최신 LED 기술 및 산업동향

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LED 산업 신성장동력화 발전전략대기업, 중소기업간 전략적 제휴 통해 국가 경쟁력 향상발표 : 지식경제부 박종학 사무관LED 신성장동력은 지난 5월22일 발표가 됐었고 최근 유가의 급등과 기후변화협약에 의해 에너지 절감 방안에 따라 정부에서는 LED를 전략산업으로 집중 지원해 나갈 계획을 갖고 있다.LED는 21세기의 새로운 광원으로 주목받으며 여려 다양한 분야에 사용되고 있다. 먼저 LED의 설치사례를 보면 국회의사당에 경관조명용으로 설치돼 있는데 확인 결과 훨씬 밝고 환하면서도 전력소비는 절감되는 것으로 나타났다. 비록 크지는 않지만 에너지 절감에 한몫하고 있음을 보여주는 것이다. 이와 같은 사례는 외국에서도 쉽게 찾아볼 수 있는데 외국의 경우 경관조명 뿐만 아니라 LED가 여러 가지 다양한 색상으로 설치된다는 장점으로 주변의 색상과 잘 어울리므로 다양한 적용분야에 활용하고 있다. 그리고 사무공간뿐만 아니라 감성적인 특성으로 실내에서도 형광등 대체형으로 점차 그 사용이 늘고 있는 추세이다. 간판도 생각보다 에너지 소비가 많은 분야인데 항상 켜 있어야 하는 간판의 경우 LED로 대체하면 에너지 절감 효과를 볼 수 있다.세계 LED 산업을 보면 현재 140억 달러 시장에서 2015년경 약 1천억 달러로 성장할 것으로 예견된다. 지금의 휴대폰이나 교통신호등 및 표시등 위주에서 LCD BLU의 가전분야로 시장이 형성될 것으로 보인다. LED 산업은 미국과 일본, 독일이 강세를 보이고 있고 이 세 개 나라가 세계 시장의 2/3를 점유하고 있다. 그리고 대만도 시장 진출에 적극적이다. 중국도 LED 분야에 집중해 상당한 성과를 보이고 있는데 이는 지난 베이징 올림픽에서 LED를 많이 사용한데서 알 수 있다. 그러나 후발기업들의 진출이 활발할수록 LED 특허에 대한 소송이 증가하고 있고 특허를 보유하고 있는 상위 업체들 간의 상호 전략적 M&A나 특허제휴 등으로 인해 후발업체들의 시장진입 장벽이 점점 더 높아지고 있기도 하다.미국, 일본, 중국 등 모두 국가적 전략차원에서 LED 산업에 집중투자를 하고 있는데 국내 LED 산업의 경우 휴대폰의 키패드나 LCD BLU 등을 중심으로 시장이 형성되었으며 작년 기준 약 2조원 수준의 시장으로 성장해 있다. 국내 산업구조를 보면 약 450여개 기업군이 있으며 이중 에피와 칩은 삼성전기와 LG이노텍, 에피밸리 등 13개 업체에서 하고 있으며 패키징의 경우 서울반도체나 일진반도체, 대진DMP 등 80여 업체, 그리고 가장 많은 중소기업이 참여하고 있는 LED 제품 분야는 남영전구나 아트디스플레이 등 360여 업체가 참여하고 있다. 기술수준은 외국에 비해 우리가 상당히 늦게 출발했지만 반도체 인력 등을 이용하여 최근 많은 성장을 하고 있다. 물론 많은 노력을 해야겠지만 기술개발이 빨라지고 있다.공공부문에서 시장창출 이끌어야우리의 당면과제를 보면 낮은 기술력과 브랜드 인지도의 저조인데 조명분야의 엔드 서플라이어의 영세성이 두드러진다. 대다수가 5인 미만의 영세업체인데 기존 우량 기업의 참여를 유도해주고 새로 참여하는 대기업이나 벤처기업 간의 파트너십을 전략적으로 해서 개별적으로 경영하기 보다는 글로벌 경쟁체제를 구축할 필요가 있고 LED 전문업체들을 수직계열화하여 규모의 경제를 구축해야 한다.부품 및 소재에서 해외의존도가 높은데 칩 같은 경우 일본이나 대만에서 수입을 해야 하는 형편이다. 또한 특허공세에 대응할 준비를 갖추고 새로운 국제표준을 선점하는 등 핵심적이고 고도의 기술개발이 시급하다. 이 외에도 걸림돌로 작용하는 것으로, LED는 아직까지도 가격이 높다. 그리고 LED에 대한 인식이 부족할뿐더러 조명산업이 고전적 산업이란 고정관념으로 인해 시장보급률이 저조하다.이런 상황에서 어떤 비전을 갖고 발전방향을 이끌 것인가? 