고체 방전 현상은 1907년에 처음 발견되었습니다. 이 원리를 기반으로 한 최초의 실용적인 제품은 1962년에 개발되었죠. 사용되는 고체 물질은 반도체입니다.
일반적인 다이오드 칩에 사용되는 것과 같은 것이지요. p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 이루어진 이 새로운 광원에는 발광 다이오드, LED (light emitting diode)라는 이름이 붙었습니다.

n형 반도체는 정공(전자의 빈자리) 보다 전자를 훨씬 많이 가지고 있는 특성을 가지고 있습니다. 반대로 p형 반도체는 전자의 수보다 정공이 훨씬 많은 특성을 가지고 있습니다. 이렇게 전자를 주는 마이너스(-) 성질의 n형 반도체와, 전자를 받는 플러스(+) 성질의 p형 반도체를 접합한 것이 LED입니다.

이렇게 만들어진 pn 접합부에 전압이 가해지면 두 재료의 접합부를 향해 전자가 밀리게 됩니다. 여기서 n형 반도체의 전자는 p형 반도체의 정공으로 떨어집니다. 그 과정에서 높은 에너지 레벨의 전자가 낮은 에너지 레벨로 이동하게 되고, 이 에너지 차이만큼 빛으로 방출되는 것입니다.

모든 다이오드는 전자기 방사선을 방출합니다. 그리고 사용되는 재료에 따라 각기 다른 파장과 빛을 만들어 냅니다. LED는 우리 눈에 보이는 가시광선을 많이 방출할 수 있는 재료를 선택하여 사용하게 됩니다. 그리고 가시광선 이외에 방출되는 에너지 손실을 최소화하여 효율적으로 빛을 만들어내는 것도 중요하지요.

LED의 효율은 최초의 모델에 비해 중요한 개선이 이루어진 분야 중 하나입니다. 지난 세기 90년대 중반까지의 LED는 그 효율이 낮은 편이어서 신호등과 같이 광원을 직접 노출시키는 사인용 조명 정도로만 사용되었습니다. 하지만 오늘날 LED의 효율은 가스 방전램프와 비교해도 손색이 없을 정도로 효율면에서 뛰어나게 개선되었습니다. 수많은 광원들이 LED로 대체되고 있는 가장 중요한 이유 중 하나이지요.

LED에서는 전압이 증가함에 따라 전류가 매우 빠르게 증가합니다. 따라서 전압의 작은 변동으로도 광원이 손상될 수 있습니다. 그래서 LED 입력 전력을 제어하기 위한 별도의 안정기가 필요합니다.
LED에 사용되는 안정기는 전압의 변동에도 불구하고 전류를 일정하게 유지하는 전자회로로, LED가 어떤 정상적인 전원 공급장치에서도 작동할 수 있도록 하는 장치입니다. 또한 LED 조명 출력을 0%에서 100% 사이로 제어할 수 있도록 디밍 기능을 묶어서 사용할 수도 있습니다.

LED 칩은 하나를 개별적으로 사용할 수도 있고, 둘 이상의 칩을 그룹 지어 사용할 수도 있는 작은 포인트 광원입니다.
이전의 광원들이 반사판 등을 사용해 빛의 형태를 만들었다면, LED는 주로 렌즈와 같은 다양한 광학재료를 사용해 빛을 모으거나 조절하여 배광(빛의 형태)을 만듭니다.
우리가 흔히 보는 백열전구 모양의 LED 램프는 기구 내에 빛을 낼 수 있는 LED 뿐 아니라 LED 드라이버, 렌즈가 함께 모여있는 제품입니다. 그렇기 때문에 기존 백열전구를 LED로 램프만 바꾸어 사용할 수 있는 것이지요.

반도체 재료마다 스펙트럼이 다릅니다. 처음에는 빨간색 LED와 녹색 LED가 1980년대까지 모두 개발되었습니다.
하지만 하얀색 빛을 만들기 위해 빛의 3원색 중 마지막 색인 파란색 LED가 필요했는데, 파란빛은 파장이 짧고 높은 에너지 준위가 필요해 이는 가장 만들기 어려운 색상이었습니다. 1990년대 파란색 LED가 개발되고, 이를 개발한 팀은 이 일로 노벨상을 받습니다. 그만큼 하얀색 LED의 개발은 중요한 일이었던 것이지요. 현재는 모든 색상의 LED를 제작할 수 있게 되었습니다.

하지만 이렇게 세 가지 색을 합해 백색의 빛을 만들었다고 모든 것이 해결되지는 않았습니다. 이전의 광원들이 연속적인 빛의 스펙트럼을 가지고 있었다면은, 단일 LED가 만들어내는 빛의 스펙트럼은 좁은 영역에서만 존재합니다. 빨간색 LED는 빨간색 영역의 빛만을 만들어내며, 파란색 LED는 파란색 영역의 빛만을 만들어냅니다.

흰색 LED 조명은 색상이 다른 3개(또는 그 이상) LED 칩을 결합하여 만들 수 있습니다. 일반적인 방법은 빛의 3원색이라 불리는 빨간색, 녹색 및 파란색 LED 칩을 단일 모듈 또는 시스템에 결합하여 백색의 빛을 만드는 방법입니다.

그러나 이렇게 RGB 시스템으로 만든 백색 빛은 전체 색상 스펙트럼의 넓은 영역이 포함되지 않는다는 한계를 가지고 있습니다. 태양빛이나 백열전구의 스펙트럼이 모든 파장을 고루 가진 연속적이고 완만한 스펙트럼 곡선을 가진다면, RGB 백색광은 겉으로는 같은 백색으로 보이지만, 좁은 영역의 파장만을 가지고 있어 연색성이 떨어진다는 단점을 가지고 있습니다. 이 때문에 각각의 층이 특정한 빛의 색을 내는 단일 다층 LED 칩을 생산하기 위한 연구가 진행 중입니다.

오늘날 우수한 연색성을 가진 백색광은 청색 LED와 발광물질을 사용해 만들어집니다. 이것은 자외선을 가시광선으로 은 만드는 형광등의 원리와 비슷합니다. 발광물질은 청색광의 대부분을 가시 스펙트럼에 퍼져있는 서로 다른 파장의 빛으로 변환시킵니다.
LED 기술에서 이러한 발광 물질을 인광이라고 합니다. 그리고 이 원리에 기초한 흰색 LED를 “인광 변환형 백색 LED”라고 부릅니다. 위 그림은 그러한 흰색 인광 LED의 스펙트럼 전력 분포를 보여 주며, 여기서 이제 빛이 거의 모든 가시 스펙트럼에 걸쳐 방출됨을 알 수 있습니다.

이렇게 LED라는 광원은 높은 효율과 긴 수명을 바탕으로 발전해 왔습니다. 파란색 LED의 발명과 인광을 통한 백색광을 통해 다양한 컬러 구현이 가능하면서도, 우수한 연색성을 가진 광원을 만드는 것이 가능해졌죠.
오랜 시간 사용해 왔던 백열전구나 형광램프가 대부분 LED로 교체되고 있는 것이 어쩌면 당연한 일인지도 모르겠습니다.

이렇게 지난 3번의 강의를 통해 열에 의한 빛, 가스 방전에 의한 빛, 고체 방전에 의한 빛에 대해 알아보았습니다. 각각의 원리를 기반으로 한 램프에 대해서도 알아보았죠. 다음시간부터는 반사, 굴절, 흡수 등 다양한 빛의 특성에 대해 알아 보겠습니다.
그럼 다음 시간에 뵙겠습니다.