최근 정부는 녹색성장 정책의 일환으로 올해 안에 주요 공공부문의 백열전구를 LED(발광다이오드) 조명으로 교체시킴은 물론 2015년 까지 전체 조명의 30%를 LED로 바꾸겠다는 계획을 밝히는 등 LED 산업이 미래 신성장동력으로 주목받고 있다. 특히 LED는 수명이 길고 수은을 사용하지 않는 친환경적인 광원이라는 점에서 정부의 녹색성장 정책과 부합되는 최적의 아이템으로 인정받고 있다.
LED 산업이 차세대 육성산업으로 떠오름에 따라 이에 따른 관련 산업에 있어서도 큰 수혜가 예상되고 있다. 특히 LED 제조에 사용되는 산업용가스 관련업계에는 LED 산업의 성장이 더욱 반가울 수밖에 없다.
산업용가스 가운데 고순도 암모니아(NH3)를 비롯해 희귀가스라 불리는 크립톤(Kr), 네온(Ne), 크세논(Xe) 등은 LED 제조에 필수적인 요소이며 희귀가스 수요부문에 있어서도 절대적인 비중을 차지하고 있기 때문이다.
본지는 산업용가스 수요 분야인 LED제조와 산업 등을 살펴보고 관련 산업에 대한 현 주소와 향후 발전 가능성 및 시장동향에 대해 알아보고자 한다.
<편집자 주>
■ LED의 개념 및 분류
LED(Light-Emitting Diode)는 p-n접합 다이오드의 일종으로 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochro-matic light)이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체소자이다. 즉 순방향 전압 인가시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하면서 전도대(conduction band)와 가전대(valance band)의 높이차이(에너지 갭)에 해당하는 만큼의 에너지를 발산 하는데 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며 빛의 형태로 발산 되면 LED가 된다.
우선 LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 가시광선 LED, 적외선 LED, 자외선 LED로 구분된다. 가시광선 LED는 전체 LED 시장의 90~95%를 차지하고 있으며 적색, 녹색, 청색, 백색 LED 등이 있다. 적외선 LED는 리모콘, 적외선 통신(IrDA) 등에 사용되고 있으며 시장규모는 전체 LED시장의 5% 수준이다. 자외선 LED는 살균, 피부치료 등 생물, 보건분야에 사용되고 있으며, 시장규모는 2% 미만이다.
‘Light Emittion Diode’의 머리글자인 LED는 지난 1960년대 초 연구되기 시작해 60년대 후반부터 상용화가 이뤄졌다. LED는 등장하자마자 우수한 내진동성, 고신뢰성, 저전력 소모량 등의 뛰어난 특성을 바탕으로 주목받았다. 그러나 엄청난 가격 부담으로 인해 초기엔 우주선 내의 표시램프 등 극소수 분야에서만 사용됐다.
빨강, 녹색, 오렌지 등의 종류가 있고 최근에는 난관으로 여겨진 청색 다이오드(1993년)가 실용화 되며 적/청/녹의 삼원색이 모였다. 이것들의 조합으로 백색(1996년)을 포함한 여러 색깔의 빛을 만들 수 있으며 디스플레이를 비롯해 LCD 패널용 BLU(back light unit), 자동차, 휴대폰의 풀 컬러 표시장치나 조명, 광디스크 장치의 헤드 등 다양한 분야에 용도가 확대되고 있다.
특히 조명시장에서 LED는 고발광효율(최고 90%) 및 장수명을 특징으로 백열등, 형광등 등 기존 조명과 경쟁하고 있다.
현재 LED 광원의 수명은 최대 10만시간 정도로 산출되어지며 여기에 환경의 변화 및 물리적인 악조건을 감안하여도 통상 4만~5만 시간의 수명을 자랑한다. 이는 기존 전구의 수명인 1천~4천시간과 비교할 수 없을 정도의 긴 수명으로 조명 기기의 유지보수를 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다. 이같이 기존 광원에 비해 에너지 절감 효과가 뛰어나고 거의 반영구적으로 사용할 수 있는 차세대 광원 LED는 그동안 한계였던 휘도(밝기) 문제가 최근 크게 개선되면서 응용시장이 산업 전반으로 확산, 본격적인 LED 시대를 예고하고 있다.
이미 LED 조명은 유통업체, 사업장 및 공공부문에서 기존 조명을 교체하기 시작했으며 일반주택 및 사무실용으로도 이용이 확대되고 있다.
하지만 현재 백색 LED는 발광효율, 열 방출, 신뢰성 등의 기술 확보를 위해서는 아직도 해결해야 할 문제점을 내포하고 있다. 우선 일반적인 LED는 기본적으로 약 03×03㎟의 크기를 갖고 있으며 이에 따른 단위 칩 당 광속이 작고 제한이 있다. 따라서 높은 lumen을 낼 수 있는 LED의 대면적 및 고전류 구동할 수 있는 칩의 개발이 절실한 것이다. 이러한 상황과 맞물려 향후에는 백색 고출력 LED가 차세대 일반 조명기구로 사용되기 시작할 것으로 예상된다.
■ LED 제조공정
LED의 제조공정을 살펴보면 에피(Epi) 웨이퍼 제조 ➡ 칩 생산 ➡ 패키징 ➡ 모듈 등으로 진행된다.
