금 생산은 독성이 있다. LED가 우리의 의존도를 끝낼 수 있을까?

조명 및 디스플레이 기술 분야에서, 발광 다이오드(LED)는 에너지 효율성, 긴 수명, 그리고 생생한 색상을 구현하는 능력 덕분에 시장을 선도해 왔습니다. 

반도체로 만든 다이오드는 전류가 한 방향으로 흐르게 하고 반대 방향은 차단합니다. 한편, 발광 다이오드(LED)는 전류가 흐를 때 빛을 생성하는 단순한 반도체 장치입니다. 

LED의 부상은 전기발광을 통해 빛을 방출하고 디스플레이 기술을 혁신함으로써 우리가 빛을 활용하는 방식을 변화시켰습니다.

LED 중에서도 특히 페로브스카이트 발광 다이오드 (PeLEDs)는 저비용 제조, 높은 효율성, 그리고 조절 가능한 빛 방출 덕분에 디스플레이 및 조명 응용 분야에서 유망한 기술로 부상했습니다. 

페로브스카이트 LED는 유연하고 가벼운 설계, 넓은 색 영역을 제공한다는 점 덕분에 큰 관심을 얻었습니다. 또한, PeLED는 풍부한 지구 자원을 이용한 저에너지 공정으로 제조될 수 있습니다. 이 LED는 빨강, 초록, 파랑(RGB) 색상 전반에 걸쳐 높은 효율을 달성했습니다.

최근 몇 년간 PeLED의 안정성이 크게 향상되어 상용화에 대한 유망한 잠재력을 보여주고 있습니다. 

혁신적인 기술을 대규모로 모두에게 제공하려면 기술적, 경제적, 환경적 요인이 중요한 역할을 하며, 이는 지속 가능성을 평가하는 데에도 도움이 됩니다. 그러나 PeLED에 관한 이러한 정보는 부족합니다.

많은 연구가 신흥 페로브스카이트 태양전지의 전 과정 영향을 평가했지만, 그 결과를 PeLED에 직접 적용할 수는 없습니다. 이는 에너지 변환 메커니즘의 근본적인 차이 때문입니다.

LED가 전기를 빛으로 변환하는 반면, 태양전지는 빛을 전기로 변환합니다. 또한 PeLED는 여러 파장에 걸쳐 작동하므로 다양한 기능성 층 재료와 색상별 장치에 대한 별도 분석이 필요합니다.

따라서 모든 단계가 포함된 포괄적인 전 과정 평가(LCA)가 필요하며, 이를 통해 PeLED의 지속 가능한 상용화를 위한 효과적인 경로를 식별할 수 있습니다.

새로운 연구가 바로 이를 수행했으며, 차세대 LED가 실제로 저렴하고 지속 가능하다는 결과를 밝혀냈습니다.

페로브스카이트 LED의 전 과정 평가

Nature Sustainability에 발표된 바와 같이, Nature Sustainability¹, 린셰핑 대학교 연구진은 상용화 지향 지속 가능성에 초점을 맞추어 전 과정 관점에서 신흥 PeLED 기술을 조사했습니다.

“페로브스카이트 LED는 기존 LED보다 저렴하고 제조가 더 용이하며, 화면에 사용될 경우 생생하고 강렬한 색상을 구현할 수 있습니다. 저는 이것이 차세대 LED 기술이라고 말하고 싶습니다.”

– 펑 가오, 린셰핑 대학교 광전공학 교수

가오 연구팀은 Olof Hjelm 교수(경영 및 공학부(IEI)와 환경 기술 및 관리(MILJÖ) 담당)와 LiU의 조교수인 John Laurence Esguerra와 협력하여 현재 시장에 나와 있는 LED를 페로브스카이트 기반 LED로 대체할 수 있는 방안을 모색했습니다.

페로브스카이트 물질은 독특한 광전기적 특성을 가진 물질군으로, 높은 흡수 계수와 전자·정공 이동도, 그리고 비용 효율성에 더해 조절 가능한 밴드갭을 가지고 있습니다.

