LED

[LED 백과사전] ① LED란?

전류를 가하면 發光화합물따라 색 달라

LED(Light Emitting Diode)는 우리 말로 `발광다이오드`라고 표기한다. 전류를 가하면 빛을 내는 반도체 소자라고 이해하면 쉽다.  LED의 소재가 되는 물질로는 갈륨비소(GaAs) 갈륨인(GaP) 갈륨비소인(GaAsP) 갈륨질소(GaN) 등이 있다.  어떤 화합물을 주로 쓰느냐에 따라 빛의 색깔도 달라진다. LED가 빛을 낼 수 있는 것은 양(+)과 음(-)의 전기적 성질을 지닌 2개 이상 화합물로 구성돼 있기 때문.  처음엔 적색 LED로 시작해 1990년대 이후 청색과 백색 LED가 상용화되면서 본격적으로 시장이 열리게 됐다. 자연광에 가장 가까운 백색 LED는 현재 전 세계 5대 메이커 중 하나인 일본 니치아가 최초 개발했다.  백색 LED는 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색 LED를 조합해 만들 수도 있지만 주로 청색 LED에 황색 형광체를 도포하는 방식으로 만든다.  청색 LED가 백색가전이나 휴대폰 키패드에 한정적으로 쓰였다면 백색 LED의 적용 영역은 그야말로 무궁무진하다.  휴대폰 액정부터 노트북ㆍTVㆍ모니터용 백라이트유닛(BLU), 전광판, 신호등, 자동차, 조명 등 `빛`이 필요한 곳이라면 어디든 LED가 사용된다. 이에 따라 LED는 전 세계 조명시장의 헤게모니를 장악하기 시작했다.  한편 LED를 대체할 조명으로 유기발광다이오드(OLED)에 대한 연구도 진행 중이지만 아직은 가격이나 수율이 본격 양산 수준까지는 도달하지 못한 상태로 평가된다.  [신헌철 기자]

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[LED 백과사전] ② 제조공정

웨이퍼→칩생산 핵심과정

LED는 어떻게 만들까.  LED 제조공정은 크게 △에피(Epi) 웨이퍼 제조 △칩 생산 △패키징 △모듈화 등으로 진행된다.  먼저 에피 웨이퍼 공정은 기초소재인 웨이퍼 위에 유기금속화학증착법(MOCVD) 장비를 이용해 화합물 반도체를 성장시키는 작업이다.  기술력에 따라 수율 차이가 나는 공정이다.  칩 공정은 에피 웨이퍼에 전극을 만들고 개별 칩으로 절단하는 단계다. 패키징은 LED칩을 기판 전극과 연결하고 형광체와 함께 밀봉하는 공정을 가리킨다.  LED칩은 청색, 적색 등 단일 파장이기 때문에 패키징을 할 때 형광체를 첨가해 백색LED로 만들게 된다. 마지막 모듈 공정에서는 패키징된 LED를 일정한 프레임에 부착해 응용제품으로 만들게 된다.  LED 원가에서 칩이 차지하는 비중은 70%에 이른다. TV용 LED 백라이트유닛(BLU)에서도 LED칩이 원가 중 50%를 차지한다. 따라서 칩을 생산하는 업체가 그만큼 영업이익률도 높다는 얘기다.  현재 일본 니치아, 미국 크리 등 칩 제조업체 영업이익률은 30~40%에 달하지만 패키징 업체들은 선두업체라도 20% 안팎에 그치고 있다. 공정별로 보면 앞단계일수록 자금이 많이 소요되고 기술장벽도 높다.  에피 웨이퍼 제조나 칩 생산을 하는 국내 업체가 많지 않은 이유다. 패키징 이후 단계는 사실상 진입장벽이 매우 낮다.  현재 삼성LED가 국내에서 가장 많은 MOCVD 장비를 보유하고 있고 LG이노텍도 에피 웨이퍼를 만들고 있다.  이 밖에 몇몇 업체가 관련 라인을 갖고 있지만 생산량이 그리 많지 않다.  패키징 이후 단계에는 수많은 업체들이 몰려 있다. 서울반도체, 루멘스 등이 패키징 선두업체로 꼽힌다.  글로벌 빅5로 불리는 일본 니치아, 독일 오스람, 미국 크리, 네덜란드 필립스 루미레즈, 일본 도요타고세이 등은 전 공정을 아우르는 수직계열화에 성공한 상태다.  [신헌철 기자]

