근래에 들어 TV, 신문, 잡지 등 많은 곳에서 LED라고 부르는 발광(發光) 다이오드에 관한 내용을 자주 접하고 있다. LED는 조명 분야에서 획기적으로 전력 소모를 줄일 수 있어 기존의 백열등이나 형광등을 대체할 차세대 기술이며 또한 우리가 항상 접하고 있는 디스플레이 분 야에서도 보다 선명한 화면과 적은 전력 소모로 기존의 LCD 액정화면을 대체할 차세대 기술이라고 한다.

글 / 이대운 (한국자동차공학회 전회장)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 31-2

LED는“Light-Emitting Diode”의 약자로서 전류가 흐르면 빛을 방출하는 다이오드의 종류이다. 기본적으로 반도체 다이오드로서 전기를 통하면 전자와 홀(Electrons and Holes)이 재결합하여 에너지 차이에 의해 에너지를 빛의 형태로 발생한다. 이 효과를“전기적인 발광”(Electroluminescence)라고 말하며 발생되는 다양한 빛의 색깔은 에너지 차이의 크기에 따라 정해진다.LED는 20세기 초에 발견되었으며 1962년에 전자부품(Electronic Components)으로 소개되었다.

처음의 LED는 어두운 붉은 광선을 방출했으나 지금은 잘 보이면서도 아주 밝은 빛을 방출한다. 크기가 1㎟ 보다 작지만 발광 무늬(Radiation Pattern)를 만들 수 있고 반사기능을 갖고 있는 통합 광학부품이다. LED는 우리가 많이 쓰고 있는 전통적인 발광원(Traditional Light Sources)보다 적은 에너지를 소비하면서 여러 가지 장점을 가지고 있다. 사용 수명(Lifetime)도 길고 내구성도 좋고 작은 크기로 만들 수 있으며 스위치를 넣으면 응답속도가 빨라 빠른 연결이 가능하다(Fast Switching). 반면에 단점도 있다. 전통적인 발광원에 비해 상대적으로 비싸고 그리고 제대로 사용하기 위해서는 보다 정밀한 전류의 관리 그리고 발생하는 열의 관리가 확실하게 요구된다.

LED의 응용은 정말 다양하다. 기존 많이 쓰고 있는 발광원을 대체해서 조명장치, 디스플레이, 표지판(Indicators) 등에 에너지를 절약하기 위해 사용하고 있다. 여기에서는 조명과 디스플레이에 관해 좀 더 알아 보려고 한다.

LED 조명 (LED-based Lighting)
가장 큰 이점은 높은 에너지 효율이다. 다시 말해서 같은 밝기의 조명(Light Output)을 만들기 위해 소비되는 전력(Consumed Power)이 훨씬 적다는 것이다. 반면에 일반적인 단점으로서 아직까지는 조명의 밝기, 에너지 효율이 시간이 흐를수록 점진적으로 나빠질 수 있어 추가적인 개선이 필요할 지도 모른다. 2008년에 개발된 LED는 사용 전류가 20mA에서 150lm/w의 조명효율이 가능하다고 하며 계속 효율이 개선되고 있다.

이 수치는 기존의 60-100 W 백열등의 15lm/w 그리고 형광등의 100lm/w에 비해 비교가 안 될 정도로 좋은 것이다. 여기에서 언급한 조명효율은 빛의 밝기를 나타내는 척도로서 발광원의 밝기(Lumens)를 사용된 에너지(Watts)로 나눈 값이다. 루멘(Lumen)은 빛다발(光束)의 단위로서“lm”으로 표시하며 모든 방향으로 균등한 1 cd의 광원(One Candle Intensity)이 단위 입체각 내에서 방출하는 빛다발(光束)을 말한다.

LED 조명은 전력 소모의 획기적인 감소 등 여러 가지 중요한 장점을 가지고 있다. 그러나 현재로서는 초기 설치 비용이 비싸 기존의 백열등 시장을 대체해서 빠르게 시장을 확대하기에는 한계가 있다. 앞으로 적어도 4~5년 정도의 시간이 추가로 필요할 것으로 예상하고 있다.

OLEDs (Organic LEDs)
유기화합물(Organic Compound)로 만들어 진 LED를 Organic LED, 다시 말해서 OLED라고 한다. 보통 사용하고 있는 LED에 비해 OLED는 가볍고 그리고 폴리머 OLED의 경우에는 구부려도 부러지지 않는 유연성(Flexibility)을 가지고 있다. 미래에 가능한 OLED 응용분야는 비싸지도 않으면서 유연성을 갖게 될 디스플레이, 광원(Light Source), 벽장식, 빛을 내는 옷감 등 다양하다. 현재의 OLED는 우리가 자주 가지고 다니는 비교적 소형 전자장치인 휴대폰, 카메라, MP3에 주로 응용되고 있으며 커다란 패널에 사용하는 OLED는 아직까지는 수명이 짧아 사용이 제한되고 있다. 기본적으로 현재의 OLED 기술 수준은 지금까지 주로 사용하고 있는 LED라고 부르는 무기성(Inorganic) LED에 비해 낮은 효율을 가지고 있다.

삼성전자가 올해부터 고가의 휴대폰에 고화질을 줄 수 있는 능동형 유기발광다이오드(AM OLED)를 탑재한다고 하며 기존 액정화면(LCD)에 비해 화질이 좋고 전력소모가 적다고 한다. AM OLED는 응답속도(Response Time)가 100만분의 1초로 LCD 액정화면에서 가능한 1000분의 1초에 비해 1000배 이상 빨라 이와 같이 빠른 데이터 처리 속도로 인해 완벽한 동영상이 가능하다고 한다. 특히 별도의 광원(Light Source)이 필요한 LCD와 달리 OLED내부에서 스스로 발광하기 때문에 광원 공급에 필요한 부품을 줄일 수 있어 두께와 무게를 크게 줄일 수 있다는 것이다. 이와 같은 장점으로 인해 AM OLED를“꿈의 디스플레이”또는“차세대 먹거리”로 알려지고있다.

위에서 본 바와 같이 LED는 전력 소모를 획기적으로 줄여 에너지를 절약할 수 있을 뿐만 아니라 매우 빠른 데이터 처리 속도와 소형화 할 수 있는 장점을 활용하여 디스플레이 패널 등 다양한 전자장치 분야에서 응용이 확대될 것이다.