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1. Light Emitting Diode (LED) 반도체 (半導體)를 이야기 할 때 일반인들은 microprocessor 나 DRAM 등을 흔히들 떠올릴 것이다. 틀린 것은 아니지만 1947년 최초의 트랜지스터가 개발된 이래 우리 생활에 많은 변화를 가져온 반도체는 그것이 야기한 변화의 크기나 영향력 만큼이나 종류도 다양하다. 게다가 반도체는 전문가들 사이에서도 각기 다른 관점에서 인식되는데, 工學人들은 반도체라면 주로 반도체 소자 (素子, devices) 를 떠올리고 科學人들은 주로 반도체 재료 (材料, materials) 를 상상하는 경향이 있다. 이와 같이, 많은 사람들이 다양한 관점에서 반도체를 인식하고 있다. 필자는 이 글에서 반도체 성장 초기에 개발되었으나 주목을 받지 못하다가 최근 들어서야 주목을 받고 있는 발광 소자, 즉 LED 에 대해 이야기해 보고자 한다. LED 는 1955년에 발명된 이래, 실리콘 반도체를 이용한 계산기 표시 장치로 주로 사용되었다가 1980년대 초, 액정 (液晶) 이 도입되면서 액정에 표시장치의 자리를 내어주게 된다. 이후 몇몇 전자 기기에 표시등 (表示燈)으로서 제한적으로 사용되어왔다. 왜냐하면, 조명 장치에 사용되기엔 빛의 밝기가 너무 낮기 때문이었다. 즉, 전기 에너지를 빛으로 전환시키는 양자 효율 (量子 效率, quantum efficiency)이 낮아 응용성, 시장성이 크지 않았기 때문이었다. 또한 색상도 파란색을 구현하지 못하여 디스플레이 장치에 사용될 수도 없었다. 그렇지만 양자 효율의 꾸준한 발전이 지속되었던 LED 분야는 1990년대에 들어 와서 적색 LED 의 양자 효율이 백열 전구의 효율에 필적할 정도로 개선되고, AlInGaN를 기본으로 하는 청색 LED 가 구현되고 최근에 청색 LED의 효율이 크게 향상되면서 다시 많은 응용 분야에 활발하게 이용되기 시작했다. LED 는 주기율표의 3족과 5족 화합물 반도체 합금 (compound semiconductor alloys) 으로 만들어진다. 실리콘의 양자 효율이 매우 낮아서 실리콘은 빛을 내는 소자로 응용되는 것이 적합하지 않으므로 양자 효율이 높은 GaAs, GaP:N, GaAsP:N, InGaAsP, AlInGaN 등의 화합물 반도체로 만들어진 LED 가 적색과 녹색 그리고 청색을 내는 광원 (光源, light source) 으로 주로 이용되어 왔다. 3-5족 화합물 반도체로 만들어진 LED 의 높은 양자 효율은 또한 매우 적은 전기에너지의 소모를 의미하고 LED 의 수명은 기존 백열 전구의 수명을 훨씬 능가하므로 수년 전부터 신호등, 야외 천연색 디스플레이, 핸드폰 (cellular phone, mobile phone), 실내 조명 등에 활발하게 이용되고 있다. 예를 들어, 핸드폰이 동작할 때 밝게 비치는 푸른색을 비슷한 밝기의 전구로 구현하려고 한다면 핸드폰의 크기는 많은 전력 소모에 대비한 배터리의 용량으로 인하여 크기가 최소 지금의 두 배는 되어야 할 것이다. 미국의 사설기관인 Optoelectronics Industry Developement Association (OIDA) 가 2002년에 발표한 보고서에 의하면, 실내 조명을 대체한 LED의 사용으로 전세계의 조명에 필요한 전력 소모를 50% 이상 줄일 수 있으며, 화석 연료를 이용한 전기 에너지의 발생을 줄여서 이산화탄소의 발생을 줄이고 환경을 보호하며, 새로운 하이텍 산업을 성장시켜 많은 고용을 창출할 수 있다고 한다. 미국 내에서만 앞으로 20년 동안 760 GW의 전기 에너지를 절약할 수 있고, 이는 1000 MW급 발전소 133개와 맞먹는 정도의 에너지이다. 이를 미 달러화로 환산하면 대략 1200억 달러가 절약될 수 있다고 한다. 통신산업의 침체로 불황을 겪고 있는 화합물 반도체 산업 중에서 LED 산업은 핸드폰 시장의 빠른 성장 및 LED 를 이용한 신호 등의 수요 등으로부터 불황의 영향을 거의 받지 않고 있다. 