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[LED 백과사전] ③ LED조명 장ㆍ단점

수명은 5배 길지만 아직까진 값 비싸

LED 최대 장점은 형광등에 비해 전력 소모가 절반 이하로 낮고 수명은 5배 이상 길다는 점이다.  상업용 LED 전력효율은 2002년 30㏐/W(루멘/와트ㆍ밝기를 소비전력으로 나눈 값)에서 지난해 100㏐/W로 크게 개선됐다. 수명도 꾸준히 증가해 지금은 통상 5만시간(5.7년)에 달한다. 기존 선형 형광등에 비해 2배 이상이고 백열등보다는 50배나 길다. 2010년이면 수명 7만시간, 전력효율은 140㏐/W짜리 상용 제품이 출시될 전망이다.  LED는 빛의 `지향성`도 뛰어나다. 원치 않는 방향으로 빛이 산란되는 정도가 기존 광원에 비해 낮다는 얘기다. 그 덕분에 조명효율이 네온등이나 형광등이 40% 수준이라면 LED는 80%까지 높아졌다. 의료기기나 실험기기 조명으로는 최적 조건이다.  백열등과 형광등에 비해 내구성이 좋고 유지보수 비용도 적게 든다. LED칩은 보통 에폭시 플라스틱 수지로 포장되기 때문에 유리관보다 당연히 내구성에서 앞선다. 형광등이나 네온등과 달리 수은을 사용하지 않기 때문에 환경친화적이기도 하다.  소형화가 가능한 점도 산업적 측면에서 주목된다. 칩 하나가 0.3~1㎜밖에 안 되기 때문에 아주 작은 제품에도 얼마든지 채택될 수 있다. 요즘 나오는 LED TV 두께가 기존 LCD TV보다 훨씬 얇아진 것도 LED칩이 작기 때문이다.  그러나 단점도 있다. LED칩 수율이 60% 수준으로 아직 낮고 높은 재료비로 인해 상대적으로 가격이 비싸다는 점이 꼽힌다. 조명용 LED를 기준으로 형광등이 3000원 수준이라고 보면 LED 조명은 3만원에서 비싸게는 30만원에 이른다.  [신헌철 기자]

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[LED 백과사전] ④ 시장규모

해마다 평균 37% 성장…2012년에는 17조 예상

LED 시장만큼 빠르게 성장하는 산업도 드물다. 굿모닝신한증권에 따르면 전 세계 LED 시장은 올해 6조8000억원 규모에서 2012년에는 17조3000억원으로 연평균 37% 성장할 전망이다. 지금까지 LED 시장은 휴대폰 키패드나 카메라 플래시 등에 장착되는 LED를 중심으로 성장해왔다.  하지만 휴대폰 시장은 점차 둔화되는 분위기다. 고사양 휴대폰은 이미 `제논` 광원으로 대체가 이뤄지고 있고 자체 발광이 가능한 능동형 유기발광다이오드(AM OLED)가 LCD패널을 대체하게 되면 별도 광원이 필요치 않게 된다.  또 최근 풀터치스크린 휴대폰이 급속도로 증가하면서 키패드용 LED 시장도 줄어들고 있다. 따라서 휴대폰용 LED 시장은 이미 성숙기에 도달했다는 평가다. 이에 비해 PMP, 내비게이션, MP3플레이어 등 소형 모바일기기용 LED 시장은 2012년까지 연평균 30%대 성장이 예상된다.  특히 올해부터 3~4년간은 노트북과 TV에 채택되는 LED가 성장을 주도할 전망이다.  디스플레이용 LED는 2012년 전체 LED 시장의 약 44%를 차지할 정도로 향후 성장을 주도할 것으로 예상된다. 이미 지난해 전체 노트북 가운데 약 13%가 LED를 탑재했다. 내년에는 50% 이상, 2012년이면 80%까지 급속히 확대될 것으로 전망되고 있다.  TV용 LED는 채택률은 더디게 증가하더라도 TV 한 대에 들어가는 LED 숫자가 많고 단가도 높기 때문에 시장 파이를 키우는 데 상당한 기여를 할 전망이다.  이에 비해 조명용 LED 시장은 갈 길이 멀다. 지난해 시장 규모는 7억달러 정도로 전체 조명시장의 3.5%를 차지하는 데 그쳤다.  그러나 LED는 반도체와 마찬가지로 시간이 흐를수록 가격이 하락하고 효율은 높아지고 있어 몇 년 안에 본격적으로 시장이 열릴 것으로 보인다. 조명용 LED 시장은 올해부터 연평균 58% 성장해 2012년이면 5조4000억원 규모가 될 것이란 긍정적 전망도 나온다.  자동차용 LED도 그동안 인테리어 부분에 주로 채택돼 왔으나 최근 브레이크등이나 방향지시등에도 채택률이 점차 높아지고 있다.  [신헌철 기자]

