[스크랩] 조명용 LED 전망

I. 서론

2003년1월27일유럽의회 심의 법령(2002/95/EC) RoHS(특정 유해 물질의 사용에 대한 규제)에 따라 6개 물질(수은, 납, 카드늄, 6
가 크롬, PBB, PBDE)의 사용 규제가 2006년 7월부터 조명기기를포함한 전기전자기기에 대해 실시될 예정이어서 앞으로 광원류는
이문제를 해결해야만 한다. 이를 해결하기 위한 대표적인 광원 중의하나가 LED(light emitting diode)라고 볼수있다.

 LED는 전기·전자·통신 분야의 신호용부터 광고용, 교통·손전등, 디스플레이 분야, 자동차의 브레이크등, 간판, 피난 유도등
(exit sign), 전광판 등 현재의 광범위한 용도로써 IT·BT·NT·ET·광산업 및반도체기술과 접목이 가능한 기술이다.
또한 無수은으로 환경 친화적이고, 초경량으로 전력절감이 탁월하여 기존의 대표적인 조명기기를 대체할 수있고 장수명·고신
뢰성으로 간단한 구동회로와 R/G/B 색상제어가 용이하므로 21세기 성장동력산업의 접목기술인 디지털 조명(digital lighting)을 특
징으로 한선도 기술과 디스플레이분야인 BLU(back light unit)로도자리매김할 것으로 예상된다.

 현재까지는 LED 자체의 높은 가격과 광속 및 조도가 적어 조명용으로서 실용화가 크게 부각되고 있지 않았으나 LED칩구조의 개
선 및 대량생산에 의한 원가의 절감으로 고출력 조명용 PowerLED가 개발되고 있다. 국가적 차원에서도 에너지절감이 절실히
필요한 실정에서 최근 LED를 사용한 반도체 광원(light source)개발이 크게 부각되고 있다.

 즉, 적색, 녹색, 청색, 노랑색, 백색 SMD(surface mounted device)형 조명용 HB LED(high brightness light emitting diode) 및 많
은 전류를 흘릴 수 있는 Power LED 개발에 따른 기존 조명기기의대체가 가능하고 앞으로 선도 조명기술로 자리매김할 것으로 생각
된다.국내·외에서 InGaN를 박막으로 한 고효율 UV LED가 상품화또는 개발 중에 있으며 백색 LED의 측정방법의 제시와 이에 대한
논의가 활발히 진행 중에 있다. 기존 수직 리드형 HB LED는 공급전류 20 mA의한계와 PCB상에서의 열에 의한 패키징의 한계로 방
열문제를 해결하여야만 하였다.

  그러나 점차 박막(InGaN, AlGaN, AlInGaN 등) 및저결함 GaN기판 성장 기술과 QD(양자점)형성 및 도핑 기술(GaN), Chip Design
및 Package 기술로서 양자 효율 증대와 내열 설계 기술 등의 기술이진보되어 HB 및Power LED의공급전류가 수십에서 수백 mA의
큰 전류를 흘릴 수 있는 초고휘도(ultra high brightness) LED가 개발되고 있다

 

 기판위에 청색 InGaN나380nm갖는 UV InGaN와360nm GaN LED의성장이 LED의고효율 및고연색화를 실현해가고 있는 것이다.
그림 1은1879년T. Edison이발명한 최초의 조명용 백열구를 시작으로 1990년대말 무전극 PLS(plasma lighting system) 및 LED램
프 개발을 연도별로 나타낸 것이고, 환경 친화적이고 무수은인 차세대 광원으로써 FFL(flat fluorescent lamp), OLED(organic light
emitting diode), CNT(carbon nano tube) 등을 나타낸 것이며, 그림2는기존광원과 LED와의 효율을 비교한 것이다.