현재 화합물 반도체 산업을 LED 가 이끌고 있다고 해도 과언이 아니다. 특히 청색 LED 의 시장은 지속적으로 성장하고 있으며, 청색 LED 가 개발된 이래로 10년이 채 못되어 이미 많은 기업들이 경쟁적으로 청색 LED 를 생산하고 있다. 개발에서부터 상용화에 이르기까지 대단히 짧은 시간이 소요되었을 뿐이다. 이 분야는 일본 기업 Nichia 가 나카무라의 업적을 기초로 시장을 선도하고 있으며, 일본과 미국 기업들이 많은 연구 개발을 통해 이를 추격하고 있다. 급속한 LED 시장의 성장을 투자의 기회로 본 대만 신규 기업들은 최근 2~3 년 동안 공격적인 투자를 통해 꾸준히 시장 점유율을 늘려 왔다. 예를 들어, LED 를 만드는 데 필수적인 MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) reactor 는 한대 당 2백만 불을 상회하는 고가의 장비인데 지금까지 대만에만 200대 이상이 팔린 것으로 업계는 보고 있다. 또한 올해 들어서는 중국의 기업들이 값싼 생산 비용을 무기로 청색 LED 시장에 본격적으로 뛰어들고 있는 실정이다. 이렇게 각국의 기업간 경쟁이 심화되면서 청색 LED 의 가격은 계속 떨어지고 있다. 예를 들어 1~2년 전에 반도체 칩 (chip) 당 50 cents 정도의 가격에 판매되었던 청색 LED의 현재 가격은 2~3 cents에 거래되고 있으며, 이러한 가격 경쟁의 추세는 당분간 계속될 것으로 보고 있다. 즉, 빠르게 성장하는 LED 시장에서 투자 이익을 극대화 시킬 수 있다는 인식이 널리 퍼지면서 많은 벤처 기업들이 경쟁에 뛰어들었고, 동시에 청색 LED 의 기술 발전이 빠르게 이루어졌기 때문에 가격의 급속한 변동이 가능했던 것이다. 이 같은 가격 경쟁은 기업의 수익률을 악화시키고 있으며 인건비 등이 상대적으로 저렴한 중국의 기업에게 전반적으로 유리하게 작용하고 있다. 싼 노동력과 생산 비용을 갖고 있는 중국 기업들이 LED 의 시장성을 낙관하고 경쟁에 뛰어들고 있는 것이다. 올해 들어서 가속화 되고 있는 주요 첨단 기업의 중국 공장 설립과 대만에서 유입된 풍부한 기술 인력이 중국 기업의 경쟁력을 높이고 있다. 그러나 한편으로는 이러한 경제 상황이 경쟁에서 생존하기 위해서 기업이 보다 효율이 높은 LED 를 연구 개발하도록 유도하고 있으며, 보다 밝은 LED를 개발하기 위한 일련의 노력은 LED 가 조명 등을 대체할 수 있는 시기를 앞당기는 원동력으로 작용하고 있다. LED의 시장 규모는 날이 갈수록 커지고 있는데, 현재 가장 많은 노력이 이루어지고 있는 개발 분야인 백색광 LED (white LED) 의 발전으로 인해서 LED 가 실내 조명을 대체하는 날이 올 때 LED 의 산업 파급 효과는 절정에 이르게 될 것으로 보인다. 청색 LED 는 또한 청색 레이저 다이오드의 상업적 구현을 뒷받침하는 기술이다. 청색 레이저 다이오드는 화합물 반도체 산업을 이끌 또 다른 주자로 자리매김 할 것으로 기대되고 있는데, 청색 레이저 다이오드가 개발되면, 예를 들어, 디지털 정보의 저장 용량이 크게 향상되게 되어 현재의 DVD 의 저장 능력을 크게 앞지르는 저장 매체가 가능하게 된다. 따라서 청색 레이저 다이오드는 보다 높은 수준의 정보화 사회로 나아가는데 기여하는 중요한 견인차 중의 하나가 될 것으로 기대되고 있는 차세대 기술인 것이다. 2. LED 기술 최근까지도 LED 는 고체 소자 (solid state device) 였다. 그렇지만 고분자 (高分子, polymer) 소재를 이용한 OLED (organic LED) 의 성능이 최근 들어 비약적으로 향상되면서 점차로 OLED 도 디스플레이 소자로서 각광을 받고 있는 추세이다. 전반적인 LED 의 기술 동향에 대해서 좀더 자세하게 이야기해 보기로 한다. 2.1.Solid LED 고체 LED 를 이용한 백색광 (白色光) 의 실현은 청색이나 자외선 LED 를 이용하여 백색 조명을 구현하는 것이 기술 개발의 일반적인 대세이다. 