이제 상용화를 평가하기 위해 연구팀은 RGB, 백색, 근적외선(NIR) 파장을 포함한 18개의 고급 페로브스카이트 LED에 대한 상세 전 과정 재고(LCI) 평가를 활용했습니다. 선택된 장치는 높은 기술 성능을 보이며 널리 인정받고 있습니다.

이 데이터를 바탕으로 연구진은 PeLED의 환경 영향과 경제적 비용을 분석했습니다.

이러한 분석에는 명확한 시스템 정의가 필요하며, 이는 무엇이 포함되는지를 의미하지만, 비용 및 환경 영향을 다루는 것은 아닙니다.

이 프레임워크는 제품이 처음 만들어지는 순간부터 더 이상 연구할 수 없게 될 때까지의 과정을 조사합니다. 따라서 제품의 전 과정은 원료 생산, 제조, 유통, 사용, 그리고 폐기라는 다섯 단계로 구성됩니다.

기본적으로, 탄생부터 소멸까지이지만, “우리는 소멸을 피하고 싶습니다,”라고 Hjelm 교수는 말했습니다. 재활용을 추가하면 상황이 더욱 복잡해진다고 그는 언급했습니다. Hjelm는 덧붙였습니다:

“하지만 여기서는 유기 용매의 재사용과 원료가 어떻게 생산되는지를 생각하는 것이 가장 중요함을 보여줍니다, 특히 희귀 재료인 경우에는 더욱 그렇습니다.”

이 전 과정 분석이 안내를 제공하는 한 특정 측면은 PeLED에 존재하는 소량의 유독성 납입니다. 이는 페로브스카이트가 효과를 발휘하는 데 중요하지만, LED에는 납 외에도 많은 다른 물질이 존재하므로 납에만 초점을 맞춰서는 안 됩니다.

귀금속인 금도 그 중 하나이며, 자체적인 과제가 있습니다. Hjelm에 따르면:

“금 생산은 매우 독성이 강합니다. 수은과 시안화물과 같은 부산물이 발생합니다. 또한 에너지 소모도 매우 큽니다.”

독성 및 에너지 집약적인 금 생산 과정

금(Au)은 고대부터 다른 어떤 상품보다도 인간 사회의 매혹과 관심을 끌어왔습니다.

이 빛나는 황색 금속은 한때 전 세계적으로 통용되는 화폐로 받아들여졌습니다. 한때 미국 통화 시스템은 금본위제에 기반을 두었습니다. 또한 투자 옵션으로 매우 인기가 높으며 인플레이션에 대한 헤지 수단으로도 사용됩니다.

그 결과, 금 가격은 최근 XAUUSD가 온스당 3,000달러를 넘어 새로운 사상 최고치를 기록했습니다. 2025년 금 가격은 15% 이상 상승했으며, 2023년 10월에 온스당 약 1,800달러였을 때부터 강력한 상승세를 보이고 있습니다.

가치 저장 수단으로서의 역할 외에도, 금은 그 매력적인 특성 덕분에 보석, 의학, 전자, 항공우주 및 기타 산업에서도 사용됩니다.

이 밝은 황색 금속은 부드러워 강도를 높이기 위해 다른 금속이 필요합니다. 그러나 매우 연성이 있어 힘을 가해 형태를 제어할 수 있습니다. 얇은 시트로 두드려 만들 뿐만 아니라 와이어로도 뽑을 수 있습니다.

이 금속은 부식에 매우 강할 뿐만 아니라 열과 전기의 뛰어난 전도체이기도 합니다.

금은 약 19.3 g/cm³의 밀도로 가장 밀도가 높은 금속 중 하나입니다. 녹는점은 1064.18°C이며, 끓는점은 2836°C입니다. 또한 대부분의 산에 저항하고 대부분의 물질과 쉽게 반응하지 않으며, 비자성 금속입니다.

이러한 특성들의 조합으로 금은 스마트폰, 컴퓨터, 기타 소비자 전자제품, 방사선 차폐, 인쇄 회로 및 반도체 시스템에 매우 매력적입니다.

금은 보통 석영맥에 매장되어 있으며, 대규모 산업 작업 및 소규모 채굴을 통해 지구에서 추출됩니다.