우리는 2012년에 세계 톱3의 LED 산업강국을 목표로 하고 있다. 어려울수도 있지만 충분히 가능한 일이라 보고 있으며 이를 위해서 시장을 창출하고 기술개발 및 특허를 통해 역량을 제고하고 지역별 특화 클러스터를 조성하는 등 안정적 성장기반을 구축해야 한다.세부적 추진전략은 앞서 말하기도 했지만 LED는 높은 비용으로 시장이 없기 때문에 업체에서 뭔가 수익을 낼 수 있는 수익구조를 만들어 줘야 한다. 이를 위해 공공부문에서 초기시장 창출을 주도해 나가야 한다. 공공기관의 LED 조명 설치 및 LED 제품 우선사용을 통해 사용 확대를 늘리고 어느 정도의 홍보효과를 가지고 접근하고 있는 정부청사 민원실 및 7대 광역시 시범우체국 사업을 추진하여 향후 전국으로 확대해 나갈 계획이다. 또한 지자체 단위로 LED 프로젝트에 대한 지원을 해 나갈 생각이다. 예를 들어 광교신도시나 행복도시 등 대형 신도시 추진 시 LED 조명을 건설계획에 반영토록 할 것이다.그동안 LED 관련 사업이 정부 주도하에 이뤄졌다면 이제 LED의 시장수요를 창출하기 위해 민간부문 수요창출을 위한 LED 펀드를 조성하여 기업과 함께하여 수요자에게는 무료로 설치를 해주고 여기서 절감된 전력을 가지고 분할 상환하는 방식도 계획 중이다. 특히 업계에서도 요구가 많은 것이 고효율 분야인데 2008년을 시작으로 인증품목을 단계적으로 확대할 것으로 이 계획은 좀 더 앞당겨질 수도 있다.한편 세계적 핵심역량을 제고하기 위해 핵심기술 경쟁력을 강화할 필요가 있다. 에피/칩/패키징 분야와 소재/모듈 분야, 그리고 애플리케이션 3개 분야에서 각자 우리가 선진화할 수 있는 기술을 집중적으로 개발해야 한다. 국내 기업들이 중소기업 위주로 LED 산업이 이뤄지다 보니 글로벌 경쟁력을 강화하기 위해 국내 대기업과 중소기업 간의 전략적 제휴를 통해 LED 산업의 국가경쟁력을 향상시킬 필요가 있으며 중소기업의 제품 애플리케이션 전문성과 대기업의 브랜드 마케팅 능력을 결합해 높은 브랜드 파워의 국내 LED 메이저 기업을 육성해야 한다. 그리고 안정적 성장기반 조성을 이뤄가는 방법으로, LED 모태펀드를 통한 전문벤처기업을 육성할 필요가 있다. 지역특화 LED클러스터 사업과 연계한 LED 벤처기업을 육성하고 성장유망한 기업을 대상으로 시설 및 운전자금 투자를 지원하는 방법도 있다. 또한 기존 조명업체의 사업전환을 위해 연구기관의 기술 이전 및 생산설비 자금 융자지원, 기술인력 대상의 현장교육 등 사업을 추진하고 있다. 한편 지역별 LED 특화 클러스터 조성 및 투자확대를 위해 지역 거점산업에 LED를 융합한 특화 클러스터 조성이 필요하다. 각 지역권별 LED 융합 산업화 지원센터를 구축해 종합적으로 산업화 지원을 하는 것도 필요하다. 현재 국내 LED 업계는 2012년까지 총 3조원의 투자 계획을 발표한 바 있으며 정부는 업계의 산업화 활동을 지원하기 위해 향후 5년간 4천억원을 투입한다는 계획이다.마지막으로 LED는 기존 조명과의 기술적 차이로 각종 설계 및 안전기준 등에 부적합한데 각종 법령상 요건이나 기술조건 등을 LED에 맞게끔 개선하고 법 제도를 수정하는 것도 필수적이다.LED 산업의 기대효과를 살펴보면 산업 및 경제적으로 일자일 창출 및 산업생산에 큰 효과를 안겨주며 에너지 환경 분야에서도 조명 30%를 LED로 교체 시 원전 2기의 1년간 발전량에 해당하는 전력을 절감할 수 있으며 연간 680만톤의 이산화탄소 배출량을 저감시킬 수 있다.LED 칩/패키지 주요기술 및 동향다양한 패키지 개발로 시장에 특화시켜야 한다발표 : 고려대 김태근 교수LED는 광부품 및 거대한 시장을 갖고 있다고 늘 말한다. LED는 휴대폰부터 솔리드 스테이트 라이팅까지 굉장히 큰 시장을 갖고 있고 특히 조명과 관련하여 시장이 워낙 크기 때문에 이쪽에 관심을 갖고 신규사업을 하려는 분위기도 강하다. LED는 1969년 레드 LED가 처음 개발되면서 하나의 제품군으로 시작을 했다. 