명된 LED는 조명에 바로 적용할 수 있는 백색이 아닌, 적색 LED였다. 상용화 당시엔 적색의 낮은 파장대 근처인 황색, 주황색 주파수 대의 LED만을 제작할 수 있었다. 이는 가정용 조명과 같은 용도로 쓰이지 못했고, 신호등이나 전철역 전광판 등에 활용됐다.

LED 개발에 이어 1960년대 후반부터 청색과 같은 짧은 파장대의 LED 연구는 계속됐으나, 에너지 효율 문제로 연구진들은 골머리를 앓았다. 반도체의 베이스가 되는 사파이어 기판에 청색 빛을 내는 물질을 증착시키기 어려웠으나 1993년 드디어 일본(현재 미국)의 나카무라 슈지(中村修二)가 질화갈륨(GaN)을 이용한 고휘도 청색 LED를 개발해냈다. 나카무라 슈지와 아카사키 이사무, 아마노 히로시가 공로를 인정받아 2014년 노벨 물리학상을 수상했다. 이후 녹색 파장대 등 자외선, 적외선 영역의 LED까지 개발됐다.

빛의 3원색 원리에 따라, 적색, 청색, 녹색 파장을 함께 사용하면 백색 빛을 얻을 수 있으며, 이는 다채로운 색의 디스플레이에 주로 사용되는 방식이다. 조명의 경우 청색 LED에 보색인 황색 형광 물질을 칠해 백색 빛을 만드는 방식을 사용한다. 이는 3가지 색의 LED를 사용하는 것보다 비교적 단순한 방법이며 효율이 높아, 조명에 주로 적용되는 기술이다.

눈에 보이지 않는 빛의 영역까지

빛이란 눈을 뜨는 순간 접하게 되며, 비단 시각적인 영역에만 그치는 것이 아니다. LED 역시 가시광 영역뿐 아니라 다양한 빛의 스펙트럼을 가진다.

먼저, 가시광선 영역의 LED는 일상생활 속 조명, TV, 컴퓨터 모니터, 스마트폰 등에 적용돼 흔하게 접할 수 있다. 한때 LiFi(Light-Fidelity)라는 LED 가시광선을 이용한 무선 통신망 기술이 개발되기도 했다. 이는 LED 조명이 있는 곳이면 어디든 통신망을 이용할 수 있다는 광범위성을 가졌으나, 장애물이 있거나 어두운 환경에선 통신이 어렵다는 단점으로 인해 각광받지는 못했다.

적외선 LED는 농산품 건조기, 근육 치료, 공기 정화 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 이외에도 적외선 빛을 활용하는 모든 곳에 사용할 수 있는데 익숙한 사례는 바로 리모컨이다. 또한, 보안 카메라의 야간 투시 기능도 적외선 LED를 활용하며, 산업 현장에선 로봇이 적외선으로 물체를 감지하기도 한다. 최근 등장한 LED 마스크에도 적외선 LED가 탑재된다.

자외선 LED 역시, 의료나 보안 산업에 활용되고 있으며 UV 경화, 인쇄, 살균 산업 등 응용할 수 있는 분야가 광대하다. 이는 파장에 따라 UV-A(315~400nm), UV-B(280~315nm), UV-C(100~280nm)로 나뉘며, 각 파장별 활용도 달라진다. UV-A는 위폐 감별, 법의학, 치아 미백, UV 경화, 인쇄 분야에 활용되고, UV-B는 분광기, 계측기, 정수기, 공기정화기, 탈취기 등에서 효과를 나타낸다. UV-C는 음식이나 생활용품의 살균·소독에 쓰이나 이와 같은 짧은 파장대의 기술을 활용하기에는 아직 연구개발이 더 필요한 상황이다.