금은 지표면이나 지하에서 채굴되며, 처리 과정은 광산 현장에서 진행됩니다. 처리 과정은 파쇄로 시작하고, 이후 광석을 화학 물질로 처리해 금을 추출합니다. 추출된 금은 제련 과정을 거쳐 금괴가 되며, 이 금괴는 정제소로 운송되어 순금으로 가공되어 판매됩니다.

금의 높은 가치와 우수한 활용도는 금 채굴을 규모가 크고 전 세계적인 산업으로 만들었습니다. 이 널리 시행되는 과정은 특히 아프리카와 남미 일부 국가에서 인기가 높으며, 어업, 농업, 임업보다 다섯 배 정도 높은 수익을 올릴 수 있습니다.

하지만 금 채굴은 청정 과정이 아니라 독성이 강하고 자원 집약적인 과정으로, 상당한 환경 및 건강 위험을 초래합니다.

금 생산은 CO2 배출뿐만 아니라 토양 오염, 토지 황폐화, 수·공기 오염, 서식지 파괴 등 다양한 환경 위험을 동반합니다.

여기에서 발생하는 독성 폐기물은 납, 수은, 시안화물, 비소, 산, 석유 부산물 등 무려 30여 종의 위험한 화학 물질을 포함합니다.

산성 광산 배수(AMD)는 광산 기업이 독성 폐기물을 해양, 호수, 강, 하천 등에 지속적으로 배출함으로써 발생하는 오염된 물을 의미하며, 그 영향은 다양해 이러한 폐기물로부터 회복하기가 매우 어렵습니다.

금 채굴이 지구와 인류에 매우 해롭다는 점을 고려할 때, LED에 알루미늄, 니켈, 구리와 같은 대체 금속을 사용하면 큰 환경적 이점을 제공할 것이라고 새로운 연구는 주장합니다. 동시에 LED가 최적의 기능을 유지하도록 소량의 납은 유지될 수 있습니다.

저렴하고 지속 가능한 차세대 LED

연구에 따르면 페로브스카이트 LED는 성공적으로 수익성 있는 시장으로 전환될 수 있습니다. 연구는 PeLED가 장기적으로 상용화에 큰 잠재력을 가지고 있다고 결론지었습니다. 연구에 따르면:

“대규모 제조를 통해 개발된 미래의 PeLED는 환경적 및 경제적 관점 모두에서 다양한 조명 기술 중 경쟁력을 확보할 가능성이 큽니다.”

연구에 따르면 지속 가능한 상용화 경로는 환경, 경제, 기술이라는 세 가지 핵심 축을 가지고 있습니다. 이러한 요인은 주요 이해관계자의 이익과 일치합니다: 기업 수익성과 투자 수익을 추구하는 생산자, 정부 입법 및 정책을 포함하는 조정자, 그리고 제품에 비용을 지불하는 고객.

연구의 전 과정 평가 결과, 페로브스카이트 LED의 환경 영향은 주로 생산 과정에서 투입되는 물질과 전기에 의해 발생합니다. 반면 유통 단계, 즉 운송은 전체 영향의 5% 미만을 차지하며, 최적화는 산업 자원에 달려 있습니다.

독성 원천에 관해, 연구는 원료 생산 과정에서 발생하는 중금속이 PeLED 전 과정에서 주요 기여자임을 지적했습니다. 또한, 납(Pb) 무함량 페로브스카이트를 사용한다고 해서 환경 영향을 본질적으로 감소시키지는 않는다는 결과도 나타났습니다.

이는 방출층이 수십 나노미터에 불과한 얇은 두께이기 때문에, 페로브스카이트 LED에서 Pb가 전체 환경 영향에 미치는 기여도가 최소에 불과합니다.

연구는 실제로 금이 강력한 기여 요인임을 밝혀냈으며, 금(Au) 음극을 사용한 NIR PeLED가 금을 사용하지 않은 장치보다 100배 이상 높은 환경 영향을 보인다는 눈에 띄는 사례를 언급했습니다. 이 차이는 금 채굴에 따른 높은 오염과 에너지 소비 때문이며, 알루미늄(Al)보다 7배 높은 금의 밀도도 영향을 더했습니다.