당시에는 시장이 없었기 때문에 단순한 인디케이터로 사용됐던 것이 90년대 이후 모바일폰의 시장이 형성되면서 점차 풀컬러와 고휘도, 화이트 LED 등이 개발되고 사용되기 시작했고 점차 그 영역도 LCD BLU 등으로 넓어졌다. 가장 중요한 이슈는 마켓은 많은데 실질적으로 상업적으로 이용되려면 LED의 효율이 70~80lm/W 정도의 기술수준까지 올라와야 한다는 것이다. 그리고 부분적으로 이용되고 있긴 하지만 아직 BLU 시장이 열리지 않았고 조명시장 분야도 큰 밑그림은 있지만 니치아, 크리, 루미레즈, 오스람같이 큰 회사들이 일정 영역에서 연구 수준에서 발표를 하고 있어 상업성을 띠기 위해선 좀 더 고출력 개발이 중요하다.LED의 중요성은 다 알다시피 에너지 절감 효과의 저전력 소모, 친환경, 장수명 등에 있다. 기존의 광원과 비교했을 때 90년대에 LED 효율이 기존 광원을 넘어서면서 점차 그 비중이 높아지고 있다. 그래서 2010년 정도가 되면 지금 형광등의 효율보다 두배 정도 향상될 것으로 보여 LED 광원의 발전속도는 가속화될 것이다. R&D 레벨에서는 현재의 상태에서 진행되고 있지만 점차 업그레이드된 데이터가 나오고 있다. 잠시 시장동향을 보면 2008년도 스트래티지스 인 라이트에 따르면 아직도 모바일 시장이 가장 크지만 조명과 관련해 크게 부각되고 있고 조만간 BLU 시장이 열리면 조명쪽은 주춤하고 BLU쪽으로 시장이 집중되서 커지지 않을까 조심스레 전망해 본다. LED 조명의 시장규모는 아무도 예측할 수 없지만 여러 가지를 고려해 볼 때 2015년에 1천억달러에 달할 것으로 얘기하는 사람이 많다. 이런 막대한 시장 때문에 지역은 물론이고 정부에서도 집중적인 투자가 이뤄지고 있다.다음으로 이론과 동작원리에 대해 말하자면 LED는 빛을 내는 반도체 소자이다. 가장 간단한 구조를 갖는 칩인데 채택된 물질에 따라 방출되는 빛의 파장이 결정되고 가시광선에 해당되는 파장을 갖고 있는 물질들을 이용해 PN접합을 만들면 그것이 빛으로 방출되는 것이다. 일반적으로 포워드 바이어스를 인가해 주면 전류가 주입되면서 높은 에너지 상태의 전자들이 낮은 에너지로 떨어지면서 빛을 방출하는 형태가 된다. 여기서 중요한 것은 고출력으로 가기 위해서는 빛만 방출해서 되는 게 아니라 디자인이나 열적인 문제 등을 고려해야 한다.추출성능을 높여야 효율도 높아…LED의 효율을 높이기 위해서는 첫 번째로 인젝션을 통해 전류의 주입이 잘 되도록 디자인해야 한다. 두 번째로 들어간 전류가 딴 곳으로 새지 않도록 컨트롤해야 하고 소자 내에서 만들어진 빛이 밖으로 잘 빠져나오도록 추출성능을 높여야 한다. 그렇게 되면 칩에서 나온 빛이 코스코를 여기시켜 백색을 만들도록 해야 하는데 이때 컬러 컨버전이 이뤄지고 효율이 높아야 한다. 코스코라는 물질은 다른 파장대의 빛을 내도록 하는 것인데 컨버전 시에 손실이 많다. 일반 칩과는 달리 백색이 되면서 효율이 떨어질 수 밖에 없는 이유 중의 하나가 컨버전이 되면서 열이 발생하고 그 열이 다시 칩으로 들어간다는 것이다. 그래서 전체적으로 열 문제가 발생하고 고출력으로 가는데 어려움이 생기고 있다.일반적으로 우리가 얘기하는 색깔이라 하는 것은 우리의 눈을 통해 파악해 파장에 따라 색깔을 결정하는 것이다. 예를 들어 이 색깔이 무엇이냐 물었을 때 사람마다 색에 대한 주관이 다르다. 그래서 공학적으로 객관적으로 색에 대한 정량을 표시할 필요가 있어 표준을 내놓은 것이 색표준이다. CIE에서 1931년에 지정한 색좌표계를 활용하고 있다. CIE 색좌표에서는 RGB의 밝기와 색도를 가지고 2차원의 좌표를 표시하고 있다. LED의 포토메트리에서 단위의 정의를 내리자면 광속같은 경우 발산하는 광을 CIE 표준 시감도를 고려해서 정한 값으로, 광원이 있으면 방출된 빛을 시각적으로 고려해서 평균을 낸 값을 광속이라 하고 방출된 광속을 단위 입체각으로 나눈 값을 말한다. 