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모든 스펙트럼 대역을 이용하는 발광 다이오드(LED)의 사용이 점점 확대되고 있다ㅡ이러한 추세는 에디슨 시대의 백열전구를 대체하는 백색 광원의 개발로 이어질 것이다 -조지 크래포드(M. George Craford), 닉 홀로냑 주니어(Nick Holonyak, Jr.), 프레드릭 키쉬 주니어(Frederick A. Kish, Jr.)

  램프의 최종 형태는?
홀로냑은 1995년 발광 반도체와 레이저 부분에서 혁신적 공로를 인정 받아 저팬 프라이즈(Japan Prize)를 수상했다. 그에게 차세대 램프 기술에 대한 견해를 물으면 천정의 전등을 가리키며 다음과 같이 대답한다. "곧 최종 단계까지 발전하겠지요"

발광 다이오드나 LED로 알려진 반도체소자들 덕분에 우리 눈앞에서 문자 그대로 혁명이 일어나고
있다. 현재까지는 많은 사람들이 LED를 전자 장비에나 사용되는 붉은색 혹은 초록색 빛을 내는 광원으로 알고 있지만 이제는 LED가 많은 응용분야에서 기존의 백열등을 대체해 가고 있다.
그렇다면 그 이유는 무엇인가? LED는 백열등 계열의 유색등보다 효율적으로 전기를 여러 빛으로 변환할 수 있으며 (붉은색의 경우 효율이 약 10배) 튼튼할 뿐만 아니라 크기도 작다. LED 중 특정 타입은 일반적인 환경에서 100,000시간(거의 10년 정도)을 사용할 수 있다. 반면에 백열전구의 평균수명은 약 1,000 시간 정도이다. 더욱이, LED의 강도와 색이 향상되어 커다란 디스플레이에도 이용할 수 있게 되었다. 아마도 가장 인상적인 예를 들자면 뉴욕의 타임 스퀘어(Times Square)에 세워진 8층 높이의 나스닥(Nasdaq) 광고게시판이 해당될 듯하다.

현재 엔지니어들은 LED의 제조 원가 절감, 효율성 증대, 그리고 가용색 범위의 확대에 총력을 기울이고 있다. 사실, 빨강, 초록, 파랑 LED를 결합하여 백색광을 만들면 보다 저렴한 가격으로 생산할 수 있고, 산업계의 주목을 받는 제품으로서 거대한 시장을 형성할 것이다. 언젠가 이러한 LED는 토마스 에디슨의 발명 이후 거의 1세기 동안 사용되어 왔던 백열전구를 대체하게 될 것이다.

나스닥 광고게시판, 세계에서 가장 큰 비디오 스크린으로 크기는 10,736 평방 피트이고 18,677,760개의 LED가 사용되었다.

LED는 거대한 나스닥 디스플레이에 비하면 점진적이긴 하지만 이미 여러 분야에서 백열등을 대체하고있다. 새로운 응용부분으로 자동차 관련 제품이 눈에 띈다. 유럽에서는 이미 60∼70%의 자동차에 LED를 약간 높게 설치하여 브레이크등으로 사용하고 있으며 미국에서도 이러한 움직임을 보이고 있다. 또한 LED는 트럭과 버스의 차폭등 및 후미등, 회전 표시등에도 사용될 수 있다. 2010년이 되면 자동차 외부의 빨간색 및 노란색등에는 모두 LED가 사용될 것으로 기대된다. LED를 보다 크고 밝게 하면 빨간 교통신호등에도 사용될 수 있다. 현재 미국에서는 횡단보도에 있는 빨간 신호등의 약 10% 정도에 LED를 이용하고 있다.

일반적으로, 교통신호등 및 색깔을 이용하는 다른 램프에 백열전구를 사용하는데 이 때 백열전구를 여러 색으로 보이게 하려면 필터를 덮어서 이용해야 한다. 비록, 필터링이 저렴하고, 백열전구는 단지 1센트의 비용으로 1루멘(Lumen, 밝기를 나타내는 표준 단위)의 빛을 방사하지만, 신호등에 백열전구를 사용하는 것은 매우 비효율적이다. 예를 들면 빨간색 필터는 빛의 약 80%를 차단한다.
따라서 방출되는 빛의 양은 와트 당 17루멘에서 와트 당 3∼5루멘으로 떨어진다.

이와 대조적으로, 횡단보도의 신호등에 LED를 사용하게 되는 경우에는 1루멘 당 15센트가 들지만 여과없이 이를 모두 이용할 수 있다. 더욱이, 이 신호등에 이용된 LED가 소비하는 전력은 10에서 25와트이고 백열전구로 같은 밝기를 유지하기 위해서는 50에서 150 와트의 전력이 필요하기 떄문에 백열전구 보다 비싼 LED를 사용하더라도 일년 정도 사용한다고 하면 비용은 비슷하게 된다.
또한 여기에 LED의 유지 보수비용을 더 고려하면 도시 설계자들이 왜 LED를 선호하는지 알 수 있다.

