d라이브러리

전구는 전기를 빛으로 바꿔 세상을 밝게 해준다. 이 과정에서 대부분의 전기가 열로 방출돼 효율이 낮다. 하지만 발광다이오드인 LED(light-emitting diode)는 열로 방출되는 양이 작아 전구보다 빛전환 효율이 좋다. 이런 LED도 10%의 전기만 빛으로 전환한다. 물리학자들은 양자역학 기준으로 LED의 빛전환 효율을 최대 25%라고 예측한다.

그런데 영국의 과학 잡지 네이처 2월호에 미국 유타대 발데니 교수팀이 전도성 고분자와 유기물질로 만든 플라스틱 LED를 사용해 전기의 41-63%를 빛으로 전환하는데 성공했다는 실험결과가 실렸다.

LED는 음극에서 내놓은 전자(-)와 양극에서 내놓은 정공(+)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 경우에서만 전자와 정공이 결합돼 빛을 발산하기 때문에 4번에 한번 꼴로 빛을 내는 셈이다. 따라서 양자역학으로 볼 때 빛전환 효율이 최대 25%를 넘을 수 없다.

네이처에 발표된 실험은 극저온의 자기장에서 10개의 전도성 플라스틱 조각에 레이저와 마이크로파를 쏘아 LED가 빛을 내는 것과 같은 결과를 얻었다. 마이크로파가 전자와 정공의 스핀을 무작위로 변환시켜 빛을 내지 못하는 3가지 경우에도 전자와 정공이 결합할 수 있게 해 빛전환 효율이 양자역학적 한계인 25%를 넘을 수 있었다. 백열전구 수명이 1천시간, 3파장 전구는 1만시간인데 반해 LED는 1백만시간에 달해 기존 전구를 대체할 전망이다.