조명효율을 얘기할 때 루멘퍼와트라고 말하며 이는 전기적 파워이다. 사람 눈에 가장 선명하게 보이는 파장이 550nm이다. 그래서 이 파장을 1로 두고 동일 광출력에서 파장별로 나타낸 값의 곡선을 시감도곡선이라 한다.이제 칩 기술과 패키징 기술에 대해 말하겠다. 전체적으로 보면 LED 갈륨나이트라이드 고효율 칩을 만들기 위해서는 기판에 대한 연구가 필요하다. 갈륨나이트라이드에서는 블루나 그린이 중요한 요소지만 기판이 존재하지 않기 때문에 대체 기판을 사용하고 있다. 아직 상용화된 상태는 아니고 상업적 레벨에서는 사파이어 계열을 많이 쓰고 있다. 부가가치 측면에서는 실리콘 카바이드가 큰 시장을 갖고 있는 것으로 알고 있다. 이렇게 기판이 준비되면 그 위에 LED 구조가 올라가게 된다. 칩에 에피 스트럭처가 올라가면 흔히 말하는 프로세스 단계가 된다. 이 칩 공정 상태에서 외부로 빛을 잘 통과시킬 수 있도록 여러 가지 전극 측면에서 다양한 노력들이 이뤄지고 있고, 칩 자체만 가지고 사용할 수가 없기 때문에 패키징이 중요한 기술이다. 더 나아가 고출력으로 하기 위한, 그리고 열을 줄이기 위한 시도들이 이뤄지고 있다. 여기까지 오면 이 제품을 기반으로 모듈이나 응용제품으로 활용하는데 이 시장은 무궁무진하다. 가령 하나의 보드 위에 어레이 구조를 갖는 형태로 급격히 기술이 발달하고 있다.현황을 보면 사파이어나 실리콘 카바이드, 갈륨나이트라이드, 실리콘 기판 등이 사용되고 있는데 매출 기준으로 실리콘 카바이드가 가장 앞서 있다. 중장기적으로는 갈륨나이트라이드로 기울기가 기울 것으로 보인다. 기판을 선택하는데 있어 가장 중요한 것 중의 하나가 격자 위치와 열에 대한 특성이 우수한 기판을 찾아내야 하는 것인데 현재로서는 사파이어가 가격이 제일 싼 이유로 많이 쓰이고 있고 부가가치 측면에서는 실리콘이 저가에 가능하기 때문에 안전하게 쓰일 수 있다.광 추출에서 고려해야 할 사항이 몇 개 있는데 한 가지 중요한 이슈는 만든 빛을 외부로 뽑아내야 한다는 것이다. 그러나 구조가 멀티 레이어로 돼 있어 굴절율이 서로 다른 층에서 빛이 외부로 빠져 나오지 못하는 문제가 있는데 크리스털 패턴의 주기성을 높여 광 추출 효과를 높이려는 시도가 있다. 이렇게 주기성을 높이면 광의 방향성, 직진성이 좋아져 한 방향으로 광을 낼 수 있는 이점이 있다. 패키징과 관련해서 패키징의 기본적 역할은 기계적 안전성과 열에 대한 신뢰성, 접지성, 그리고 EMI에 대한 보호 역할을 하게 된다. 고출력 LED에 대한 큰 이슈는 열 문제인데 열이 올라가면 출력이 감소하고 수명이 짧아지며 색이 변할 수도 있다. 그리고 소재의 변화를 가져올 수도 있으며 열팽창계수가 서로 어긋나면 신뢰성에 문제가 생기기 때문에 이런 문제를 막기 위해 패키징에 대한 이슈가 커지고 있다. 그래서 가장 중요한 방열 문제, 광학설계, 재료 자체의 내열 문제, 자체의 효율과 손실이 적어야 한다는 점들이 큰 이슈가 되고 있다.패키지의 응용과 제품은 우리가 생각하는 단순한 것이 아니라 보이지 않은 많은 시장들이 있다. 특수 조명뿐만 아니라 모든 조명을 LED로 바꾼다는 것은 그만큼 마켓이 상당히 크다는 것이다. 그 외에 의료과학도 존재한다. 그에 따라 패키지도 달라져야 하고 단순히 벌브 타입의 패키지가 필요한 응용분야도 있을 것이다. 이외 다양한 패키지가 개발되서 마켓당 적합하게 융합되면 계속 발전할 것이라 예측하고 있다.고휘도 LED 기술 및 시장동향전기적 제어에 의해 분위기에 맞는 조명 사용할 시대 올것발표 : (주)에피밸리 박중서 상무LED의 응용 분야를 보면 청색과 녹색은 나이트라이드란 물질을 기반으로 하고 적색은 갈륨나이트라이드란 물질을 기반으로 하는데 주로 고휘도 LED에서 포커싱이 되고 있는 BLU 백색 LED를 만들 수 있기 때문에 고휘도 시장에서 주목받고 있는 LED이다. 기본적 구조는 사파이어 기판에 버퍼층 N형 나이트라이드, 활성층, P형 나이트라이드 이렇게 구성된다. 