 

 

 

 

II. LED업계의 동향

1. 국외
 LED의 세계 시장규모는 2,000억원인 국내 시장의 20배 정도로연 4조원의 규모이며, 미국과 일본 등 LED조명 선진국은 이미
1998년과 2002년부터 대형 국가 프로젝트로 개발을 하고 있으며LED의기술개발을 통한 세계시장 선점의 기회로 삼고 있다.
기존 조명시장 및 정보 디스플레이 산업의 활용이 예고되고 삶의 질적 향상을 통해 옥내·외 조명, 평판디스플레이 백라이트,

자동차 헤드라이트 등 산업 전반에 걸친 용도의 다양화로 에너지절약은 물론 고품위, 고출력, 고효율 LED조명의 수요 욕구 창출이

예견된다.

 미국은 에너지부(DOE)를 중심으로‘Next Generation LightingInitiative, Vision 2020’을2020년까지 18년간 기존의 형광등 효율의
약 3배인 200lm/W의 LED개발을 목표로 추진 중에 있으며 에너지위기에 대한 종합적인 대책의 하나로 국가 핵심주도 사업으로 수
행하고 있다.

 일본의 경우에는 통산성을 중심으로‘Light for the 21C’프로젝트를 1998년 착수, 2008년까지 10년간 형광등 효율의 약 2배인
120lm/W의 LED개발을 목표로 추진 중에 있으며, 이와 더불어2010년까지 조명용으로 사용되는 에너지의 20% 감소를 이루어
CO2의배출량을 1990년대 수준으로 내리는 목표를 병행 추진 중에있다.
1 990년대 초, 일본 니치아화학이 상업성을 갖춘 청색 발광소자(GaN계)를 세계 최초로 개발함으로써 LED에서 빛의 삼원색을 만
족시켰고, 청색 LED 및 백색 LED에 대해 일본 및 전 세계에 걸쳐500여건의 특허를 출원하였으며, 우리나라에도 청색 및 백색 LED
에관련하여 20여건의 핵심특허를 출원하였다.

 니치아화학의 LED발명의 일등 공신이라 할 수 있는 S. 나카무라박사는 재직시 직무발명에 대한 청색 LED 특허권의 정당한 대가로
200억엔(한화: 2,000억원)의 판결(2004년 1월 일본법원)로 LED 및 공학기술을 연구하는 공학도들의 마음을 술렁이게 한예도 있었다.
이밖에 대만의 기술개발은 조명용 LED광원 개발을 위해 2002년에 국가 핵심사업으로 지정하여 11개 社를 중심으로 2005년까지
일본을 추월하려는 야심찬 계획으로 추진 중에 있으며 캐나다는 LED의 개발보다는 LED를 응용한 기술개발로 TIR사를 중심으로
2001년부터 2004년까지 LED로 어레이한 제품류들을 프로젝트로 추진 중에 있다.

2. 국내
국내 개발동향으로는 삼성전기, LG이노텍 등을 비롯한 광전자,서울반도체, 럭스피아, 포트론, 에피밸리 등 30여개의 중소기업이
각종 LED를 생산하고 있으며, 국내시장은 2002년 기준 2,000억원규모로 연30%의고도성장을 보이고 있다.
최근 백색 LED분야의 활성화에 따라 지적 소유권과 관련해 연간 100여건의 특허 출원이 진행 중이며, 후 개발국인 대만과 우리
나라 기업들 중 선두업체들에 대한 특허권 침해소송 등의 특허공세가능성이 증대되고 있다.
한편, 경찰청 및국가 표준규격(KS)으로 LED를사용한 교통신호등 규격이 이미 제정된 바 있어 기존의 백열전구에서 LED로 제작
된 교통 신호등으로 이미 교체·사용 중에 있으며 앞으로 더욱 확대될 것으로 기대된다.