인테리어 디자이너들도 몇 년 전부터 밝은 색이 필요할 경우에 LED를 사용하기 시작했다. 각 LED는 한 가지 빛깔을 내기 때문에 LED를 사용하면 모든 스펙트럼을 자유자재로 조절할 수 있다. 여러 색의 LED를 함께 배열하면 원하는 색깔로 조명을 맞출 수 있다. 예를 들어, 빨강, 초록, 파란색 LED를 조합하여 만든 백색광의 경우 빨간색 LED의 세기를 낮추고 파란색 LED의 세기를 높이면 보다 시원한 느낌을 연출할 수 있다.

이와 같은 다양한 이용 가능성은 기발한 아이디어를 실현할 수 있다. 말하자면, 벽지를 새로 바르거나 페인트를 새로 칠하는 대신에 방출된 빛의 파장을 조절(빛의 파장이 색을 결정한다)하여 방의 색깔을 바꿀 수 있다. 1999년 뉴욕의 메트로폴리탄 미술관(Metropolitan Museum Of Art)에서는 비틀즈(Beatles)의 써전 페퍼(Sgt. Pepper) 복장 디스플레이에 LED를 조명장치로 이용하였다(조명은 시원한 느낌을 주며 직물을 손상시키지 않는다). 사진작가들도 LED를 사용하면 거추장스러운 필터나 젤을 이용하지 않고도 광원을 인공적으로 완벽히 조절할 수 있다.

LED는 또한 의학계에서도 흥미로운 응용수단이 될 수 있다. 예를 들면, LED는 동작 시에 열이 많이 발생하지 않고, 파장을 정교하게 조절할 수 있으며 폭이 넓은 빔을 유지할 수 있기 때문에 암 치료 연구진들은 이를 종양의 광역학적 치료 연구에 보다 효율적으로 이용할 수 있다. 이 치료법에서 환자들은 빛에 반응하고 종양 세포에만 흡수되는 약을 복용한다. 이 때, 적절한 파장을 갖는 빛이 종양 세포에 전달되면 복용한 약이 반응을 일으켜 종양 세포들을 파괴한다. 여러 개의 LED를 연결하여 이용하면 약(이 약은 특정 파장의 빛에만 반응한다)을 자극하는 박판 형태의 제품을 개발할 수 있다.
물론, 이 방법은 환자의 피부에 화상을 입히지 않는다.

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   발광 다이오드란?
발광 다이오드를 자세히 조사할 수 있는 가장 손쉬운 방법은 아마도 15달러 정도 주고 붉은 빛을 내는 자전거 램프용 LED를 구입하는 것이다. 케이스를 열어보면 회로보드에 전선이 연결된 AA형 건전지 한 쌍이 있고 길이 5/16인치에 직경은 3/16인 깨끗하고 색깔이 없는 원통형 물체가 있다.
그 투명한 원통형 물체가 바로 발광 다이오드이다. On 버튼을 누르면 투명한 LED에 붉은 빛이 켜지는데 이 빛은 강렬하기 때문에 맨눈으로는 보기 힘들다. 스위치를 끄고 LED 내부를 잘 관찰해보면 칩의 베이스에 전선이 실처럼 연결되어 있고 중간쯤에 아주 작은 컵이 자리잡고 있다. 이 컵이 반사경이며 모래 한 알 정도 크기의 반도체 칩을 지탱하는 역할을 한다. 이 칩이 LED의 핵심 부분이다.

칩의 안쪽에는 전자(음전하)를 과다하게 보유하는 있는 층(Layer) 이 있고, 이를 n-type이라고 한다. 다른 층은 그 위에 위치하며 전자가 부족한 물질(양전하)로 구성되어 있다.-보통 엔지니어들은 정공(Hole)이라는 양전하를 띤 입자가 과도하게 존재한다고 말한다. 이 물질을 p-type이라고 한다. 그리고 n층과 p층의 접합 부분을 활성층이라고 하며 여기에서 빛이 방출된다.

LED에 전압을 가해주면 전자와 정공이 활성층에서 만나게 되고 이 둘이 결합하여 포톤(Photon)-빛의 기본 단위-을 방출한다. 활성층의 접합면에 사용된 재질에 따라 포톤의 양과 파장이 결정된다.

1960년대에 제작된 초기 LED는 빨간빛을 만들기 위해 갈륨(Gallium), 아세나이드(Arsenic), 그리고, 인(Phosphorus)을 조합해 사용한다. 그러나, 이 LED는 전자와 정공이 비효율적인 방식으로 결합되어 1,000개의 전자 당 1개의 붉은 색 포톤이 생산된다. 이러한 방식의 LED에서 발생되는 빛의 양은 같은 양의 전력을 소비하는 빨간색으로 필터링한 백열 전구에 비해 10분에 1 정도 밖에 되지 못했다.

