4백억 달러의 세계 조명시장을 비추는 LED
십년 전만 해도 예상하지 못했던 여러 분야에서 발광다이오드(LED : Light Emitting Diode)가 눈에 띄고 있다. 아주 밝고 오래 가는 손전등에서, 유난히 선명한 신호등에서, 신형 자동차의 외부지시등에서, 뉴욕시 타임즈 스퀘어의 대형 비디오 스크린에서, 심지어는 워싱턴 DC의 제퍼슨 기념관(Jefferson Memorial)을 밝히는 야간조명등에서도 LED의 파워는 뚜렷하게 나타나고 있다. 이미 일반 조명으로서의 LED의 잠재성을 인식한 조명기구 생산업체들은 몇 년 전부터 반도체 생산업체들과 손잡고 LED기술 개발에 주력하고 있고, 미국과 일본 정부도 에너지 효율이 뛰어난 차세대 조명기구로서의 LED에 대한 연구와 개발을 적극 지원하고 있다. 이러한 추세대로라면 앞으로10년에서 20년 후에는, LED기술이 지난 125년 동안 에디슨의 발명품에 의존해왔던 일반 조명시장을 주도해 나갈 것으로 보인다.
다양한 색깔과 고휘도 LED의 출현
적색의 미미한 빛에 불과하던 1960년대의 초기 LED는 1970년대, 1980년대를 거치면서 주로 전자기기의 전원지시등이나 계산기, 디지털 시계 등에 쓰였으나, 1990년대에 들어서면서 다양한 색깔과 고휘도의 LED가 개발되는 등 괄목할 만한 기술적 성장을 보였다. 특히 1994년, 일본의 Shuji Nakamura가 질화갈륨(GaN)을 사용하여 청색 LED를 만들어 낸 사건은 미래의 조명기구로서의 LED의 가능성을 보여준 계기가 되었다. 적, 녹, 청색의 세 가지 LED에서 나오는 빛을 혼합하거나, 보다 효과적으로는 청색 LED에 노란색 인광체를 사용하여 일반 조명에 적절한 백색을 만들어낼 수 있기 때문이었다. 백색 LED 기술의 개발을 위해, 기존의 조명기구 생산업체들은 반도체 업체들과 합작하여 이에 주력할 새로운 회사들을 창업하기 시작하였다. 전구를 생산하는 General Electric Lighting사(www.gelighting.com)와 칩 생산업체, Emcore사(www. emcore.com)가 합자한 GELcore사(www.gelcore.com), Philips Lighting사(www.lighting.philips.com)와 Agilent Technologies사 (www.agilent.com)가 합자한 Lumileds Lighting사(www. lumileds.com), 독일의 Osram사(www. osram.com)와 Infineon Technologies사(www. infineon. com)가 합자한 Osram Opto Semiconductors사(www.osram. os.com) 등은 고휘도 백색LED를 생산하는 대표적인 주자들이다.
에너지 절약의 공신, 고휘도 백색 LED
백열전구는 유리 진공구 안의 금속 필라멘트를 충분히 덥힘으로써 그 부산물로 빛을 얻어내는데, 이 때 사용되는 전기는 그 5%만 빛으로 전환되고 나머지는 열로 낭비된다. 반면에, 서로 다른 반도체 재료가 만나는 극소지점에서 전자와 정공이 결합, 광자를 방출함으로써 빛을 만드는 LED는 에너지 효율이 현재의 10% 정도에서 이론적으로 100%까지 가능하고, 유리를 사용하는 백열전구와는 달리 크기가 작고, 훨씬 단단하며, 스위치 속도가 빠르다. 또한, 발열이 적어 만져도 뜨겁지 않고, 수명이 백열전구보다 5~10배 정도 긴 장점이 있다. 그러나 LED는 백열등보다 수십 배 비싸기 때문에, 아직은 장기적 에너지 비용과 유지비 등에 민감한 상업 분야, 즉 무대조명이나 국부조명, 건물에 걸리는 광고용 대형 비디오스크린 등과 신호등, 고가 자동차의 외부지시등과 계기판 등에 주로 사용되고 있다. 이들 LED를 사용할 경우 절약되는 에너지 비용을 주목할 만하다. 신호등의 경우, 하나의 백열전구가 150W의 전력을 소모하며, 1년 내에 교환해야 하는 데 반해, 이를 12개의 고휘도 LED로 대체하면, 총 15W를 소모하면서 5년 이상의 수명을 유지한다. 캘리포니아 주 교통부(California Department of Transportation)는 신호등을 LED로 바꾸면서 전기 비용과 인건비 등을 포함, 연간 천만 달러 이상을 절약하게 되었다고 하는데, 미국 내 신호등은 2005년까지는 대부분 LED로 바뀔 것으로 예상된다. 한편, 최근 Audi사는 세계 최초로 2004년 신모델 자동차, A8 6.0의 전방 주간주행등에 Lumileds사의 고휘도 백색 LED를 사용한다고 발표하였는데, 주로 적색 브레이크등으로만 사용되어오던 LED들이 이제는 자동차의 계기판과 전조등, 실내등까지 파고 들 것으로 보인다. 또한 휴대폰이나 LCD의 후광등으로 쓰이는 고휘도 백색 LED의 수요도 계속 증가할 것으로 예측되고 있다.