그렇지만 빛의 삼원색을 내는 LEDs 들을 이용하여 백색 조명을 구현하는 것도 연구의 대상이 되고 있다. 고체 LED 의 백색광에의 응용은 LED 로 부터의 빛 출력이 200 lm/W 에 이르도록 하는 것이 궁극적인 목표가 되고 있다 . 그림 1 은 최근 미국 LightFair International trade show 에 출품되어 최우수 상을 받은 백색광 LED 의 사진이다. Color temperature 가 2500 – 3000 K 로 향상된 제품으로서 일본 Nichia 사의 청색 LED 를 이용하였다. 그림 1. Nichia의 청색 LED로 구현된 백색광 LED. Credit: Nichia. 백색광의 구현 방법은 먼저 청색 LED 를 인광체 (燐光體, phosphor) 캡슐로 감싼 뒤 청색광이 인광체를 통과하면서 황색을 생성시켜 청색과 황색의 조합으로부터 백색을 구현하는 방법이 있다. 이 방법이 상용화가 가장 빠를 것으로 기대되고 있는데 무엇보다 청색 LED 시장이 크게 형성이 되어 있어 기업들의 연구 개발이 가장 활발하기 때문이다. 그렇지만 생성된 빛의 방향성이 높은 LED 의 특성상 (즉, 빛이 여러 방향으로 균일하게 퍼지기 보다 한 방향에 모이는 경향이 있다) 옆면에서 관측되는 빛은 황색을 띠는 헤일로 현상 (halo effect) 과 인광체의 황색 생성 효율이 낮아 두터운 인광체가 필요한 점이 가장 큰 문제점으로 꼽히고 있다. 또한 천연광에 가까운 양질의 백색을 만들기 위해서 녹색과 적색을 생성시키는 여러 종류의 인광체를 동시에 사용해야 하는 것도 단점으로 꼽힌다. 여러 가지 인광체는 백색광의 효율을 떨어뜨리기 때문이다. 200 lm/W의 효율을 달성하기 위해서는 60% 이상의 양자 효율이 LED 에 요구되는데 현재 가장 효율이 높은 적색 LED는 대략 45% 내외의 효율을 보이고 있다. 자외선을 이용한 백색광의 구현은 청색광을 이용한 경우 보다 자연광에 가까운 백색광을 실현할 수 있다는 점에서 매우 매력적이다. 그렇지만 자외선을 이용하여 백색의 가시광선 영역의 빛을 만들기 위해서는 인광체의 발광 (發光) 효율 감소가 불가피하다. 따라서 인광체의 효율이 LED 의 효율에 비해서 떨어지기 때문에 청색광을 이용한 응용보다 높은 LED 의 효율을 요구하는데, 대략 70% 이상의 효율을 갖는 자외선 LED 가 필요한 것으로 예측되고 있다. 이는 현재의 수준과는 많은 차이가 있으며 앞으로 상응하는 기술적 발전이 이루어지는데 상당한 수준의 노력과 시간이 필요할 것으로 보인다. 빛의 삼원색을 이용한 방법은 가장 자연광에 가까운 백색광을 만들 수 있을 뿐만 아니라 여러 가지 색이 이용되므로 빛의 색상 (色相) 과 채도 (彩度) 를 회로의 설계에 의해서 수월하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 그렇지만 사용되는 전체 LED 의 효율이 50% 이상이 되어야 하고, 색상에 따른 LED 각각의 동작 전압과 수명이 다르므로 보다 정교한 조절 회로가 필요할 것이다. 현재 인광체에 대한 기술적 발전이 계속되고 있으나, 궁극적으로 여러 색상의 LED 를 이용한 백색광의 구현이 실내 조명 분야에 적용되지 않을까 싶다. 빛의 밝기를 높이기 위한 고체 LED의 기술 발전에 중요한 분야는 LED 의 양자 효율을 높이는 것이다. 이를 위해서는 굴절률의 차이에 의해서 반도체 안에 고립된 빛을 뽑아내기 위한 보다 나은 방법의 고안이나, 전자와 전공의 재결합 메커니즘에 대한 이해, 향상된 전자와 전공의 유폐 (幽閉, confinement), 결정 결함 (crystallographic defects) 을 줄일 수 있는 방법, p-형 접합의 향상 등에 대한 많은 진보가 필요하다. 기술의 진보에 따른 LED 효율의 개선에 대한 잘 알려진 例는 1990년 중반에 적색 LED 의 경우를 들 수 있다. 