빛을 내는 반도체, LED 조명 이야기

최근 우리 삶 속에 LED 조명이 깊숙이 들어왔습니다. 생활 속 조명을 비롯하여 LED를 이용한 아름다움 빛 축제까지! 이렇듯 우리 주변에 LED가 일상화 된 이유는 반도체 덕분인데요. 한 알의 전구에서 반도체 성질을 이용하여 다채로운 색을 표현할 수 있게 되었기 때문입니다. 또, 교체 수명이 길어졌다는 장점도 큰데요. 그럼 지금부터 반도체 소자를 활용한 LED에 대해 더 자세하게 알아보도록 하겠습니다! 함께 살펴볼까요?

조명 업계의 혁신! LED의 발명과 진화

LED(발광 다이오드, light emitting diode)는 갈륨(Ga), 인,(P), As(비소)를 재료로 하여 만들어진 반도체 소자를 뜻합니다. 특정 재료를 통해 RGB(적색, 녹색, 청색)을 넣어주면, 수많은 색을 표현 할 수가 있는데요. 하지만, 처음 개발된 LED는 녹색과 적색만 표현할 수 있었다는 사실! 알고 계셨나요? LED의 발명에서부터 현재에 이르기까지의 이야기! 지금부터 함께 살펴보도록 하겠습니다.

LED 조명 역사의 시작

▲LED 최초 개발자 닉 홀로냑 (출처 : Ecomagination)

현재 알려진 최초의 LED 발명자는 GE(제네럴 일렉트릭)의 닉 홀로냑(Nick Holonyak, Jr)입니다. 1962년 최초로 LED를 실용화 하는데 성공했다고 하는데요. 하지만, 실제로 현재의 LED의 모습이 구현되기는 산업계에서의 수많은 노력이 있었다고 합니다.

최초 개발된 초기 LED의 경우 오직 적색과 녹색 빛만 구현이 가능 했습니다. 청색을 구현할 수 있는 LED가 없었기 때문에 백색을 표현할 수 없어 조명으로는 널리 사용되지 않았었죠. 하지만, 이러한 문제를 해결한 사람들이 있었는데요. 하지만 이를 문제를 해결 한 사람들이 있었는데요. 바로 일본의 과학자였던 이사무 아카사키(Isamu Akasaki), 히로시 아마노(Hiroshi Amano), 슈지 나카무라(Shuji Nakamura)입니다. 어떻게 청색 LED를 개발하게 되었는지 살펴볼까요?

조명 발전의 혁신! 청색 LED의 발명

                                                     ▲ 청색 LED를 개발한 일본의 과학자들 (출처 : 산업통상자원부 트위터)

반도체를 이용해 빛을 내는 LED는 내구성과 빛 표현의 다양성 등 형광등과 백열등에 비해 많은 장점을 갖고 있었습니다. 하지만, 당시 청색을 표현하는 LED 물질을 찾지 못해 청색 LED의 개발이 진행되지 않았기 때문에 조명 시장에서 널리 사용되지는 않았는데요.

                                                      ▲ LED의 다양한 색표현, 파+녹+적의 중앙 지점이 백색 출처 : rohm

최초 LED가 개발 된 지 20여 년 후인 1992년. 청색을 표현할 수 있는 반도체를 개발하던 아카사키 교수와 당시 박사 과정의 학생이었던 히로시 교수는 ‘질화 칼륨(potassium nitride)’이라는 재료를 이용해 청색 LED를 개발하는데 성공합니다. 이와 동시에 ‘니치아 화학공업’이라는 화학 회사에 다니던 나카무라 슈지 교수도 같은 물질로 청색 LED를 개발하는데 성공합니다. 이로써 LED에 RGB컬러(적색, 녹색, 청색)를 부여하여 백색을 비롯, 수백 여 가지의 색감을 표현할 수 있게 되었습니다. 또, LED 조명 상품이 다양화 되며 LED 조명시대가 열리게 되었답니다.

그 후 20여 년이 지난 2014년. 마침내 이 세 명의 과학자는 그 공로를 인정받아 ‘노벨 물리학상’을 받게 되었습니다. 노벨상을 수여하는 ‘스웨덴 왕립과학원 노벨위원회’는 이 발명을 “혁명적”이라고 칭하며, ‘21세기는 LED 램프가 밝혀줄 것’이라는 명언을 남기기도 했답니다.

일상생활 속으로 들어오기 시작한 LED 조명

▲ 조명 시장에서 승승장구하는 LED 조명 분야 (출처 : 한국수출입은행)

완전한 백색 표현이 가능해지면서 LED를 가정에서도 널리 활용하게 되었습니다. 이른바 LED 조명 시대가 열린 것이죠. 이처럼 기존 형광등, 백열등, 네온 등에 비해 LED 조명이 주목받게 된 것에는 다양한 이유가 있는데요.