에너지 효율과 휘도의 개선 문제
현재 생산되고 있는 가장 밝은 백색 LED는 5W의 전력으로 120루멘(lumen : 사람의 눈이 빛을 받아들이는 정도의 수치)의 밝기를 나타내는 Lumileds사의 Luxeon 모델인데, 세 개의 LED가 30W 백열등의 밝기에 미치는 정도이고, 그 효율 25lumen/W는 17lumen/W의 백열등보다 높기는 하지만, 80lumen/W의 형광등보다는 훨씬 낮은 상태이다. 따라서 고휘도 백색 LED들이 앞으로 일반 조명을 대체하기 위해서는 LED의 에너지 효율과 밝기, 색깔을 더욱 개선하고, 저가의 제조 방법을 개발하여 비싼 LED 가격을 인하해야 하는 문제점들을 안고 있다. 이를 위해 결함도가 낮은 LED 칩을 만들어, 더 많은 광자가 방출되고, 또한 일단 방출된 광자가 손실되지 않게 하면서 인광체를 개선하는 연구가 진행되고 있다. 최근, 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratories : www. sandia.gov)는 캔티레버 에피택시(Cantilever Epitaxy)라는 방법으로 질화갈륨 칩을 만들 때 사용하는 사파이어 기판과 반도체와의 접촉률을 낮춰 결함률을 100분의 1로 줄이고, 밝기를 100배로 늘리는 성과를 올렸다. 또한, 이들은 단일 인광체 대신 저가의 황화카드뮴(CdS)으로 만든 나노 크기의 인광체(quantum dot)들을 사용하여, 자외선 영역의 빛을 방출하는 LED로부터 백색과 청색을 만들어 냈는데, LED의 자외선을 흡수하여 가시광선을 만들어 내는 quantum dot들이 단일 인광체보다 여러 농도의 색깔을 만들어내고 빛의 손실을 줄여, 에너지 효율을 10~20%에서 60%까지 높일 수 있었다. 한편, 캘리포니아 주립 대학(University of California, Santa Barbara : www.ucsb.edu)의 Shuji Nakamura 교수도 나노 크기의 거울 같은 입자를 사용하여 밝기를 50% 정도 개선하는 방법을 연구하고 있으며, 반도체 제조업체 Cree사(www.cree.com)는 기존의 칩보다 크기가 큰 칩을 개발하여, 표면적의 증가로 인해 휘도를 증가시키는 방법도 시도하였다. 이러한 다방면의 연구 성과 덕분에, 미래에는 에너지 효율이 형광등보다 두 배, 백열등보다는 10배 높고, 수명은 수십 배가 긴 저가의 백색 LED조명 제품이 출현하리라고 예상된다.
미래의 조명 기구, 백색 LED
미국에너지국(Department of Energy)에 따르면, 조명에 쓰이는 전기 비용이 총 전기 비용의 20%에 달하는데, 차세대 백색 LED가 대중화된다면, 그 비용을 반으로 줄일 수 있다고 한다. 또한 2025년에 이르면, 그 에너지 절약비용만 연간 1천억 달러에, 새 발전소들을 더 세우지 않아도 되는 추가 기회비용 5백 억 달러의 절약, 그리고 그에 따른 환경 보존 효과까지 누릴 수 있을 것이라고 예상한다. 2003년, 미국 상원에서 채택한 차세대 조명 발의안(Next Generation Lighting Initiative)은 2012년까지 160lumen/W의 효율과 10년의 수명을 가진 백색 LED를 개발하기 위한 미국에너지국의 지원을 명시하고 있다. 차세대 조명기구를 개발하기 위한 정부 주도의 지원과 함께, 세계 4백 억 달러 조명 기구 시장의 쟁탈을 위한 고휘도 백색 LED 기술업체들의 경쟁은 이제 막 시작되었다.
OLED(Organic Light Emitting Diode)
백색 LED와 함께 주목을 받고 있는 OLED는 유기물로 만든 얇은 플라스틱 재료로 전기를 흘리면 LED와 같은 원리로 은은한 빛을 발한다. 효율이 11 lm/W 정도로 백색 LED보다 훨씬 낮고 수명도 짧은 단점을 가지고 있지만, 칩을 만드는 과정을 생략할 수 있어 싸고 간단하게 대량 생산할 수 있는 장점이 있다. OLED는 주로 소형 디스플레이를 위한 후광등에 사용되는데, 밝기를 개선하면 10년 내에 형광등 정도의 밝기로 일반 조명에까지 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 백색 LED의 지원과 더불어, 차세대 조명 발의안은 2012년까지 효율이 100lumen/W에 수명이 5년 정도인 OLED의 개발을 위한 지원도 함께 명시하고 있다. 고병희 | 미국 객원기자 |