응용분야는 대표적인 것이 휴대폰이며, 앞으로 1~2년에 안에 크게 성장할 분야가 LED 백라이팅 분야, 그리고 장기적으로 가장 크게 성장할 분야가 일반조명 분야이다. 그 외 분야는 점진적으로 기술적으로 성장할 분야이다.고휘도 LED 시장의 성장세를 보면 2001년부터 2004년까지 시장이 44% 성장했고 그 이후 연평균 7.6% 성장할 것으로 보인다. 그 이유는 주로 모바일 분야의 성장세가 주춤하기 때문인데 고휘도 LED 시장의 성장세가 모바일 분야의 성장세와 일치한다. 그래서 다른 분야의 성장세가 높더라도 이전보다는 주춤하는 기색을 보인다. 그러나 모바일 이후 LCD BLU 시장이 본격적으로 열린다면 다시 고속 성장세로 돌아설 것으로 보인다. 업계에서는 이 분야가 올해부터 본격적으로 뜰 것이라 예상했는데 기술적인 문제와 원가 문제로 지연된는 상황이다. 다음으로 고휘도 LED의 응용분야별 추이를 보면 전체 고휘도 LED 매출에서 50% 넘던 모바일 분야가 2004년을 기점으로 점차 줄어들고 있고 대신 점진적으로 성장하는 것이 사인/디스플레이 분야이다. 작년까지의 추이를 보면 모바일이 여전히 44% 정도를 차지하고 있고 사인 디스플레이가 17%, 오토모티브가 15%, 그리고 교통신호등과 일반조명등이 매출의 일부를 차지하고 있다. 여기서 모바일은 디지털카메라 등 모바일 어플라이언스가 모두 포함된 것이다. 다음으로 제품별 시장 분할을 보면 스탠더드 형태의 LED가 80%이고 하이파워가 10%, 그리고 나머지 제품이 차지한다. 제품별 시장 성장세를 보면 스탠더드 제품은 점진적으로 포화상태가 되고 있고 나머지 형태, 하이파워의 경우 성장세가 높게 나오고 있다. 시장조사기관인 스트래티지스 언리미티드에 의하면 2007년 46억달러였던 것이 연평균 두자리수 성장으로 2012년이 되면 100억달러가 넘는 시장이 형성될 것이라고 예측 하고 있다. 모바일폰은 계속 유지되는 형태이고 사인과 디스플레이는 고속성장을 할 것으로 보이고 있으며 오토모티브도 급격하진 않지만 점차 발전할 것으로 보인다. 조명도 어느정도 성장할 것으로 보이는데 우리의 예측으로 2015년 즈음 본격적인 성장엔진으로 등장할 것으로 전망한다. 애플리케이션별 퍼센티지를 2007년과 2012년을 비교해 보면 모바일 어플라이언스가 44%에서 20%로 줄고 사인&디스플레이가 17%에서 44%로 늘어나게 된다.에피택시가 LED 성능 좌우다음으로 고휘도 LED의 주요기술에 대해 말하겠다. 에피택시에 대해 언급하자면 LED의 성능을 좌우하는 것이 에피택시이기 때문에 상당히 중요한 부분이다. 에피의 구조나 방법에 의해 결정되는 성능의 비중은 매우 높다. 그 다음이 칩 기술과 패키지 기술 등이 중요하다. 기술적 장벽이 있기 때문에 상당한 노하우와 기술이 있어야 할 수 있는 부분이라 생각한다.MOCVD의 기본적 구조는 간단하다. 여러 가지 사용되는 가스를 분배하는 기능이 있고 그것을 진공 리액터에 주입하여 고온에서 성장하는 구조로 돼 있다. 원리적으로 간단한데 실질적으로 여러 가지 기술적 노하우들이 많이 필요한 기술이다. MOCVD는 버티컬 타입이 있는데 기판 표면에 가스가 수직으로 증착되는 것이 버티컬 타입이고 가스가 표면을 수평으로 증착되는 것이 호라이전틀 타입이다. MOCVD는 이렇게 두가지 타입이 있다. 기판은 실리콘카바이드를 쓰는 경우도 있는데 대부분 사파이어 기판을 많이 쓴다. 부도체기 때문에 사용되는데 기본적으로 n형, 활성층, p형 구조로 돼 있다. 고휘도 칩을 구현하는 기술에 있어서 P형을 성장할 때 성장조건을 제어하는 기술이 있는데 제조단가에서 유리한 기술이다. 대만에서 주로 사용하는 기술이다. 그러나 단점으로는 운영 전압이 높다는 것이 흠이다.백색 LED를 구현하는 기술은 몇 가지가 있는데 각 기술의 장단점을 말하자면 RGB 각각을 결합해 사용하는 기술은 다른 기술들에 비해 효율이 가장 좋다. 