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빛의 혁명: 청색 LED 발명나경수 (사)전자정보인협회 회장
나경수 (사)전자정보인협회 회장

이번 노벨 물리학상은 1990년대에 청색 LED를 개발해서 ‘LED 조명시대’를 활짝 연 나카무라 슈지 교수 등 일본인 3명에게 돌아갔다.

엘이드(LED)는 발광(發光) 다이오드(light emitting diode)인데, 접합부에 전류가 흐르면 빛을 복사하는 다이오드를 말한다. 재료에 따라서 정해진 파장의 빛을 발한다. 탁상전자 계산기 등의 문자, 숫자 표시 따위에 광범위하게 이용되었다.

발광(發光: luminescence)이란 글자 그대로 빛을 내는 것인데, 물리학에서는 원자 속의 전자가 어떠한 양자(量子; proton)의 상태로부터 다른 양자의 상태로 옮길 때에 두 쪽의 상태의 에너지의 차(差)를 빛으로 하여 복사(輻射)하는 현상을 말한다.

간단히 말해서 LED는 반도체를 이용해서 빛을 만드는 장치라고 할 수 있다. 전자가 높은 에너지상태에서 낮은 상태로 바뀌면서 원래 갖고 있던 에너지를 빛으로 내보낸다. 영국의 물리학자 라운드(Henry Round)는 처음으로 이 원리를 규명하여 1909년에 노벨상을 받는 영예를 안았다.

LED가 내는 빛의 색깔은 전자의 에너지의 차이로 결정난다. 에너지 차이가 클 경우에는 파장이 짧은 푸른빛이 나오고 반대로 차이가 작으면 긴 파장의 붉은 빛이 나온다. 빛의 삼원색(三原色)인 적·녹·청색(RGB)만 있으면 모든 색의 빛을 만들어 낼 수 있다고 알려져 있다.

삼원색의 빛을 합하면 형광등이 내는 흰색 빛도 될 수 있다. 적색LED는 1950년대 말에, 녹색LED는 1960년대 말에 이 세상에 처음으로 나왔다. 이 때부터 전 세계의 과학자들은 마지막 남은 최후의 빛의 원천 이른바 ‘청색LED’개발에 다투어 몰입하였다.

이미 말한 바와 같이 LED는 전류에 의해 빛을 내는 다이오드다 내는 빛의 파장은 반도체의 금제대폭(禁制帶幅; forbidden band)에 의해 결정된다. pn 접합에 순(順) 바이어스(bias)를 가하고, p측에서 양공(陽孔)을 가하여 n측에서 전자를 주입하면, 접촉부에서는 원자가전자대(原子價電子帶)에 양공이, 전조대에 전자가 모인다.

이것에 의해 전도전자(傳導電子; conduction electron)가 옮겨져 양공과 재결합이 일어나, 이때 빛을 낸다. 재료로는 갈륨비소(砒素;gallium arsenide) 등을 쓴다. 발광화소(發光畫素; luminous pixel) 등의 표시용이나 레이저에 널리 응용된다.

녹색LED가 나온지 20여년 후인 1990년대 초 나고야대학의 아카사키와 히로시 교수가 질화갈륨(GaAs)을 이용하여 청색LED를 개발하는데 성공하였다. 거의 동시에 슈지교수도 질화갈륨으로 청색LED를 만들었다.

이러한 이들의 노력으로 에너지 효율이 높고 수명이 긴 LED조명이 드디어 나오게 되었다. 전력망을 제대로 갖추지 못해서 전등을 이용할 수 없었던 저개발국가의 물경 15억명의 인구도 이제야 전력이 적게 소모되는 LED 조명 덕분에 삶의 질이 향상 될 것이라고 스웨덴 왕립과학원은 발표했다.

또한 청색 LED의 향상된 형태인 자외선 LED는 개발도상국에서 오염된 식수를 정화하고 파괴된 생태계도 제대로 처음과 같은 자연상태로 바로 잡을 수 있을 것으로 내다보고 있다. 또 LED로 원하는 대로 다양한 색깔 구현이 가능해 TV 두께가 얇아지고 에너지 효율도 계속해서 향상되고 있다.

우리의 일상 곳곳에서 끊임없이 빛의 혁명이 일어나고 있다 몇 대에 걸쳐 가업으로 이어받는 면면히 흘러오는 일본의 전통적인 장인정신의 개가이며 이 또한 학계에도 깔려 있는 튼튼한 일본의 기초과학의 저력이라고 할 수 있다.

우리나라에서도 앞으로 현재 정부에서 적극적으로 추진하고 있는 창조경제의 활성화를 위하여 LED에서 열로 소모되는 전력이 많은 원인을 정확히 탐색하여 합당한 대책을 연구 검토하여야 할 것이다. 기존의 LED보다 발광효율이 5배 이상 되는 백색 LED칩의 개발이 시급한 지경에 와 있다. 이러한 방법을 적용한 초절전 LED 전구를 시급히 개발하여야 할 것이다.

또한 한국이 소립자물리학과 천체물리학에 투자하고 있는 기존 선진국의 전철을 밟지 않고 새로운 원자 모델을 근간으로 하는 미래의 물리학에 입각하여, 기존의 과학을 합리화하는 과학을 ‘미래를 개척하고 창조하는’ 과학으로 재편하여 육성애야 한다. 이렇게 되면 한국경제의 성장동력이 크게 향상될 것으로 기대된다.

그리고 미래를 창조하는 과학의 범위를 사회과학으로 확대하여 과거 한국의 사회과학이 선진국으로부터 전수받은 낡아 빠진 이데올로기적 허구와 망상에 사로잡혀 문제해결 능력을 상실한 상태에서 빨리 탈피하여야 한다.

그리하여 한국이 당면한 정치사회적인 여러가지 문제와 장애를 합리적으로 진단하여 해결해야 할 것이다. 그래서 국민경제가 양극화로 치닫는 문제를 시급히 해결하고 우리 온 국민의 여망인 경제민주화를 이 땅에 조기에 토착화 하는 커다란 모멘트가 되어야 한다.

김영환 기자  yyy9137@naver.com

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