더 얇고, 더 밝고, 더 다채롭게

조명 시장이 발달함에 따라 TV도 수많은 변화를 겪고 있다. 기존에 TV 디스플레이로 활용되던 LCD는 스스로 빛을 내지 못해, LCD에 빛을 비춰주는 백라이트(BLU, Back Light Unit) 장치가 필요했다. 그러나 LED는 스스로 빛을 내기에 백라이트를 별도로 필요로 하지 않아 더 얇고 효율 높은 TV를 제작할 수 있게 된 것이다. 이처럼 LED 디스플레이 기술도 더 얇고, 밝으며, 다양한 색을 구현하기 위해 고도화되고 있다.

OLED

OLED는 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode)로 탄소, 산소, 질소와 같은 유기물질로 구성된 단량체나 중합체를 이용한 발광소자로 빛을 낸다. 이때 유기 발광 물질을 칠하는 기판은 유리, 실리콘, 플라스틱 등 다양한 소재를 활용할 수 있어 디스플레이를 접거나 돌돌 감을 수 있다. LG는 CES 2019에서 화면이 말아 올라가는 롤러블 TV를 선보였다. 또한, OLED는 기판을 매우 얇게 제작할 수 있어 벽걸이 TV, 휘어지는 조명 등에도 활용된다.

그러나 OLED의 유기물은 스스로 연소해 빛을 내므로, 유기물의 수명이 끝나면 빛을 내지 못한다. 특히 청색의 수명이 짧아 청색 빛의 활용되는 희거나 밝은 빛의 화면을 많이 이용할수록 소자의 수명이 빨리 닳는다. 청색 소자가 먼저 수명을 다하면 흰 화면도 노랗게 보이는 것이다. 이를 번인(Burn-in) 현상이라고 한다.

QLED

QLED는 양자점 발광다이오드(Quantum Dot Light Emitting Diode)로 전압을 가할 시 양자점(Quantum Dot)이라는 나노 물질이 빛을 내는 방식이다. 양자점은 소자의 크기, 전압에 따라 여러 가지 색깔의 빛을 만들기 때문에 OLED처럼 보조화소를 필요로 하지 않아 제작 비용이 절감된다.

그러나 아직 QLED 기술을 활용한 TV는 제작되지 않고 있다. 양자점이 빛을 내기 시작할 때의 효율이 낮아지는 것과 장기간 사용 시 내구성이 떨어져 역시 소자의 효율이 낮아지는 문제로 상용화를 위해선 연구가 좀 더 필요한 상황이다. 최근 한국전자통신연구원(ETRI)이 ‘피리딘’이라는 물질로 내부 입자끼리 원활하게 이동할 수 있도록 함으로써 이 문제를 해결했다. 이로 인해 밝기는 4.5배, 전류 효율은 1.7배, 전력 효율은 2.3 배 증가된 QLED 디스플레이를 구현할 수 있다고 설명하고 있다.

MicroLED

MicroLED는 기존의 LED 기술들과 다르게 액정 뒤에 설치하는 것이 아니라 발광 소자 자체가 화면을 구성한다. 마이크로 사이즈의 픽셀들을 사용해 같은 크기의 디스플레이라도 고해상도의 화질을 구현할 수 있다. 한 방향으로 접을 수 있는 ‘폴더블’ 디스플레이에서 한 발 더 나아가 양방향으로 접을 수 있으며 모양의 원상 복구가 가능한 ‘스트레처블’까지 가능할 것으로 예상된다. 또한, 전력 효율도 OLED에 비해 5배 높고, 각 소자의 크기는 5~10μm정도로, OLED보다 더 얇고 밝은 TV 디스플레이를 제작할 수 있다. 이 역시 유기물질을 사용하지 않아 번인 현상이 없으며 수명 또한 비교적 길다.

스스로 빛나는 반도체가 가지는 잠재력은 무한하다. 각종 기기에 내장돼 어디서든 빛을 낼 수 있으며, 여러 파장대의 빛을 구현해냄으로써 눈으로 볼 수 없는 영역에서도 활용된다. MicroLED로 스트레처블 디스플레이를 만들 수 있다면, TV 시장뿐만 아니라 각종 웨어러블 기기에도 다양하게 응용될 수 있다. 더 좋은 빛을 얻기 위한 기술 경쟁으로 어떤 기술과 문화가 자리 잡을지 기대해 본다.

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