이는 납이 없는 기술이 반드시 생태 독성을 감소시키는 것은 아니라는 점을 강조합니다.

따라서 연구진은 페로브스카이트 LED에서 납이 주요 독성 원인이라는 일반적인 인식이 바람직하지 않을 뿐만 아니라, 다른 중요한 오염 물질에 대한 주의를 흐릴 위험이 있다고 지적했습니다.

비용 측면에서, 기술-경제 평가에 따르면 미래 PeLED의 비용은 약 US$100/m² 정도이며, 이는 상업용 유기 LED 패널 비용과 비교할 만합니다.

따라서 PeLED의 낮은 비용과 적은 환경 영향은 기존 LED를 대체할 수도 있습니다. 그러나 문제는 수명에 있습니다. 이 주요 과제는 페로브스카이트 LED의 가속화된 개발을 통해 해결되고 있으며, 그 결과 수명이 증가하고 있습니다.

연구진은 실제로 페로브스카이트 LED가 지속 가능성을 달성하기 위해 필요한 수명을 정량화하는 새로운 매개변수인 상대 영향 완화 시간(RIMT)을 제안했습니다. 연구는 다음과 같이 언급했습니다:

“RIMT는 내부 및 외부 상대 영향을 동시에 고려하여 상대 영향을 완화하는 데 필요한 최소 시간을 나타냅니다.”

연구에 따르면, 페로브스카이트 LED는 긍정적인 환경 영향을 위해 약 10,000시간의 수명을 달성해야 합니다. 이는 연구진에 따르면 달성 가능하다고 합니다. 현재는 최고의 PeLED도 수백 시간 정도 지속됩니다.

이번 평가를 통해 연구진은 지금까지 LED의 기술 성능 향상에 초점을 맞춰온 LED 연구 분야에 변화를 가져오고자 합니다.

“우리는 개발한 것이 실제 세계에서 사용되길 원합니다. 그러나 연구자로서 우리는 시야를 넓혀야 합니다. 제품이 높은 기술 성능을 가지고 있어도 비용이 비싸고 환경적으로 지속 가능하지 않다면 시장에서 높은 경쟁력을 갖추기 어렵습니다. 이러한 사고방식이 점점 우리의 연구를 이끌게 될 것입니다.”

– 무이 장, LiU 물리·화학·생물학부 박사과정 학생

연구는 또한 미래 PeLED 제품의 에너지 효율성을 향상시키기 위해 발광 효율에 대한 추가 연구가 필요하다고 언급했습니다.

혁신적인 기업

Universal Display Corp

페로브스카이트 LED가 조명 및 시각 디스플레이의 미래를 선도하고 있지만, 현재 시장은 액정 디스플레이(LCD)와 유기 발광 다이오드(OLED)가 주도하고 있습니다.

OLED 분야에서 Universal Display (OLED ) Corp(UDC)는 디스플레이와 조명을 위한 OLED 기술 및 소재를 연구·개발·라이선스하는 주요 기업입니다. 

1994년에 설립된 UDC는 자체 보유한 UniversalPHOLED 인광 OLED 기술을 통해 OLED 혁신을 선도해 왔습니다. 또한 고성능 PHOLED 소재를 개발·판매하며, 태블릿 및 폴더블 스마트폰에 사용되는 FOLED(유연 OLED), 창문 및 디스플레이에 사용되는 TOLED(투명 OLED), 조명에 사용되는 WOLED(백색 OLED) 등 다양한 OLED 기술을 제공합니다. 이 회사는 또한 OVJP 유기 증기 제트 프린팅을 개발·제공합니다.

시가총액 71억 달러인 OLED 주식은 현재 149.90달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 2.84% 상승했습니다. EPS(TTM)는 4.66이며, P/E(TTM) 비율은 32.24입니다. 배당 수익률은 1.20%입니다.