왜냐하면 컨버전스를 통해 손실을 줄일 수 있기 때문이다. 그러나 연색지수는 가장 낮다. 자연스럽지 못한 백색광이 나오기 때문이고 각각 삼색의 드라이버를 사용하기 때문에 비용이 높다는 단점도 있다. RGB칩 기술은 LCD 백라이트용으로 가장 적합한 기술적 특징을 보이고 있기도 하다. 현재 기술로는 블루 칩에 옐로우 칩을 더해 백색 LED를 만들기도 하는데 양 계열의 포스포를 쓰기 때문에 효율이 좋다. 향후 LED의 조명 시대가 오면 우리가 지금까지 상상하던 것과 다른 시대가 열릴 것으로 기대하고 있다. 전기적인 컨트롤에 의해 분위기에 맞는 조명을 사용할 수가 있는 시대가 올 것이다.다음으로 백색 LED의 효율의 로드맵은 2004년에 나온 자료가 있는데 현재까지 그 예상이 적중되고 있다. 현재 상업적 효율이 90~100lm/W이고 R&D 수준은 140lm/W로 예측했는데 그 정도 수준에 근접해 있다. 일반조명이 열릴 수 있는 수준을 150lm/W로 정했는데 로드맵을 보면 약 2015년이 일반조명이 사용될 시점으로 예측하고 있다. 그리고 LED 시장의 특징으로 지난 10년간의 변화를 살펴보면 성능은 20배 성장했고 가격은 반대로 10배 하락했다. 이 추세가 이어진다고 가정한다면 점차 업체 간에 어려운 싸움이 될 것으로 예상된다. 성능은 좋아지고 가격은 하락하기 때문이다. 그래서 생산성을 높여 단가하락에 대비해야 하고 높아지는 성능에 대해 기술적 노력을 지속해야 한다.LED의 필요성 및 주요기술LED의 내부양자 효율을 높여야 한다발표 : KETI 황성민 박사엘 고어 미국 전 부통령이 찍은 다큐멘터리 <불편한 진실>의 영화를 보면 600만년 동안 대기 중의 이산화탄소 농도가 300ppm을 넘어본 적이 없다. 그러나 산업혁명이 시작되고 화석연료를 많이 사용하게 되면서 지금 현재 이산화탄소 농도는 380ppm이라고 한다. 즉 600만년 동안 겪어보지 못한, 처음 겪는 일이 되겠고 지금처럼 화석연료를 쓰듯이 계속 사용하게 되면 50년 후에는 500ppm을 넘을 거라고 한다. 그렇게 되면 온도가 6℃ 정도 상승해 심각한 문제를 야기하게 되고 전체 생명체의 70%가 멸종하게 되는 재앙이 닥치게 된다고 한다. 그래서 최근 태양전지나 LED 등은 에너지나 환경과 깊숙이 관련돼 있다. 미 국방부 비밀보고서를 보면 21세기에 접어들면서 미국의 주적은 테러나 전쟁도 아닌 날씨라고 보고서에 나와 있다. 작년 아시아 태평양 정상회담의 주요 의제 중 하나가 날씨였다. 즉 우리 앞에 놓인 심각한 문제라는 반증이다. 그래서 풍력이나 조력, 태양전지 등과 같은 방식이 각광을 받고 많이 언급되고 있는데 LED도 이런 에너지와 마찬가지로 그린 에너지 패밀리 활동의 일환이다.지금 우리가 많이 사용하고 있는 백열전구의 경우 효율이 15lm/W이고 할로겐 램프도 백열등의 약 두배 이하로 돼 있으며 가장 많이 사용하는 형광등은 80lm/W의 효율성을 보이고 있다. 적은 전력으로 밝은 빛을 비출 수 있다는 말인데 LED는 여러 가지가 있겠지만 100lm/W를 내는 것도 있고 이론적으로는 300lm/W까지 가능하다. 에너지 효율성 문제뿐만 아니라 LED는 형광등이나 기타 조명에서 갖는 중금속이 없는 친환경 조명이다. 현재 우리가 사용하는 전기의 20%는 조명에 쓰인다. 굉장히 많은 양이라고 할 수 있다. 다른 연구로 만약 우리나라의 교통신호등이 LED로 교체됐을 경우 연간 17만톤의 이산화탄소를 저감할 수 있다고 한다. 다른 방법으로 그 17만톤을 줄이기 위해서는 나무를 836억원 어치를 심어야 한다고 한다. 그리고 LED로 조명이 30%가 대체가 될 때 에너지 절약액이 약 1.6조원 정도 된다고 한다. 이것은 우리나라뿐만 아니라 선진국에서도 많이 시행되고 있다. 