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[LED 백과사전] ⑤ LED특허

세계 원천기술 특허, 빅5가 대부분 선점

국내 기업들도 LED 시장에 잇따라 뛰어들고 있지만 사실상 원천기술은 외국 선두업체들이 장악하고 있다. LED시장을 선점한 니치아, 크리, 오스람, 필립스 루미레즈, 도요타고세이 등 `빅5`는 교차 라이선스 체결로 촘촘한 `특허 그물망`을 만들어 놓았다.  2002년까지는 주요 업체들이 첨예하게 대립했지만 이후 교차 라이선스를 통해 기술을 공유하기 시작했다.  LED 특허는 크게 청색 LED칩 구조와 백색광을 내는 형광체 기술로 나뉜다. 청색 LED칩 특허는 2010년 이후 일부 중요 특허의 효력기한이 만료되지만 청색 LED를 백색 LED로 바꿀 때 사용되는 형광체 기술은 2015년 이후에야 특허 만료시기가 도래한다. 후발업체들이 패키징 단계에 주로 뛰어들고 있기 때문에 그만큼 특허분쟁 소지도 많다.  청색 LED 위에 도포되는 형광체에는 YAG, TAG, 실리케이트 등이 있다. YAG는 일본 니치아가 개발한 것으로 가장 효율성이 높지만 자국 업체 외에는 사용권한을 주지 않고 있다. 국내 업체들은 주로 실리케이트 원천 특허를 보유한 도요타고세이나 미국 인터메틱스 등에서 형광체를 수입해 사용하는 처지다.  특허 분쟁 위험을 피하기 위해선 원천 특허업체와 교차 라이선스를 체결하는 것이 가장 빠른 방법이다. 국내 업체 중에선 최근 서울반도체가 니치아와, 삼성LED는 도요타고세이 등과 교차 라이선스 계약을 맺었다. 특히 필립스 루미레즈를 제외한 빅4와 특허관계를 형성하고 있어 서울반도체는 특허문제에서는 비교적 자유롭다.  이와 함께 차세대 LED 원천기술 연구개발 때 국내 기업 간 공동투자가 필요한 상황이다.  LED 장비 역시 지금은 독일 엑시트론과 미국 비코 등 두 곳이 사실상 독점하고 있다. 특히 독일 엑시트론은 전 세계 유기금속화학증착기(MOCVD) 시장 중 70%를 차지하고 있다. 늦게나마 국내 반도체 장비업체들도 관련 시장에 진출하고 있어 어느 정도 성과를 낼지 주목된다.  [신헌철 기자]