기판
상용화된 LED 에피 웨이퍼는 Sapphire와 SiC 기판에서 성장하여 제작되나 광효율 향상 및 고출력화에 따른 방열 특성확보를 위해 새로운 기판 상 성장하는 방법이 활발하게 개발 중이다. 이러한 新기판은 Sapphire 및 SiC 기판 상 LED를 성장하는데 있어 현 LED Major 업체인 Nichia, Cree, Toyoda 등의 핵심 특허를 회피할 수 있는 해결책이 될 수 있다.
- GaN 기판 : Sapphire 및 SiC는 GaN 물질과의 이종 기판으로 성장시 격자상수 차이로 인한 결함을 최소화하기 위해 동종기판인 GaN 기판상 에피웨이퍼를 성장시킨다.
GaN 기판상 LED는 저결함 특성을 지닌 고품질 LED 성장이 가능 하나 고가로 인해 양산까지는 시간이 필요하며 2007년 3월 Matsushita는 GaN 기판을 이용한 업계 최고 수준인 255mW 청색 LED를 발표하였다.
- ZnO 기판 : GaN와 격자상수 차이가 비슷하고, 전기 전도성이 좋으며, Rohm 등 일본업계 중심으로 개발중이다. 2010년 이후 상용화를 목표로 하고 있다.
에피 웨이퍼 제조
기초 소재인 기판위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 유기 금속 화학 증착법) 장비를 이용하여 화합물 반도체를 성장시켜 에피 웨이퍼를 제조 하는 단계 이다. 에피 웨이퍼 제조 공정을 청색 LED를 예를 들어 설명하면 청색을 내는 반도체 재료로는 GaN가 있으며 Sapphire (Al2O3)나 SiC 기판 상에 N형 반도체(N-GaN)와 활성층(InGaN), P형 반도체(P-GaN)가 MOCVD로 차례로 증착 된다. 그 윗면에는 전압을 걸어 주기 위한 (+)전극이 형성되어 있으며 (-)전극은 절연체인 기판상에 형성될 수 없으므로 Dry 에칭방식으로 가장 위쪽에서 N-GaN의 일부분까지 식각 한 후, (-)전극(Ti/Al)을 형성한다.
칩생산
칩생산 공정은 전극을 형성하고 개별 칩으로 절단하는 단계이다. 중대형 LCD 백라이트 및 조명용으로 백색 LED 사용량이 급증할 것으로 예상된다. 그리고 고출력 LED 필요성이 증가함에 따라, 칩 사이즈도 대형화되고 있어 칩의 면적 증가는 광효율 및 생산이 저하된다.
패키징 및 모듈 공정
LED 산업의 중심축은 과거 Epi-chip 중심이었으나 패키징 및 모듈 중심으로 이동하고 있다. 패키징 공정은 제조된 칩과 리드(lead)를 연결하고 빛이 최대한 외부로 방출되도록 패키징하는 단계이며 모듈 공정은 패키징이 완료된 LED를 이용하여 일정한 프레임에 LED를 부착시키는 단계이다.
모바일 및 전자기기는 인가 전류가 20mA 정도로 저전류를 사용하나 조명용 및 중대형 백라이트용 LED는 100 mA 이상의 고전류를 사용함에 따라 고신뢰성 및 방열 특성확보가 중요하다. 최근에는 다수의 chip을 Ceramic-Metal PCB에 탑재한 멀티 패키징도 등장했다.
형광체
백색 LED 구현은 청색 LED에 황색 형광체를 사용하며 형광체에 따라 업체별로 특허를 보유하고 있어 백색 LED 제조를 위해서는 형광체에 대한 license를 확보해야 한다.
과거 Nichia(일), Osram(독) 등 Major 업체 중심으로 형광체 특허를 보유하고 사용했지만 최근 중소 형광체 개발 업체들의 등장으로 백색 LED 공급 업체가 확대되고 있다.
■ LED의 특징
LED는 기존 단순표시 조명에서 벗어나 일반 광원으로까지 그 영역을 확장하고 있으며, 최근 급격한 성능향상과 가격 하락으로 인해 적용범위는 더욱 빠르게 확산될 것으로 예상되고 있다.
또한 기존의 기타 광원들이 갖는 한계를 뛰어넘는 많은 장점들을 지니고 있어 기존 광원들을 대체하며 모든 광원이 LED로 바뀌게 될 가능성까지 거론되고 있다.
특히 최근의 고유가와 에너지 고갈문제를 해결할 저효율 광원으로서 주목받고 있으며 기후변화협약에 따른 저탄소시대에 적합한 광원으로 인식되어 미래 성장산업으로 각국의 주목을 받고 있는 실정이다.
게다가 LED는 기존 광원이 갖지 못했던 점광원, 단색 광원으로써의 특징을 지니고 있어 새로운 구조와 모양을 갖는 조명 기기의 개발과 응용이 가능하고 또 자유로운 색 혼합에 의한 색상조절 특성을 이용한 감성 조명 분야 또한 새롭게 등장할 수 있을 것으로 기대된다.
뿐만 아니라 바이오 영역에도 진출하여 식물 생장에 꼭 필요한 적절한 광을 내뿜는 광원으로서도 작용 가능하고 곰팡이 등 유해 생물을 억제하는 등의 역할도 가능하기 때문에 새로운 어플리케이션시장이 열릴 수 있는 등 수많은 가능성을 지니고 있다.
■ 국내 LED 산업 시장 규모
지난해 국내 LED시장 규모는 약 2조5천억원을 기록했다.
한국광기술원의 조사에 따르면 지난해 LED 시장은...
