[e돋보기] LED

[양태훈기자] 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)는 전류를 가하면 빛을 발하는 화합물 반도체 소자다. 전기에너지를 빛에너지로 변환시켜주는 '광반도체'인 셈.

화합물 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등 하나의 원소로 이뤄진 단원소 반도체와 달리 2종 이상의 원소로 이뤄진다. 주로 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 갈륨비소인(GaAsP), 갈륨질소(GaN) 등으로 만들어지며, 화합물에 따라 LED의 빛 색깔이 달라진다.

◆ LED의 구조와 작동 방식

LED는 양(+)의 전기적 성질을 가진 P형(P-type) 반도체와 음(-)의 전기적 성질을 지닌 N형(N-type) 반도체가 하나로 합쳐진 구조(N형이 안쪽, P형이 바깥쪽)로 이뤄져 있다.

전압을 가하면 수 볼트(V)의 전압으로 전류가 발생, n층의 전자가 p층으로 이동해 정공과 결합하는데 이때 생기는 에너지의 차이에 따라 다양한 색의 빛이 난다.

양쪽의 에너지 차이(ev, 에너지준위)가 클수록 단파장(가시광선 내에서 푸른빛을 내는 영역대의 파장)인 청색 계통의 빛을, 에너지 차이가 작을 수록 장파장(가치광선 내에서 붉은 빛을 내는 여역대의 파장)인 붉은 색 계통의 빛을 낸다.

LED에서 발출하는 빛은 종류에 따라 가시광선 LED(VLED), 적외선 LED(IR LED), 자외선 LED(UV LED)로 구분한다.

이중 가시광선 LED가 전체 LED 시장의 가장 큰 비중을 차지한다. TV나 조명 등에 사용되는 R·G·B·W LED 등이 해당된다. 적외선 LED는 리모콘이나 적외선통신, CCTV 적외선 카메라 등에 사용, 자외선 LED는 살균, 피부치료 등 생물, 보건 분야와 검사 목적 등으로 활용된다.

◆LED의 기원과 향후 전망

LED는 지난 1907년 영국의 라디오 엔지니어 헨리 조셉 라운드가 진공 다이오드의 대체물질로 금속반도체 탄화규소(SiC) 정류기의 전기적인 특성을 조사하던 중 우연히 고체상이 재료에서 빛이 발생하는 현상을 발견하는데서 기원한다.

이후, LED 연구는 다양한 광자(파동과 입자의 성질을 지닌 빛의 입자)를 생성, 광자를 가능한 많이 밖으로 추출하는 것을 목표로 화합물에 따라 빛의 색상이 달라지는 만큼 화합물 조합에 대한 연구가 활발히 진행됐다. 1962년 적색 발광 다이오드를 개발하는데 성공한다.

1990년대부터는 갈륨질소를 기반으로 한 청색 LED 개발에 성공. 이는 녹색 LED, 백색 LED 개발로 이뤄져 최근 조명시장에서는 LED가 활발히 활용되고 있다.

이는 LED가 백열등이나 형광등과 비교해 전력소비가 적고, 인체에 유해한 수은(Hg)를 사용하지 않아 고효율·친환경이라는 강점을 지니고 있기 때문.

기존 백열등 대비 전력효율은 5분의 1 수준, 수명은 15배 이상 긴 5만 시간을 제공한다. 하루 10시간씩 1년을 사용해도 기본적으로 30년 이상은 사용할 수 있는 셈.

더불어 빛의 색상이나 온도, 밝기 등의 제어에 유리한 반도체 소자인 만큼 다양한 기능을 갖춘 조명으로 활용하기에도 유리하다.

한편, 한국광기술원에 따르면 세계 LED 시장은 지난해 702억 달러(한화 82조 2천572억 원)에서 오는 2019년 1천729억 원(한화 205조 594억 원)으로 성장할 전망이다.

LED 소자의 성능은 1와트(W)급 백색 LED를 기준으로 올해 180루멘(lm)에서 오는 2018년에는 230루멘으로 약 28%의 향상, LED 조명을 활용한 응용 제품도 사물인터넷(IoT) 기기와 연결된 스마트조명에서 사용자의 감정을 파악해 색의 온도와 밝기를 조절하는 감성 조명으로 발전될 예정이다.