그러나, 시간이 지나면서, 특히 붉은 색 스펙트럼 영역에 대한 출력량이 놀랍게 증가했다. 1999년 휴렛패커드(Hewlett-Packard) 社에서 근무하는 마이클 크레임즈(Michael Krames)와 그의 동료들은 붉은 색 파장을 만들 때 전자의 55% 이상이 포톤을 생성해내는 LED를 개발하여 효율성 면에서 상당한 발전을 거두었다. 이와 같은 성공의 주된 이유는 지속적인 재질의 향상과 전자와 정공이 포톤을 효율적으로 만드는 물질을 개발했기 때문이다. 특히 두 층에 같은 재질을 이용할 필요가 없다는 사실을 발견하여 효율성이 엄청나게 증가하였다. 각 층은 같은 재질이 아닌 서로 다른 화학적 구성을 갖기 때문에 활성층에 접해있을 때 전자와 정공을 효율적으로 제한할 수 있고, 그 결과 전자가 정공과 결합하여 빛을 발생시킬 수 있는 확률이 증가한다.

또한 연구원들은 반도체 층의 특성 처리에 대한 연구도 수행하여 활성층의 재질 구성을 변화시킬 수 있고, 그 층을 불순물로 도핑할 수도 있다. 도핑은 반도체를 n-type과 p-type으로 바꾸는 역할을 한다. 간단히 예를 들어 실리콘을 생각해 보자. 실리콘은 주기율표에서 Ⅳ 족에 속하며 인접하는 원소의 원자와 결합할 수 있는 전자가 4개 존재한다. 각 원자의 결합 형태를 살펴보면, 원자는 인접하는 원자와 전자를 공유하는데 Ⅲ족의 원소(즉, 붕소와 같이 최외각 궤도에 3개의 전자가 존재)가 결합되면 최종 구조는 주변의 실리콘 원자와 공유할 전자 한 개가 부족한 상태가 된다. 전자가 부족하기 때문에 정공이 만들어져 p-type으로 변한다.

역으로 생각하면, 인(phosphorus)과 같은 Ⅴ족 원소는 최외각 궤도에 여분의 전자를 갖고 있기 때문에 실리콘에 인을 도핑하면 전자들이 모여 n-type이 된다. LED의 재질은 실리콘이 아니라 Ⅲ그룹과 Ⅴ족 원소의 혼합물이다. 예를 들어, 알루미늄과 갈륨, 인듐 및 인을 정교하게 조절하여 텔루르나 마그네슘과 같은 불순물을 도핑하면 LED가 빨강색, 오렌지색, 노란색 파장의 빛을 내도록 n-type 영역과 p-type 영역을 조절할 수 있다. 1970년대 초까지만 해도 갈륨, 아세나이드, 인을 이용한 붉은 색 LED는 초기의 계산기와 디지털 시계에 사용될 수 있는 정도의 밝기만 가지고 있었다.

LED 밝기 향상의 또 다른 주요 요인으로는 균질화 되지 못하고 결함 투성이었던 시스템 대신 신뢰도 높은 균질결정을 만드는 제조기술의 발전을 들 수 있다. p, n 재질의 원자 구조는 기판(Substrate)과 활성층의 원자구조와 일치해야 한다. 이러한 제조방식 중 하나로 증 기 위상 처리(Vapor Phase Deposition) 방식이 있는데 이 방식에서는 얇은 필름을 형성하기 위해 뜨거운 가스를 기판 위에 뿌린다. 1960년대 후반 몬산토(Monsanto) 社에서 처음으로 이 공정을 양산에 이용했다.
1977년 러셀 두퓨스(Russell D. Dupuis -현재 텍사스 대학에 재직)는 반도체 층를 만들기 위해 뜨거운 기판 위에 차가운 가스를 직접 이용하는 다른 형태의 증기 위상 처리 방식을 선보였다. 이 공정은 현재 고성능 LED 제작에 사용되고 있으며 이 방법을 이용하면 보다 다양한 재질을 사용할 수 있다. 수지 나카무라(Shuji Nakamura -현재 산타 바바라에 위치한 캘리포니아대학에 재직)는 파란빛을 내는 고성능 갈륨 니트라이드(Gallium Nitride) 크리스탈 제작에 이를 적용했다. [이에 대한 자료는 사이언티픽 어메리칸 2000년 8월 호에 게재된 글렌 조페트(Glenn Zorpette)의 "블루 칩" 참고]

1990년대 중반에 휴렛패커드에서는 칩 자체의 모양을 변화시켜 밝기를 향상시키는 방법을 고안했다. 보다 정교한 공정을 이용하면 활성층이 형성되는 기존의 갈륨 아세나이드 웨이퍼를 투명한 갈륨 인 웨이퍼로 대체하여 LED를 역 피라미드 형태로 제작할 수 있다. 역 피라미드 형태로 LED를 만들면 내부 반사를 줄이고 칩에서 나가는 빛의 양을 늘릴 수 있다.

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