 

 

 

III. LED의응용기술 및특징

1. 응용기술
 일반 조명용으로서 개발된 백색 LED광원은 그 대상물에 광이조사되는 경우, 사람이 보아서 불쾌감이 없는 백색과 양호한 연색
성을 가지고 있을 필요가 있어 지금까지 고휘도 LED에 대한 광속,연색지수(CRI), 상관 색온도(CCT), CIE(국제조명위원회) 색도좌표
등에 대한 기본적인 광특성에 대한 기존의 광특성 제시로 조명용 LED광원으로서 등기구 제작이나 효율 및광도분포 등에 대한 분석
결과가 발표된 바있다. 따라서, 고효율화와 연색성은 LED 광원으로는 중요한 요소이며연색성은 백색 LED광원의 스펙트럼 파장으로부터 결정되기 때문에광원의 응용을 고려하여 만족하도록 설계하지 않으면 안된다.
CIE에서 결정된 연색평가지수는 일반적으로 Ra로 표시하며, 일반조명용의 전통적인 램프의 백색은 전구색과 주광색으로 구분되
어있다. 평균연색지수 Ra≥80은 실내조명용으로서 고품질 백색LED의 필요조건이며 Ra 95 이상은 도서관에서의 서적 편람이나
정밀가공 설계 등에 필요한 조명조건이다.

 LED를 사용하여 광효율 및 연색성이 높은 백색을 얻기 위해서는 두 가지 방식이 있는데, 하나는 단일칩형인 InGaN의 재료로서
청색 및UV LED를여기원으로 해서 발광하는 방식이며, 다른 하나는 멀티칩형으로 발광색별(InGaN, AlInGaP, AlGaAs) LED를 하나
의 패키지에 장착해서 발광하는 방식이다. GaN계 화합물 반도체의 UV LED 실용화로 백색 LED는 1996년부터 상용화되고 있다.
즉, 청색 LED에서 황색발광 형광체를 여기하는 방식과 자색·UVLED로 R/G/B 형광체를 여기하는 방식이다. 일반적인 백색 LED라
고 하면 InGaN계청색 LED와YAG(yttrium aluminum garnet)계 형광체의 조합을 말하며, InGaN MQW(multiple quantum well) 청색
LED를여기원으로 YAG형광체를 그위에 도포한 구조이다.
 

 현재는 LED 1개당 광속이 약하기 때문에 조명용 광원으로서는다수의 LED를 배열해야 되지만 형광물질(phosphor)의 조합으로
백색광 이외에도 여러 종류의 발광색을 내는 것이 가능하여 조명으로서의 응용범위가 넓어진다. UV LED와 R/G/B 형광체에 의한
백색 LED를 구현하는 방식은 UV 또는 보라색의 LED로 형광체를여기하여 백색을 나타내는 것이며 현재 여러 연구기관에서 연구되
고 있다. 이 방식의 장점은 형광체의 개발상황에 의존하지만 사용할 수 있는 형광체의 종류가 증가하고 고연색화를 기대할 수 있다
는점과 전류나 온도에 대해서 색의 바램이 저감된다는 것이다. 단점으로는 UV를 사용하기 때문에 패키지 등의 밀봉재료의 약화나
UV 누출광에 의한 눈에 대한 안정성이 문제가 된다.

 

 

일반적으로 형광체는 UV 쪽의 여기효율이 좋으나, 여기광원으로서 사용하는 InGaN계 LED의 광효율은 400nm이하로 급격하게
저하하거나 자외광을 가시광으로 down conversion하기 때문에stokes shift 등의 에너지 감소가 발생한다. 따라서, 현재는 400nm
근처의 여기광원을 사용하는 방식의 효율이 좋다.
단일 칩에 형광체를 접목시키는 기술은 최신기술로서 1995년도후반에 들어서 고휘도 청색 LED가일본 Nichia 社에서 상용화되면
서 청색 LED를 여기광원으로 사용하고 여기광을 노랑색(560nm)의 YAG계 형광물질을 통과시킴으로써 백색광을 구현하게 되었지
만 청색(450~470nm)과 노랑색과의 파장 간격이 넓어서 색 분리로인한 섬광효과(halo effect)를일으키기 쉽다는 단점이 있다.
HB LED의 광속, 가시광선 영역에서의 분광분포(spectral energydistribution) 측정 등을 위하여 소형 적분구(integrating sphere)를
사용하고, 비교 측정을 위한 표준 발광다이오드(reference LED)를사용한다. 실험 조건은 상온 25℃에서 하며, 실험을 위한 장비의
설치도 및광속 측정도를 나타내면 아래의 그림과 같다.

