다른 조명은 흉내 낼 수 없는 독창적인 조명, LED. LED는 현재 무수한 응용사례에서 활용되고 있으며, 전 산업의 다양한 장비에 통합되어있다. LED는 전력비용을 큰 폭으로 줄일 뿐 아니라 이산화탄소 배출을 낮춰 환경적으로도 도움을 준다.
아인슈타인은 “에너지를 생산하거나 없애는 것은 불가능하다. 한 에너지에서 다른 에너지로 변환할 뿐”이라고 말했다.
이 이론을 백열전구로 가져와 보자. 전구의 특정 매개체(필라멘트)에 전기 에너지를 보내 필라멘트를 가열시킨다. 전기 에너지 중 일부는 열로, 일부는 빛으로 바뀐다.
발광 다이오드(Light-Emitting Diode, LED)는 그 이름에서 알 수 있듯 필라멘트 대신 다이오드를 매개체로 사용한다. 다이오드는 쉽게 말해 반도체의 일종으로, 전류를 한 방향으로 흐를 수 있도록 만든다.
다이오드를 만드는 방법 중 하나로는 전도성을 띠는 물질을 도핑(반도체에 불순물을 첨가하여 전기적 특성을 얻는 것)하여 영역을 두 층으로 나누는 것이 있다. 양극층인 P형과 음극층인 N형이 그것이다. 양극(애노드)은 P형 측에, 음극(캐소드)은 N형 측에 인가된다. 전자가 두 층의 접점(P-N Junction)에서 경계를 넘어 교차될 때 전자에너지가 손실되거나 빛에너지로 변환된다.
2012년에는 미국 전역에 4천 9백만 개의 LED가 설치되어 6억 7천 5백만 달러에 달하는 에너지 비용을 줄일 수 있었다. 또한 2013년에는 미국 내의 다양한 조명 관련 응용사례에서 LED를 활용함으로써 이산화탄소 배출을 1200만 톤 이상 줄일 수 있었다.
대량 생산의 길로
대규모의 에너지 관련 비용 절감을 가능케 한 주 요인은 LED의 대량생산이다. LED를 대규모로 제조하기 위한 방법이 등장한 결과다.
일반적인 제조법 중 하나로는 결정을 성장시켜 이를 통해 구조화된 3D 반도체(Structured 3D Semiconductors)를 만들고, 절단(Slice) 및 연마(Polishing)해 (기질Substrate이라고도 하는)웨이퍼 내부로 투입하는 것이 있다. 결정 층은 반도체 표면에서 성장하고, 여기에 이온을 섞어 반도체의 3차원 매트릭스에 있는 틈을 메운다. 이 방법으로 P형 층과 N형 층을 만든다
위와 같은 방식의 제조는 제조 및 생산이라는 관점에서 비용효율적이다. 단일 웨이퍼(Singe Wafer)로도 수천 개의 LED를 만들 수 있기 때문이다. 오늘날에는 2in. 지름의 웨이퍼로 6천 개 가량의 LED를 만들 수 있다.
하지만 단일 웨이퍼로 LED 칩을 만드는 작업은 특수한 절단 공정을 요구한다. 이는 전체적인 이익 감소로 이어진다. 따라서 LED 및 반도체의 생산비용 및 제품 가격을 낮추기 위해서는 LED와 반도체를 서로 떼어놓기 위한 보다 나은 방법이 필요하다.
LED 제조의 다음 단계는 다이오드에 금속 접촉부를 만들기 위해 다이오드를 도금(코팅)하는 것이다. 이후 두 가닥의 와이어를 각각 다른 면에 연결한다.
마지막으로 이렇게 만든 부품을 틀에 집어넣는다. 장치를 보호하기 위한 하우징을 부착하기 위해서다. 이 과정에서는 일반적으로 플라스틱 구형(돔) 모양 등의 하우징을 사용한다. 또한 하우징이 렌즈 역할을 수행할 수 있도록 설계하는 경우도 있다. LED의 광학적 질을 높이기 위해서다.
