백열·형광등 이어 이젠 LED시대
혁신의 시작은 창의와 각고의 노력

지난해 노벨물리학상 수상자로 청색 고체발광다이오드(LED)를 발명한 이들이 선정됐을 때, 램프처럼 평범한 기술에도 노벨상을 준다며 의아해하던 지인이 있었다. 그런데 노벨물리학상 수상자의 면면을 보면 아인슈타인과 같이 물리적 현상의 근본을 밝혔던 이들도 있지만 광섬유, 레이저, 그리고 전하촬상소자(CCD)처럼 일상을 혁신한 기술을 발명한 자도 다수 포함돼 있다. 게다가 삶의 절반을 이루는 밤을 비추어 낮을 연장시키는 조명기술의 혁신이 우리에게 미치는 영향력이란 생각보다 훨씬 막대한 것이다.

인류는 과거 대부분의 시기에 연료를 태워 빛을 얻었다. 나무, 각종 기름, 석탄가스 등을 연소시키는 과정에서 발생하는 빛을 조명으로 이용한 것이다. 19세기에 두 탄소 전극 사이에 고전압을 걸어서 일종의 인공번개를 발생시켜 빛을 얻는 아크등이 등장하기도 했지만 지난 한 세기 인류의 밤을 밝힌 전기조명의 대표주자는 백열등과 형광등이었다. 

고재현 한림대 교수·물리학

1879년 뉴욕 멘로파크를 환하게 밝히며 에디슨의 성공을 알린 백열등은 공기를 뺀 유리전구 속 필라멘트가 전류에 의해 고온으로 달궈지면서 나오는 백열광을 이용한 것이다. 섭씨 2000도 이상으로 달궈지는 필라멘트는 그러나 가시광선보다는 적외선(열선)을 압도적으로 많이 방출한다. 전기에너지의 5% 정도만 빛으로 바꾸는 백열등이 에너지 절감이 강조되는 이 시대를 버텨내지 못하고 역사의 뒤안길로 사라져가는 것은 당연한 수순처럼 보인다.

지금도 사무실과 가정을 환히 밝히고 있는 형광등은 어떨까. 형광등이 사실 눈에 안 보이는 자외선을 내는 램프라는 것을 아는 사람은 많지 않다. 유리관 속에 봉입된 수은과 불활성기체를 방전시키면 강한 자외선이 방출된다. 이를 그대로 이용하면 살균과 소독에 쓰이는 자외선 램프가 되지만, 형광체라는 물질로 램프 내부를 코팅하면 자외선이 빛으로 바뀌면서 백색 조명등이 된다. 입력된 전기에너지의 25% 정도를 빛으로 바꾸는 형광등은 백열등보다 에너지효율이 높아 지금도 광범위하게 사용되고 있다. 그렇지만 수은이라는 유해물질이 함유돼 있다는 치명적 약점과 LED의 확장 속에서 형광등 역시 조명의 무대에서 떠날 운명에 놓이리라는 점은 분명해 보인다.

1990년대 중반 처음 등장한 작은 청색 반도체가 일으킨 혁명은 어디까지 와 있을까. 반도체의 종류에 따라 다채로운 색상을 낼 수 있고 점광원의 특성상 다양한 형상으로 디자인할 수 있다는 장점으로 인해 LED는 이제 디스플레이용 광원뿐만 아니라 일반 조명의 각 분야에 광범위하게 활용되고 있다. 게다가 반도체 광원의 속성상 점멸이 자유롭고 디지털 제어가 용이하기 때문에 LED는 사물인터넷의 시대에 정보를 전달하는 수단으로, 다양한 센서를 결합한 지능형 조명시스템으로 재탄생하고 있는 중이다.

최근 특정한 색깔만을 내는 레이저 광원도 새로이 주목받고 있다. 미국 애리조나주립대학의 연구팀은 반도체를 나노시트 형상으로 정밀하게 제작해 가시광선 전체를 커버하는 백색 레이저를 구현하는 데 처음으로 성공했다.

나노시트를 구성하는 세 영역을 각각 통제하면 디스플레이용 화소가 되고, 이들을 동시에 발진시키면 조명용 백색광을 얻게 된다. 이를 활용하면 현재 디스플레이보다 훨씬 선명한 색을 구현하는 표시장치 개발이 가능하고, 직진성이 강한 레이저의 특성을 활용해 혁신적인 가시광 무선통신을 구현할 수도 있다.

10여년 전 고가의 LED가 대중화될 가능성은 거의 없다고 오판했던 필자는 요즘은 혁신적 기술의 도래에 대해 낙관적인 편이다. 그렇다고 혁신적 아이디어가 미래에 전부 현실화될 수는 없을 것이다. 백열등의 성공 뒤에는 1200종류가 넘는 필라멘트 재료를 테스트한 에디슨의 끈질긴 노력이, 청색 LED의 개발 뒤에는 노벨상 수상자들이 수행한 수천 번의 실험이, 그리고 백색 레이저의 구현에는 10년 동안 이에 매달린 애리조나대학 연구팀의 분투가 자리 잡고 있다. 혁신의 시작이 창의적 아이디어라면 이의 현실화를 뒷받침하는 것은 각고의 노력임이 분명해 보인다.

고재현 한림대 교수·물리학