빛의 추출 효율 (extraction efficiency) 를 향상시키기 위해서 육면체의 LED 를 부등변 4각형 (trapezoid)의 형태로 식각 (etching) 하여 빛의 굴절을 최적화 함으로써 LED 의 효율을 극대화 시킬 수 있었다. 청색 LED의 경우 결정의 결함을 줄일 수 있는 기판 (substrate) 의 제작이 매우 중요하다. 높은 결함 밀도에도 불구하고 높은 양자 효율을 갖는 GaN LED 의 경우 결함의 밀도를 낮출 수 있다면 GaAs 의 경우에서 얻은 경험으로부터 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이 결정의 결함 밀도는 청색 레이저 다이오드의 제작에 매우 중요하다. 결함 밀도를 줄이기 위해서는 GaN 와 격자 상수 (lattice constants) 가 일치하는 기판을 제작 하는 것이 궁극적인 해결 방안이다. 그러나 이 방법에는 어려움이 많다. 높은 용융점을 갖는 GaN 의 용융 온도에서 질소의 증기압이 대단히 높아 높은 압력을 유지하면서 GaN 기판을 제작하여야 하는데 만족할만한 압력을 유지하기가 어렵기 때문이다. 그렇지만 계속 기술적 발전이 이루어지고 있으며 제한적이긴 하지만 GaN 기판의 상업적 판매가 이루어지고 있다. GaN의 최적화된 기판은 청색 레이저 다이오드의 생산에 매우 중요한 기반 기술이다. 특히 청색 레이저 다이오드의 수명에 절대적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 현재 LED는 양자 우물 구조 (quantum well structure) 를 이용하여 제작되고 있는데, 양자 점 (quantum dot) 을 이용한 구조로 LED 를 제작한다면 양자 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다. 현재 반도체 시장에 나와 있는 LED 는 아직 양자 우물을 이용한 구조를 가지고 있다. 2.2. Organic LED 유기 발광 소자는 최근에 각광을 받고 있는 소자로서 작은 디스플레이 분야에 응용이 되고 있다. 디스플레이에의 응용이 성숙단계에 들어선 후에 일반 조명에의 응용을 고려해 볼 수 있겠다. 그렇지만 디스플레이에 집중된 발전 방향은 자칫 일반 조명에의 기술 발전에 장애가 될 수도 있는데, 디스플레이와 조명의 응용 분야가 요구하는 기술적 목표가 다르기 때문이다. 낮은 양자 효율은 고체 LED 와 마찬가지로 OLED 가 극복해야 할 기술적 목표이다. 먼저 전하의 균형이 이루어져야 하는데 이상적으로는 전자와 전공의 수가 같아야 하기 때문이다. 이를 위해서는 적절한 전극의 개발과 전도 물질의 개발이 필요하다. 현재는 경험적인 시행 착오를 통해서 발전이 이루어지고 있는데 전도 물질의 산화를 방지할 수 있는 방법과 전극의 work function 과 OLED 의 work function 이 일치할 수 있도록 하는데 노력이 가해지고 있다. 빛의 추출 (extraction) 을 향상 시키는 것도 고체 LED 와 마찬가지로 OLED 가 극복해야 할 기술적 문제이다. 높은 추출 효율은 희석된 용매에 있을 때 가능하지만 고체 상태로 되었을 때는 빛이 열 에너지의 형태로 바뀌어 효율이 떨어지는 것이 문제다. 그리고 OLED 의 수명을 연장시키는 것도 매우 중요하다. OLED 의 수명에 대한 체계적인 연구는 아직 심도 있게 연구되지 않았으나, 일반적으로 재료의 산화와 전극과 OLED 의 계면의 퇴화, 전하와 전공의 열분해 등이 OLED 의 수명에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. OLED 의 백색광 실현은 두 세가지 불순물의 농도를 조절함으로써 이루어진다. 불순물의 농도를 조절하는 것은 두 가지 불순물이 적용되었을 때가 세가지 불순물을 사용할 때 보다 쉽지만, 정확한 농도의 조절과 빛의 재현성에 대한 어려움은 여전히 남아 있다. 표 1은 LED 의 발전과 응용 가능한 시장에 대해 요약하였다. 표 1. 미국 정부의 충분한 지원에 따른 미국 조명 산업의 발전 예상.

