LED 기술의 진화와 응용분야
LED 기술의 진화와 응용분야
  • 최호 기자
  • 승인 2009.05.19 17:55
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LED칩 가격경쟁력이 곧 원가 경쟁력 직결

빛을 방출하는 저전력 발광소자로 떠오르는 LED

LED(Light Emitting Diode)는 발광 다이오드를 가리키며 화합물 반도체 특성을 이용하여 전기신호를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호 송수신에 사용되는 반도체의 일종이다.

LED는 소자 비용이 상대적으로 비싸지만 수명이 길고 소비전력이 낮아서 적은 유지비용으로 사용이 가능하여 차세대 광원으로 불리기도 한다.

LED는 30년 이상 다양한 산업 분야에 사용되어 왔지만, 이중, 청색 LED는 백색가전 및 휴대폰의 키패드용 발광에 쓰이고 있으며, 백색LED는 휴대폰의 액정부터 노트북, Display용 BLU(Backlight Unit)로 사용되고 있다.

특히, 1997년 단일칩 백색 LED를 개발한 이후 급속한 성장을 하고 있으며 2000년 이후로는 LED의 효율과 출력이 빠르게 증가하면서 TV용 LCD BLU, 자동차, 전광판, 조명 분야 등으로 응용 분야가 확대되고 있다.

LED의 장·단점- 긴수명 vs 낮은 수율

이렇게 LED가 주목 받고 있는 이유는 기존 조명에 비해 소비전력이 낮고, 수명은 5배 이상이기 때문이다. 또한 수은을 사용하지 않아 환경 친화적이며, 소형·슬림화가 가능하다. 또한, 직류전원의 구동으로 제조하기가 간단하기 때문이다. 그러나 60%정도의 낮은 칩수율과 높은 재료비로 인한 고가 부담은 대중화의 걸림돌로 작용하고 있다.

휴대폰·자동차·조명용까지 확대되고 있는 LED 시장

LED는 용도별로 ▲Top View ▲Side View ▲Chip ▲Lamp ▲Power 등 크게 5가지로 구분된다.

 LED 초기 양산제품은 Chip LED가 대부분이었으나 근래 들어 조명용이 부각되면서 Top View LED와 Power LED의 비중이 커지고 있다.

Top View LED는 빛이 위로 발광하는 특성을 가지고 있으며 조명용에서부터 자동차에까지 다양한 응용분야에 적용되고 있다.

특히, 다양한 색상과 사이즈로 응용분야 확대에 따른 맞춤 솔루션이 가능하다. Chip LED 대비 휘도가 높아서 카메라 플래시, 자동차 실외등, TV, 노트북 PC 등 디스플레이용 BLU 등으로 사용 영역을 넓히고 있다.

Side View LED는 1.0t부터 0.4t까지 두께가 얇은 슬림한 저전력 모바일용 제품에 탑재가 된다. 대부분 휴대폰 액정용의 BLU로 장착이 되는데 본격적인 LED 시장의 선구자 역할을 한 제품이다.

2000년대 초반 컬러액정 휴대폰이 대량 생산되면서 급격한 성장을 했으나, 현재는 성장이 정체되어 수익성 하락이 불가피한 상태이다.

Chip LED는 주로 휴대폰의 키패드용 광원으로 사용되는데 최근에는 가전기기 및 스위치용 광원과 같은 분야에까지 확대되고 있다.

특히 초슬림 Chip LED(0.17t)는 소형 사이즈의 제품에 적합한 제품으로 판매가 확대되고 있다. Lamp LED는 고휘도 제품으로 10만 시간 이상의 신뢰성이 돋보이는 제품이다. 이러한 효과로 교통신호등, 옥외용 간판, 경기장의 전광판 등에 많이 쓰인다. 주로 실외에서 응용제품 적용에 매우 적합하다.

Power LED는 휘도가 150mA부터 1A까지 높은 LED로서 조명, 자동차 광원으로 사용된다. 소비전력이 적고 수명이 거의 반영구적이어서 주로 조명용 광원으로 쓰인다.

LED 제조공정 - 에피 웨이퍼· 칩생산 · 패키징

LED의 제조공정은 에피(Epi)웨이퍼 제조, 칩생산, 패키징, 모듈 등으로 진행된다. 에피웨이퍼는 기초소재인 단결정의 웨이퍼에 단결정 박막을 성장시킨 것이다.

두 번째 공정인 칩생산 공정은 전극을 형성하고 개별 칩으로 절단하는 단계이다. 이후 패키징 공정을 거치게 되는데 제조된 칩과 Lead를 연결하고 빛이 최대한 외부로 방출되도록 패키징한다.

마지막 공정인 모듈공정에서는 패키징이 완료된 LED를 이용하여 일정한 프레임에 LED를 부착시킨다.

원재료비에서 칩의 비중이 높은 LED

LED 원재료에서 칩이 원가를 차지하는 비율은 약 70%를 차지하며, TV용 LED BLU에서 칩이 차지하는 원가 비중은 50%에 가깝다.

따라서 LED칩의 가격경쟁력은 원가 경쟁력으로 직결된다.