일본의 예를 들어보면 2020년까지 이산화탄소를 LED를 통해 감축할 계획을 갖고 있고 법적으로 백열등 사용을 금지하는 것을 말하고 있다.LED의 주요 응용분야를 보면 첫 번째로 언급되는 것이 일반조명 분야이다. 1879년도에 백열등이 나왔고 1938년에 형광등이 나왔는데 다른 전자제품들의 라이프사이클이 빠른 반면 형광등은 거의 70년간 바뀌지 않고 있다. 그러나 이것을 바꿀 수 있는 것이 LED 이다. LED를 조명으로 활용 가능하게끔 원천적인 기술을 개발한 사람이 있는데 일본 니치아사의 나카무라 후지란 사람이 1933년에 파란색 LED를 개발했다. 물론 이전에도 빨간색이나 적외선 또는 녹색 LED는 있었는데 이런 것으로는 하얀색 조명을 만들 수는 없었다. 불가능하리라 봤던 분야에서 파란색 조명이 나오면서 이때부터 조명용 LED가 언급되기 시작했다. 그리고 점차 효율이 높아지면서 실외조명까지 많은 부분에서 LED가 잠식하고 있다. 그리고 향후 업계의 가장 큰 관심은 LCD TV나 LCD 모니터 분야의 LED가 될 것이다. LED BLU는 CCFL에 비해 많은 장점이 있다. LCD BLU가 우수한 점은 표현력이 뛰어나다는 것인데 단점이라면 기존 CCFL보다 전력을 많이 소모한다는 것이다. 그러나 최근 많이 개선되고 있고 로컬 빔이란 기술을 이용해 어두운 면은 LED를 가동해 어두운 색을 표현하는게 아니라 아예 꺼버려서 전력소모를 줄이는 기술이 있다. 프로젝터의 경우 지금까지는 DLP 프로젝션을 사용해 왔는데 LED가 장착된 프로젝터 기기들이 향후 많이 보급될 것이다. 그리고 자동차 산업에서도 LED가 많이 들어가는데 전조등이나 후미등, 안개등에 LED가 장착되기 시작했고 이외에도 실내등이나 방향지시등에 LED가 사용되기 때문에 자동차용 LED 시장을 크게 보고 있다. 그리고 일본의 사례로 농업분야 중 식물이 특정한 파장에 대해서 특정한 반응을 보이는 걸 밝혀냈다. 가령 빨간색의 경우 성장을 촉진시키고 녹색의 경우 잎이 가늘고 길게 나타내는 특징을 보이고 있으며 파란색의 경우 잎이 넓고 크게 되는 현상을 나타냈는데 이를 조합해 LED가 농업 분야에 많이 쓰일 것으로 예상된다. 가전에서도 사용될 수가 있는데 세균을 죽이는 LED 제작이 가능하므로 냉장고, 정수기, 신발장 등의 유해세균을 없애는데 사용될 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 그러나 현재로서는 효율이 높지 못하기 때문에 당장 실현하기는 어렵고 기술적 장벽을 넘는다면 상당한 시장성을 보일 것으로 예측된다.전환, 추출, 전기적 요소에 의해 효율 결정지금 현재의 시장을 살펴보면 역시 가장 많이 사용되는 분야가 휴대폰이다. 키패드나 LCD 화면의 사이드뷰 등에 사용되고 있는데 LED 전체 시장에서 가장 많은 부분을 차지하고 있다. 그리고 조명은 성장성이 아주 높은 분야이긴 하지만 아직까지 시장이 본격적으로 열린 상황은 아니다. LCD 백라이트 광원은 휴대폰 다음으로 포션을 많이 차지하고 있으며 노트북의 화면에서도 LED의 사용증가로 많은 부분을 차지하고 있다.다음으로 기술적 이슈들에서 LED는 화합물 반도체이다. 우리가 흔히 알고 있는 메모리나 기타 반도체들은 실리콘 반도체라 불리기 때문에 콤파운드 반도체란 것이 생소할 수 있지만 사실 알고보면 우리 생활과 관련이 깊다. 화합물반도체 중에서도 많이 쓰이는 것이 3족과 5족인데 주기율표에 의하면 3족은 알루미늄, 갈륨, 인듐이고 5족이 질소, 인, 비소 등이 있다. 이런 화합물로 LED나 레이저가 만들어지고 있다. 가장 주목을 받고 있는, 휴대폰에 들어가는 LED를 보면 갈륨나이트라이드란 물질을 이용해 만들고 있다. 그리고 빨간색보다 파장이 긴 장파 램프부터 적외선까지는 갈륨아사나이드를 이용해 만들고 있다. LED라는 것은 사실 언뜻 보면 단순하다. 복잡한 IC회로가 아닌 단순히 다이오드이다. 실리콘 반도체는 에너지가 빛으로 나오는 것이 아니고 열로 나온다. 그러나 일부 화합물 반도체는 에너지가 바뀔 때 빛으로 나온다. 