먼저 LED 조명의 경우 빛을 내는 효율이 다른 조명에 비해 높아 전력 소비가 다른 전구에 비해 효율적이라는 장점을 갖고 있습니다. 또, 열을 통해 빛을 내는 다른 조명에 비해 반도체 특성을 이용하기 때문에 이산화탄소가 생성되지 않아 인체에 무해하고, 폐기 시 친환경적이라는 장점을 갖고 있죠. 뿐만 아니라 조명의 밝기, 시력에 미치는 영향 등 일반 전구보다 조명으로써 뛰어난 장점을 갖고 있답니다.

산업현장에서 가정까지! 우리 생활 속 LED

보통 조명들보다 뛰어난 LED만의 장점 덕분에 다양한 분야에서 LED 조명이 사용되고 있습니다. 산업 전반 분야에서부터 우리 주변 실생활까지 LED 조명은 점점 영역을 넓혀가고 있는데요. 그렇다면, 현재 어떠한 모습으로 우리 곁에 존재하고 있는지 자세히 알아보겠습니다.

▲ 공장에서 사용하는 LED 조명 (출처 : SK하이닉스 블로그)

현대 기술 발전에 기여하고 있는 공장에서도 LED 조명을 적극 활용하고 있는데요. 먼저 소비전력이 적기 때문에 오랜 시간 많은 조명을 켜놓는 공장에서 효율적으로 활용하고 있습니다. 이와 더불어 LED 조명은 수명이 길기 때문에 잦은 교체가 필요 없다는 경제적 효과도 볼 수 있죠.

또, LED 조명은 빛의 집중도가 높아 공장처럼 넓은 곳도 자연스러운 빛으로 환하게 밝혀줄 수 있다는 장점을 갖고 있답니다. 이처럼 환한 실내 환경 덕분에 공장에서 근무하는 사람들의 피로를 줄여주어 생산성이 올라가고, 만족도도 높여주는 효과가 있답니다. 이러한 효과는 사람뿐만 아니라 식물에도 적용할 수 있다고 하는데요.

▲ 식물 재배에 사용되고 있는 LED 조명 (출처 : futuregreen)

LED 조명은 식물의 성장에도 많은 도움을 주고 있습니다. 태양광 대신사용 했던 기존 조명들은 빛을 내는 과정에서 수은과 같은 유해 물질이나 식물에게 해로운 자외선과 적외선을 내뿜어 활용할 수 없었는데요. 안전하고, 친환경적인 빛을 내는 LED 조명을 통해 연중 내내 적합한 환경에서 식물을 재배 할 수 있게 되었습니다. 또한 미래에는 식물에게 필요한 빛의 색상을 연구해내어 이상적인 빛을 제공하는 형태의 연구도 진행 되고 있다고 합니다.

▲ 조명을 이용한 문화예술 축제 (출처 : futuregreen)

우리가 즐겨볼 수 있는 축제 등 행사에서도 LED 조명은 많이 사용되고 있는데요. 다채로운 색 표현과 소형화가 가능하다는 특징을 살려 LED 예술 문화가 많이 등장하고 있습니다. 최근에는 아름다운 빛과 관련된 축제들이 많이 열리고 있고 여름철에 많은 사람들이 모이는 광안리 해수욕장 에서도 LED 조명을 통해 사람들에게 즐거움을 주고 있죠.

▲ LED 조명을 이용한 국내 핸디스틱 청소기 (출처 : LGE)

최근 LED 조명은 소형화가 가능하다는 점에서 가전제품에도 널리 이용되고 있답니다. 대표적인 예로 청소기에 부착된 LED조명이 있는데요. 청소기 앞 면에 LED 조명을 부착해 어두운 곳을 구석구석 청소 할 수 있고, 눈으로 잘 보이지 않는 먼지들을 쉽게 찾을 수가 있죠.

▲ UV LED를 활용한 휴대형 살균기와 공기청정기 (출처 : 서울바이오시스)

또, LED에 UV(자외선) 기술을 더하면, 친환경 살균 기능을 구현할 수 있는데요. LED 자체에 독성 물질이 전혀 없어 살균 기능에서 활용해도 인체에 해롭지 않다고 합니다.

살균 및 공기 청정기에 LED가 활용된 사례를 알아봤는대요. LED에 자외선이 더해진 ‘UV LED’는 자외선을 방출하는 조명으로 단파장의 고 에너지를 이용해 살균, 공기 청정에 탁월한 효과가 있다고 합니다. 이렇듯 LED 조명은 헬스케어 영역까지 범위를 넓히며 다양하게 활용되고 있답니다.