지식더하기 백열전구 형광등 led는 어떻게 다를까

인류가 어둠을 정복한 역사는 곧 '빛을 만들어내는 기술'의 진화사다. 100년 전 에디슨이 발명한 백열전구는 뜨거운 열기로 방 안을 덥히며 노란빛을 뿜어냈고, 우리네 부모님 시절의 긴 막대기 형광등은 위잉거리는 소음과 함께 새하얀 빛을 뿌렸다. 그리고 지금, 우리 주변의 스마트폰 화면부터 거실의 조명까지 모든 어둠은 손톱만 한 크기의 차가운 'LED(발광다이오드)' 칩 하나가 완벽하게 지배하고 있다. 똑같이 전기를 먹고 빛을 내는데, 도대체 이 셋은 속에서 무슨 마법을 부리길래 열과 수명, 밝기에서 이토록 극단적인 차이를 보이는 것일까? 불로 지지는 원시적인 조명부터 전자를 구덩이에 빠뜨려 빛을 짜내는 궁극의 양자 조명까지, 빛을 빚어내는 물리학적 3단계 진화 과정을 파헤쳐 보자.

열로 빛을 쥐어짜다, 백열전구의 온도 복사

에디슨이 만든 백열전구의 원리는 너무나도 원초적이다. 그냥 얇은 철사(텅스텐 필라멘트)에 미친 듯이 전기를 흘려보내서 억지로 열을 받게 만든 것이다. 쇠꼬챙이를 불에 달구면 뻘겋게 열을 내다가 나중에는 눈이 부실 정도로 하얀빛을 뿜어내는 것과 완벽하게 똑같다(흑체 복사). 이 방식의 가장 큰 치명타는 '가성비'가 미치도록 구리다는 점이다. 백열전구가 먹은 전기 에너지의 95%는 끔찍한 '열'로 허공에 날아가 버리고, 고작 5%만이 우리가 볼 수 있는 '빛'으로 바뀐다. 전구라기보다는 사실상 난로에 가깝다. 게다가 섭씨 3,000도까지 달아오른 필라멘트는 결국 얼마 못 가 뚝 끊어져 버려 수명도 아주 짧다.

자외선의 튕기기 마술, 형광등의 기체 방전

백열전구의 비효율을 참지 못한 과학자들은 열을 쓰지 않고 빛을 내는 '형광등'을 만들었다. 긴 유리관 안에 수은 가스를 찔끔 집어넣고 전기를 찌릿하게 쏜다. 그러면 수은 가스가 깜짝 놀라면서 '자외선'을 뿜어낸다. 하지만 자외선은 인간의 눈에 보이지 않는 암흑의 빛이다. 이 쓸모없는 자외선을 우리가 보는 하얀빛(가시광선)으로 바꾸기 위해 유리관 안쪽 벽에 '형광 물질'을 하얗게 발라놓았다. 뿜어져 나온 자외선이 이 형광 물질 벽에 쾅 부딪히면 파장이 길어지면서 화사한 하얀빛(가시광선)으로 마법처럼 변신해 튀어나오는 것이다. 열 대신 가스를 튕겨 빛을 만들기 때문에 전력 소모가 적고 효율이 좋지만, 깨지면 맹독성 수은이 흘러나온다는 끔찍한 단점이 있었다.

전자의 자유낙하, 궁극의 빛 LED

마침내 등장한 'LED(발광다이오드)'는 앞선 두 쓰레기(?) 기술을 완벽하게 관짝으로 보내버렸다. LED 안에는 열을 내는 필라멘트도, 독성 가스도 없다. 오직 전자가 바글바글한 반도체(N형)와, 전자가 들어갈 빈 구멍(정공)이 바글바글한 반도체(P형) 두 개를 딱 붙여놓았을 뿐이다. 여기에 전기를 꽂아주면, N형에 있던 전자들이 건너편 P형 반도체의 빈 구멍(정공) 속으로 '쏙' 하고 낭떠러지 떨어지듯 빠져들어 간다(전자-정공 결합). 높은 곳에서 낮은 구덩이로 전자가 떨어질 때, 그 높이의 차이만큼 남는 에너지가 100% 순수한 '빛(광자)'으로 변해서 튀어나온다. 이것이 '전계 발광'이다.

노벨상을 낳은 파란빛의 기적

LED는 구덩이의 깊이(밴드갭)를 얕게 파면 붉은빛이 나오고, 깊게 파면 파란빛이 나온다. 과거 과학자들은 빨간색과 초록색 LED 구덩이는 팠지만, 파란색 구덩이는 도무지 만들 재료를 찾지 못해 절망했다. 빛의 삼원색(빨,초,파) 중 파란색이 없으니 백색광을 섞어낼 수가 없었던 것이다. 1993년, 일본의 아마노 히로시 등이 기적적으로 '질화갈륨(GaN)'을 이용해 '청색 LED' 구덩이를 파내는 데 성공했고 이 업적으로 노벨 물리학상을 쓸어 갔다. 파란빛이 완성되자 세 가지 빛을 섞어 완벽한 하얀색 조명을 만들 수 있게 된 것이다. ![왼쪽에는 기존의 백열전구가 에너지의 90%를 쓸모없는 빨간색 열파로 낭비하는 모습을 보여주고, 오른쪽에는 100% 에너지를 순백의 광선으로 보내는 현대식 LED를 보여주는 분할 화면](https://image.pollinations.