그래서 특정 화합물 반도체는 특정한 파장을 일으킨다. LED 칩의 효율을 얘기할 때 벽플러그효율(Wall Plug Efficiency)을 많이 쓰는데 벽에 있는 플러그의 입력 대비 출력에서 빛의 양이 얼마나 되냐를 퍼센트로 나타낸 값으로 LED 칩의 효율을 나타내는 단위로 쓰인다. 이것은 전류가 얼마나 빛으로 전환되느냐의 효율과 빛 알갱이가 LED 칩 밖으로 얼마나 빠져나오느냐의 효율, 그리고 전기적 저항이나 전압이 얼마나 많이 걸릴 것이냐 세 가지 요소에 의해 결정된다.갈륨나이트라이드의 청색 LED를 보면 사파이어 웨이퍼를 쓰는데 이 웨이퍼를 만드는 것이 상당히 어렵다. 고가이면서 결함이 많기 때문에 LED에 본격적으로 사용되지 못하고 있다. 그래서 사파이어 웨이퍼 대신 다른 것을 사용한다. 그리고 밴드갭이 큰, 파장이 짧은 반도체일수록 도핑이 안 된다. 이런 문제들을 일본인 기술자가 어느 정도 해결했는데 여전히 남아있는 문제들은 에피택시에서 해결되어야 한다. 이 에피택시에서 웨이퍼제작시 갈륨나이트라이드를 안쓰고 사파이어 웨이퍼를 사용함으로 인해서 생기는 재료적인 문제를 해결해야 한다. 그리고 갈륨나이트라이드에서 가장 중요한 부분이 내부양자효율로 피에조일렉트릭 필드와 관련된 부분이다. 한편 최초로 블루 LED를 만든 나카무라 교수의 말을 들어보면 LED의 재료적, 물리적 문제를 해결하려면 무분극 기판을 채용해야만 위에 언급한 문제들을 해결할 수 있다고 주장하고 있다. 무분극 기판은 극성이 없다는 것인데 기판의 앞뒤를 비교해 봤을 때 질소와 갈륨이 골고루 섞여 있어 구분이 없다는 것을 말한다. 물리적 문제는 무분극 기판을 사용하면 해결이 되는데 재료적인 부분이 아직 해결이 되지 못하고 있다. 하지만 많은 연구 논문들이 나오고 있다. 만약 이것이 개발된다면 양자효율의 증가와 도핑의 용이성 등의 장점으로 많은 각광을 받을 것이다. 전자부품연구원에서는 무분극 웨이퍼에 대한 연구를 많이 하고 있다.다음으로 광 추출효율로 표면이 매끈하면 빛이 잘 빠져나가지 못한다. 이런 문제를 해결하기 위해 칩의 표면을 거칠게 만들어 빛이 잘 빠져나올 수 있게 한다.형광등 하나를 LED로 대체하기 위해서는 작은 칩을 사용할 경우 여러 개를 사용해야 하는데 이때 패키징 비용을 고려해야 한다. 가장 이상적인 경우는 칩 하나를 사용해서 형광등이나 백열등을 대체할 수 있으면 좋지만 그렇게 되기 위해서는 칩의 사이즈가 점차 커져야 한다. 그러나 칩이 커지면 빛이 밖으로 잘 빠져나오지 못하게 된다. 그래서 칩이 커지면서도 빛이 잘 빠져나올 수 있도록 사파이어 기판에 패턴을 새기고 표면을 주글주글하게 만들고 포토닉 크리스털 기술이 많이 적용될 수 있도록 개선시키고 있다. 이와 같이 큰 칩을 만들기 위한 다양한 시도들이 있다. 사파이어가 부도체기 때문에 전류를 아래위로 흘릴 수 없어 옆으로 흘리는 방법을 사용하는데 때문에 수직형 구조로 만들려 하고 있다. 그래서 사파이어 기판을 개발해 전류를 아래위로 흘릴 수 있게끔 대면적의 수직형 구조의 칩 기술이 개발되고 있고, 빛이 못 빠져나가는 문제를 해결하기 위해 플립칩 기술을 이용해 좀 더 큰 칩을 만들기 위한 노력들이 대두되고 있다.아직까지 근본적인 문제는, 많은 문제들이 있음에도 내부양자효율이 만족스럽지 못하다는 것이다. 그래서 내부양자효율을 높이기 위한 많은 노력들이 있어 왔다. LED는 특허와 관련해 이야기가 많이 나오고 있다. LED 업계에서 빅5 회사인 필립스에서 만든 루미레즈, 도요타 고세이, 니치아, 크리, 오스람 이렇게 5개 회사는 서로 크로스 라이선스가 되고 있다. 주요 특허로는 노란 형광체에 대한 특허를 니치아가 보유하고 있고 루미레즈는 칩의 구조나 패키지 등에서 주요 특허를 갖고 있다. LED 사업을 하기 위해서는 특허가 중요하다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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