청색LED

최근 니치아화학공업으로 부터 2,200억원의 발명 보상금을 지급 받게 된 캘리포니아 산타바바라대 나카무라 슈지 교수에 대한 기사가 국내외에 큰 이슈가 된 적이 있다. 

그를 돈방석에 앉게 해준 청색 발광다이오드(LED)는 왜 이렇게 주목과 관심을 끌고 있는 것일까? 

발광다이오드(LED)란? 

발광다이오드(LED : Light Emitting Diode)는 전기를 통해 주면 전자가 에너지 레벨이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며 특정한 파장의 빛을 내는 반도체 소자를 말한다. LED는 컴퓨터 본체에서 하드디스크가 돌아갈 때 깜빡이는 작은 녹색 불빛이나 도심의 빌딩 위에 설치된 대형 전광판, 핸드폰의 반짝이는 불빛을 내는 등 다양한 곳에서 빛을 만들어 낼 때 사용 한다. 

LED는 기존 전구와는 달리 전력 소비량이 1/12 수준으로 매우 적으며 수명은 전구의 100배 이상, 전기에 대한 반응 속도도 1000배 이상 빨라 새로운 발광체로 주목 받고 있으며 저전력에서 고휘도의 빛을 내기 때문에 전광판과 같은 디스플레이용으로도 각광 받고 있다. 

LED는 어떤 화합물 반도체(GaP, GaAs)를 쓰느냐에 따라 빛의 색깔이 틀려 지는데 적색 이나 녹색 빛을 내는 LED는 수십 년 전에 개발되어 각종 다양한 산업 및 생활 가전 등에 폭 넓게 쓰이고 있다. 

청색 LED의 개발 

인간은 빛의 파장이 400~700nm(나노미터 : 10억분의 1미터)사이의 가시광선 범위에 있을 때 빛의 색을 볼 수 있다. 적색 같은 경우는 700nm대, 녹색은 565nm대의 비교적 긴 파장일 때 보여지게 되나 청색 같은 경우는 400~450nm대의 짧은 파장일 때 보이게 된다. 

LED는 적색-녹색-청색 순으로 개발 되었는데 이는 파장이 짧을수록 빛을 만들어 내는 화합물 반도체의 개발이 어렵기 때문이다. 

청색을 만들어 내기 위해 세계의 주요 연구기관에서 셀렌(Se)이나 실리콘탄화물(SiC)을 이용해 500nm 이상의 장파장 녹-청색 소자의 개발은 성공하였으나 450nm 이하 고휘도 청색 LED 개발에는 성공하지 못했다. 결국 수많은 연구 기관에서 도전한 끝에 1990년 일본의 니치아화학공업의 나카무라 연구팀에서 질화갈륨(GaN)을 이용한 450nm 이하의 짧은 파장을 가진 고휘도 청색 LED 개발에 성공하게 되었다. 

청색 LED의 활용 

청색 LED가 개발되기 전까지는 LED를 통해 총천연색을 구현하지 못했다. 총천연색을 만들기 위해서는 적색, 녹색, 청색의 세 가지 빛이 있어야 가능하기 때문이다. 그래서 청색 LED가 나오기 이전의 전광판들을 보면 사람이 노랗거나 빨갛게 나오는 것을 볼 수 있는데 이것은 적색 LED와 녹색 LED로만 제작했기 때문이다. 

그러나 청색 LED가 개발된 이후로는 모든 색깔의 빛을 만들어 낼 수 있는 RGB(Red/Green/Blue :TV나 모니터에 사용) 방식을 통해 완벽한 컬러 전광판을 볼 수 있게 되었다. 뿐만 아니라 짧고 안정적인 파장을 요구하는 광 메모리 장치나 가전 제품 등 여러 LED 응용 사업분야에서 청색 LED의 수요는 폭발적으로 증가하고 있다. 

LED 산업의 전망 

LED의 개발은 적색, 녹색, 청색을 이용한 총천연색 전광판이나 기존 신호등에 비해 선명하고 반사도 적은 LED 신호등과 같은 새로운 용도의 개발을 가져왔다. 

특히 기존 전등 기구인 백열 전구의 경우 전기에너지의 90%를, 형광등은 70%를 열에너지로 낭비해 전력 소모가 심했지만, 발광다이오드의 경우 전기 에너지의 거의 100%를 빛 에너지로 변환이 가능하기 때문에 기존 전구를 대체할 새로운 발광체로 떠오르고 있다. 

청색 LED를 개발한 나카무라 교수도 이처럼 에너지 효율성이 높은 백색 LED 개발을 차기 과제로 삼아 연구를 진행 중이라고 한다. 청색 LED의 개발로 엄청난 부를 창출한 그가 앞으로 몇 년이 지나면 전세계의 전구를 대신할 백색 LED로 인해 제2의 에디슨이라 불릴 수도 있을 것이다. 

우리가 꿈이라 생각하는 것들을 현실로 만드는 꿈의 기술자. 

우리는 그들을 ‘과학기술자’라는 이름으로 부른다. (글 : 김형자/과학칼럼리스트) 

(출처 : KISTI의 과학향기)