2. LED광원의 특징
ㅇ열손실이 작은 광원으로서 백열구에 비해 전력소비량이 매우 작아 에너지절약이 가능하며, 수명 및 유지보수 면에서도
  우수한 특징을 나타낸다.
ㅇLED를사용한 조명광원은 LED의조합으로 Full-Color 광원의색깔 구현
ㅇ기계적 강도가 우수하고, 저전력용으로서 항공장애등, 교통 및 철도 신호등에 사용되고 있으며, 조명용으로 공부방,

  거실, 무드등, 산업용, 보안등 등에 사용
ㅇ일체형(전원부, 램프부, 베이스부)으로 무게가 가볍기 때문에 운송비를 절감할 수 있으며, 제작설치가 간편하여 인건비

  절감효과 및환경보호측면에서도 폐기물이 감소되는 효과

 

 

 

 

IV. LED광원의 기대효과 및활용방안
1. 기대 효과
ㅇ조명산업, 광산업 및 반도체산업과 접목되는 고부가가치 산업창출
ㅇ무수은으로 환경 친화적, 장수명, 고신뢰성, 경량이며 전력절감이 탁월하여 기존의 조명기기의 대체 → LED광원 상용화로사업화 가능
ㅇ일반 조명용, 가로등이나 보안등 등용도의 다양화로 국가 에너지 절약

2. 활용 방안
ㅇ LED광원 개발기술은 세계적인 추세, 공부방, 거실, 무드등,산업용, 보안등에 우선 적용
ㅇ차세대 Digital 조명기술로 각종 LED광원 응용분야 기술개발 확대
- 옥내·외 조명, 일반 조명용(주택, 교실 등)
- 차량용, 디스플레이용, 태양전지를 이용한 다양한 응용제품 등산업 전반에 걸친 용도의 다양화로 에너지절약은 물론 고품위,
  고출력, 고효율 LED조명의 수요 욕구 창출
ㅇLED의R/G/B 조합 및디밍기능으로 감성조명에 활용

 

  

 

 

V. 결언
 최근에 개발된 국내 백색 LED의 광특성을 분석해 보면, 우선 응용면에서 MR형이나 베이스 타입 등의 형태로 제작하여 스탠드,

복도등, 비상유도등, 침실용 등의 용도에 사용 가능하다고 보며,R/G/B의 색상제어로 무대조명, 카지노 등의 경관조명용으로도

활용될 수 있다고 본다. 특히, 한전의 송전철탑용‘태양전지식 LED항공장애등’의 글로브(globe) 광출력 향상설계와 함께 저광도용
(7W/40 cd)으로 시도해 볼만한 가치가 있다고 생각된다.

 앞으로 조명용으로의 발전을 위해 조명용 광원개발을 위한 적극적인 정부 지원이 필요하다고 보며, 이에 조명기술전문연구기관
인 한국조명기술연구소가 주도해 기술개발 컨소시엄을 해당 전문가들로 구성·추진하여 미국, 일본, 대만 등의 기술을 추월해 21C
디지털조명이라고 일컫는 LED광원 기술개발로 세계시장을 선점해야 할것이다.
LED조명은 IT·BT·ET·光산업과 반도체기술이 접목되는 고부가가치 산업으로 조명·디스플레이 산업과 접목이 가능하므로
국가의 에너지절약 및환경친화 정책 기술임에 틀림없다

 

 -황명근 박사기고-

 

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