연도	Solid LED	OLED
2001	지시등 신호등 차량의 브레이크등 야외 디스플레이 및 장식등	작은 디스플레이
2003	낮은 휘도의 백색 조명등 계단 및 출구 등	낮은 휘도의 백색 조명등
2005	높은 휘도의 백색 조명등 주차장 등에 사용 가능	장식등 조명 벽지 및 조명 천정
2010	실내 및 야외 조명 시장에 LED의 상당한 점유

3. 맺음말 반도체의 발전이 생활에 많은 영향을 미쳤음은 주지의 사실이다. 1947년 Bipolar Transistor 에서 시작된 반도체는 많은 기술적 문제들을 돌파하는 일련의 큰 발명을 통해 계속해서 발전해 왔다. 최근 들어 50년 이상 계속되고 있는 반도체의 발전에 그 동안 잊혀졌던 LED 가 합류하고 있다. 90년대에 시작된 LED 의 혁명은 이미 우리의 생활 곳곳에서 발견되고 있으며 LED가 가져올 영향은 비단 일상 생활에 국한되는 것이 아니라 새로운 시장의 형성이라는 경제적인 측면과 에너지의 절약, 환경의 보호, 그리고 첨단 기술의 발전 측면에서도 대단히 클 것으로 기대되고 있다. 상대적으로 한국은 LED 개발 경쟁에 미온적이며 연구 개발에 투자되고 있는 자본의 비중도 대만이나 중국에 비해 떨어지고 있다. LED 분야의 기술의 진보는 대단히 빠른 특성을 보인다. 최근의 LED 가격의 폭락은 이를 극명하게 보여주는 예이다. 이렇게 빠른 기술의 진보는 단적으로 말하자면 대규모의 투자 자본이 연구 개발에 집중되고 있기 때문인 것이다. 게다가 후발 업체인 대만과 중국의 기술 수준이 빠르게 진보하고 있는 것은 대규모 LED 의 생산을 통해서 GaN 계열의 재료에 대한 이해와 GaN 를 바탕으로 한 반도체 LED 소자에 대한 이해가 얻어지고 있기 때문이기도 하다. 생산 현장에서 얻어지는 실질적인 기술적 이해와 경험, 그리고 생존을 위한 대규모 R&D 투자가 이루어지면서 일본, 미국, 대만, 중국의 기업들은 차세대 반도체 소자의 하나인 청색 레이저 다이오드를 만들 수 있는 역량을 키워나가고 있는 것이다. 비단 이러한 첨단 기술의 습득을 청색 레이저 다이오드에 국한할 것이 아니다. 실리콘 반도체의 특성보다 훌륭한 특성을 가지고 있는 nitride 반도체는 기존의 반도체가 수행할 수 없는 극한의 환경에서 작동할 수 있는 대단히 중요한 반도체 재료이다. 이러한 Nitride 재료를 이용한 반도체 소자의 개발에 LED 산업은 대단히 중요한 역할을 하고 있다. 실험실에서 이루어지는 연구가 미래의 기술에 대한 씨앗이라면 상업적 생산과 병행하여 이루어지는 연구 개발은 내일의 기술에 대한 보증서인 셈이다. 연구 단계에 있는 기술과 개발 단계에 있는 기술, 그리고 생산 단계에 있는 기술의 차이는 생각보다 매우 크다. 각각의 단계에서 추구하는 목표가 다르기도 하거니와 실제 생산 단계에서 접하게 되는 다양한 문제에 대한 풍부한 경험과 지식은 실험실에서 얻어질 수 없는 것이기 때문이다. 어쩌면 한국은 이 분야에서 뒤쳐지고 있을지도 모른다. 기업의 자본이 보다 적극적으로 이 분야에 투자 될 때에 첨단 기술을 무기로 하는 미래의 경쟁에서 한국이 유리한 위치를 점유할 수 있을 것이다.