[과학]양자역학 뛰어넘은 플라스틱 LED

미국 유타 대학에서 플라스틱 LED 연구를 진행하고 있는 마커스 올제넌트(왼쪽)와 밸리 발데니(오른쪽) 교수

전구는 전기를 빛으로 바꿔 세상을 밝게 해준다. 이 과정에서 대부분의 전기가 열로 방출돼 전기 효율이 좋지 않다. 하지만 발광다이오드라고 불리는 LED(light-emitting diode)는 열로 방출되는 양이 작아 전구에 비해 빛전환 효율이 좋고 수명도 길다. 그래서 가정용 전자제품, 자동차 관련 제품, 광고판 등에 적색과 녹색 LED가 갈수록 많이 사용되고 있다.

이렇게 효율 좋은 LED도 전기의 10% 정도만 빛으로 전환하지 못한다. 물리학자들은 양자역학을 기준으로 LED의 빛전환 효율을 최대 25%라고 예측한다. 그런데 지난달 25일 영국의 과학 잡지 네이처에는 미국 유타대 발데니 교수 연구팀이 전도성 고분자와 유기물질로 만든 플라스틱 LED를 사용해 전기에너지의 41-63%를 빛으로 전환하는데 성공했다는 실험결과가 실렸다.

LED는 음극에서 내놓은 전자(-전자)와 양극에서 내놓은 정공(+전자)이 서로 결합하면서 빛을 발산한다. 전자와 정공은 각각 업과 다운이라는 스핀을 갖고 있다. 전자와 정공이 결합할 때는 업·업, 다운·다운, (업·다운+다운·업)/√2, (업·다운-다운·업)/√2의 4가지 경우가 양자역학적으로 존재한다. 이때 싱글렛으로 불리는 마지막 한가지 경우에서만 전자와 정공이 결합돼 빛을 발산하기 때문에 4번에 한 번 꼴로 빛을 내는 셈이다. 따라서 양자역학으로 볼 때 빛전환 효율이 최대 25%를 넘을 수 없다.

네이처에 발표된 실험은 극저온의 자기장에서 10개의 전도성 플라스틱 조각에다 레이저와 마이크로파를 쏘아 LED가 빛을 내는 것과 같은 결과를 얻었다. 플라스틱 LED는 마이크로파가 전자와 정공의 스핀을 무작위로 변환시켜 빛을 내지 못하는 3가지 경우에도 전자와 정공의 결합이 가능할 수 있도록 했기 때문에 빛전환 효율이 양자역학적 한계인 25%를 넘을 수 있었다.

발데니 교수는 "이 연구 결과는 텔레비전, 모니터, 레이저 등 모든 분야에서 효율 높은 LED가 활용될 수 있다"고 말했다. 이와 함께 백열전구의 수명이 1천 시간, 3파장 전구가 1만 시간인데 반해 LED는 수명이 1백만 시간에 달하기 때문에 전구와 같은 효과를 낼 수 있는 백색 LED로 기존의 전구를 대체할 전망도 제기되고 있다.

박응서<동아사이언스 기자>