기업 재무와 관련해 Universal Display Corporation은 최근 2024년 4분기 실적을 발표했습니다. 해당 기간 매출은 1억 6,230만 달러로, 2023년 4분기 1억 5,830만 달러에서 증가했습니다. 여기에는 방출체 소재에 대한 수요 증가로 인한 소재 판매 매출 9,330만 달러와 로열티 및 라이선스 수수료 6,440만 달러가 포함됩니다. 한편 소재 판매 비용은 이번에 3,420만 달러로 약간 상승했습니다.

순이익은 4,600만 달러로 전년의 6,200만 달러에서 감소했으며, 영업이익은 5,250만 달러로 6,470만 달러에서 감소했습니다. 4분기 순이익은 4,600만 달러, 희석 주당 0.96달러였습니다. 분기 배당금은 12% 상승해 주당 0.45달러가 되었습니다.

2024년 전체 매출은 6억 4,770만 달러로 전년 5억 7,640만 달러 대비 12% 증가했습니다. 순이익은 2억 2,200만 달러로 2023년 대비 9% 상승했습니다.

“우리는 2024년이 견고한 재무 실적의 사상 최고 해였음을 보고하게 되어 기쁩니다. OLED 산업 전반에 걸쳐 제품 로드맵이 확대되고, 주요 패널 제조업체들이 특히 신흥 IT 및 자동차 시장의 증가하는 수요를 충족하기 위해 새로운 팹에 투자하고 있습니다. 우리는 이번 신규 CAPEX 사이클이 의미 있는 새로운 OLED 용량, 새로운 OLED 제품, 그리고 새로운 OLED 채택자를 위한 길을 열어줄 것이라고 믿습니다.”

– CFO 브라이언 밀러드

2025년에는 매출이 6억 4,000만 달러에서 7억 달러 사이가 될 것으로 예상합니다. 따라서 UDC는 매출이 최대 8% 성장하거나 1% 감소할 것으로 전망하고 있습니다.

블루 인광 소재(PHOLED)와 상용화 시기에 대해 UDC는 이전보다 더 가까워졌으며, 상용화를 “OLED 기술의 획기적인 도약”이라고 부르고 있습니다. 블루 PHOLED를 제공할 수 있다는 자신감을 바탕으로, 회사는 상용화가 수년이 아닌 수개월 내에 이루어질 것이며, 올해는 의미 있는 매출을 창출하지는 않을 것이라고 밝혔습니다.

형광 블루에서 인광 블루로의 전환은 OLED 디스플레이의 블루 내부 발광 효율을 25%에서 100%까지 급격히 상승시키면서 전력 소비를 감소시키는 큰 변화를 의미합니다.

OVJP 프로젝트와 관련해, 회사는 캘리포니아에 있는 OVJP 센터를 폐쇄할 계획이며, 싱가포르에 Universal Vapor Jet Corporation이라는 새로운 자회사를 설립해 OVJP 상용화를 담당할 예정입니다. UDC는 OVJP가 대형 디스플레이 제조를 위한 최첨단 기술이라고 믿고 있습니다.

Universal Display Corporation 최신 소식

결론

페로브스카이트 LED(PeLED)는 높은 효율성과 다양한 응용 가능성으로 차세대 광원으로서 큰 중요성을 얻고 있으며, 디스플레이 및 조명 분야에 유망합니다.

최신 연구에 따르면, 낮은 비용과 환경 영향을 통해 기존 LED를 대체할 수 있습니다. 납 대신 금에 초점을 맞추어 환경 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 금을 알루미늄이나 니켈과 같은 보다 지속 가능한 소재로 교체하면 금 채굴이 초래하는 문제를 해결하고 PeLED 생산의 생태 발자국을 크게 감소시킵니다.

페로브스카이트 LED는 큰 잠재력을 보이지만, 상용화는 수명과 발광 효율 개선에 달려 있습니다. 수명 문제를 해결하고 저비용 생산, 지속 가능한 제조, 생생한 색상 출력을 함께 추구함으로써 PeLED는 LED 및 디스플레이 시장을 혁신하고 광범위한 채택을 이룰 수 있습니다.

참조 연구:

1. Zhang, M., Ma, X., Esguerra, J. L., et al. (2025). 지속 가능한 페로브스카이트 발광 다이오드를 향하여. Nature Sustainability. https://doi.org/10.1038/s41893-024-01503-7