이러한 이유로 칩의 부가가치가 아직까지 패키지 등 타부문 대비 월등히 높은 것이다.

일본의 니치아, 미국의 크리 등 칩제조 전문업체의 영업이익률은 일반적으로 30~40%에 이르고 있으나, 패키징은 선도업체들 조차영업이익률은 10~20% 정도로 칩 부문 대비 낮은 편이다.

LED 소자 산업, 2015년경 5조원대 시장으로 성장

LED소자 산업은 공정 기술별로 부품소재, 에피·칩공정(FAB), 패키징 등 크게 3가지 공정으로 나눌수 있다.
국내 산업을 살펴보면 2007년 기준 부품소재 203억원(5%), 에피·칩공정 1270억원(32%), 패키징공정 2540억원으로 총 4013억원(63%) 시장을 이루고 있으며 2015년에는 5조 시장으로 급성장할 것으로 예상된다.

LED소자의 마지막 공정단계인 패키징공정에 많은 기업들이 뛰어 들고 있으며, 이는 LED조명 등 응용제품으로 매출을 연결하기 쉽기 때문으로 판단된다.

현재 우리나라는 부품소재 및 초기 공정에 대한 기술이 일본, 미국 등 선진국에 비해 뒤지는 상대로 기초 소재 개발 및 공정기술 개발에 지속적인 투자가 요구된다.


급속히 확대되고 있는 국내 LED 응용산업

LED산업은 조명을 필요로 하는 휴대폰, LCD 등 거의 모든 산업을 후방 산업으로 하고 있으며, 2005년 이후 휴대폰 BLU가 약 1.5조원 수준으로 가장 큰 시장을 형성하고 있다.

그러나 앞으로는 휴대폰 BLU시장은 감소하고 LED조명 분야, LED BLU의 성장이 가장 두드러질 것으로 보인다. 현재 백열전구 퇴출방침과 맞물려 LED 조명시장의 성장이 전망되며 TV, 노트북 PC의 급속한 LED BLU채용으로 디스플레이 시장으로의 확대가 예상된다.

특히, LED조명은 최근 보급되기 시작했지만, 2015년경에는 일반조명을 약 30%(국내 시장규모 약 3.8조원)까지 대체할 것으로 보인다. 만일 2015년까지 일반조명 30%를 LED조명으로 교체된다면 16TWh의 전력을 절감할 수 있고, 이산화탄소 배출은 약 680만톤 저감할 수 있어 정부 차원의 그린에너지에 대한 정책육성은 급물살을 탈 것으로 보여진다.

특허이슈를 발생하게 하는 청색 LED칩과 형광체

현재 LED 제조의 특허에 있어서는 백색 LED가 중요하다. 주요 원인은 광원으로서의 가치는 백색 LED에 의해 만들어지기 때문이다.

이와 관련, 백색 LED의 제조에 필요한 청색 LED칩 및 형광체의 기술 선점이 가장 중요하다. 특히, 백색 LED는 청색 LED칩 위에 황색 형광체를 도포하여 만들어지며, 청색 LED칩과 형광체는 백색 LED 제조의 원천이 되기 때문에 백색 LED 관련 특허에 있어서 없어서는 안 될 요소이다.

청색 LED칩은 세계 5대 메이커인 미국 크리, 일본 니치아, 도요다교세이(TG), 네덜란드 필립스 루미레즈, 독일 오슬람이 원천특허를 보유하고 있으며 CL(Cross License)을 상호 공유하고 있다.

최근에는 서울반도체와 니치아, 삼성LED와 도요다교세이(TG)가 각각 CL을 체결하여 특허를 공유하게 되었다. 2010년 이후에는 청색 LED 관련 일부 원천특허가 만료되기 때문에 국내 업체들에게 백색 LED 제조에 있어서 많은 제약이 풀릴 것으로 전망된다.

청색 LED의 위에 도포되는 형광체는 여러 가지가 있는데 대표적이며 일반적으로 널리 사용되는 YAG(Yttrium, Aluminum, Garnet), TAG(Terbium, Aluminum, Garnet), 실리케이트(Si) 등이 있다.

YAG는 일본 니치아가 개발한 제품으로 타사 제품 대비 효율성이 뛰어나나 자사 물량 외에는 외판이 제한되어있다.

유일하게 자국패키징 메이커인 Citizen에만 YAG의 사용이 가능한 것으로 알려져 있다. TAG는 3개 제품 중 효율성이 가장 낮은 것으로 알려져 있다.

국내에서는 삼성전기에서 라이센스 구매를 통해 휴대폰 BLU용 백색 LED에 사용되는 형광체에 일부 사용되고 있다. 실리케이트는 일본 도요다교세이, 미국 인터메틱스가 제조 기술에 관한 특허를 보유중이다.

특히, 도요다 교세이는 독일의 리텍, LWB 그룹, 오스트리아 트리도닉과 공동특허를 출원했다.

국내에서는 LG이노텍, 서울반도체, 루미마이크로, 알티반도체 등이 도요다교세이의 제품을 쓰고 있고 인터메틱스 제품은 삼성전기, 우리LED, 이츠웰, 엔하이테크 등이 구매하고 있다.

 

 



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