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[LED 백과사전] ⑥ LED 육성책

백열전구 퇴출하자…세계각국 한목소리

LED 시장이 급성장할 것으로 예상되는 데는 각국 정부의 다양한 지원책이 큰 몫을 하고 있다.  주요 국가들은 친환경 정책 연장선에서 LED 사용을 권장하기도 하지만 신산업 육성이라는 측면에도 주목하고 있다.  먼저 미국은 일명 `차세대 조명 주도권(Next Generation Lighting Initiative)` 정책을 통해 2020년까지 발광효율 200lm/W급 LED 개발을 선언했다. 향후 전 세계 조명시장을 50% 차지하겠다는 야심찬 목표다. lm/W은 밝기 단위(와트당 루멘)로 주위에서 많이 보는 형광등이 80lm/W으로 밝은 편이며 할로겐등 15~30lm/W, 백열등 10lm/W 순이다.  이에 따라 미국은 2012년 밝기가 떨어지는 100W급 백열전구 판매를 금지하고 2014년에는 모든 백열전구를 퇴출시키기로 했다. LED 강국인 일본 역시 지난해 6월 백열전구 생산중단을 선언하면서 120lm/W 광원 개발로 2010년까지 조명에너지를 20% 줄이겠다는 정책 목표를 밝혔다.  필립스 오스람 등 조명업계 거인들을 보유한 유럽도 분주하다. EU 소속 27개국은 2012년 백열등 사용금지에 합의했다.  한국도 녹색뉴딜에 LED산업을 포함시켰다. 우선 공공 부문을 중심으로 기존 조명을 LED로 교체하는 데 총 1조3000억원을 투입할 예정이다. 이를 통해 2012년까지 공공시설 조명 20%를 LED로 교체한다. 한국에서 백열전구가 퇴출되는 시기는 2013년으로 예정돼 있다.  다만 LED 시장 확대를 위해선 표준화 작업에 더 속도를 내야 한다. 표준화된 테스트 기관을 만들고 LED 조명에 대한 표준과 관련 법률도 서둘러 정비해야 한다는 지적이 많다.  [신헌철 기자]

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[이젠 LED시대] 후발주자 한국은 점유 10%에 그쳐

니치아ㆍ오스람ㆍ필립스, 루미레즈 시장 40% 점유 글로벌 빅5중 2곳 日업체…유럽계 조명기업들도 약진

한국도 대기업들이 속속 LED 산업에 뛰어들면서 차세대 성장동력으로 주목을 받고 있지만 아직 전 세계 LED 시장은 외국 기업들의 독무대라고 해도 과언이 아니다.  산업 특성상 누가 원천기술을 먼저 획득하고 제품 양산을 위한 공정 효율화를 이뤄냈는지가 관건이기 때문이다.  현재는 일본 기업들이 상위권에 포진해 있지만 필립스나 오스람 등 유럽계 조명기업들이 약진하고 있는 점도 주목된다.  시장조사기관인 `스트레티지 언리미티드`에 따르면 글로벌 LED 시장은 일본 니치아, 독일 오스람 옵토, 네덜란드계 미국회사인 필립스 루미레즈, 일본 스탠리, 일본 시티즌 등 상위 다섯 업체가 2007년도 매출기준으로 세계 시장 중 절반가량을 차지한다.  특히 니치아(21%), 오스람(11.1%), 필립스 루미레즈(6.5%) 등 3사가 전체 시장 중 40%를 점유하고 있다. 이들 세 업체는 LED 원천특허 기업인 미국 크리, 일본 도요타고세이와 함께 흔히 `빅 5`로 불린다.  LED업계 1위인 니치아는 1956년 설립된 세계 최대 LED 메이커다. 형광물질 제조를 전문으로 하는 화학회사로 시작해 1993년 청색 LED를 세계 최초로 개발하면서 LED 사업을 본격화하기 시작했다. 이후 1996년 청색 LED와 황색 형광체를 이용해 현재 대중적으로 사용되고 있는 LED 형태인 백색 LED 개발에 성공했다.  형광체를 비롯해 LED 분야 원천 특허를 기반으로 전 세계 LED 업체들에 특허 공세를 펼쳐왔으나 최근엔 경쟁업체와 협력을 강화하고 있다. 대만 옵토테크에 칩 공급을 늘려주는 대신 옵토테크가 니치아가 만든 칩을 패키징 업체에 판매하는 형식으로 협력을 대폭 강화했다. 또 지난해 11월에는 일본 샤프와 교차 라이선스를 체결하고 시장 확대에 나섰다.  필립스 마스터 LED. 니치아는 그동안 모바일용 LED에 주력해 왔으나 최근에는 백라이트(BLU), 조명, 자동차 등으로 사업영역을 확대하고 있다.  독일 조명기업인 오스람 계열 오스람 옵토는 1999년 오스람과 지멘스가 공동 설립한 후 2001년 오스람이 지분을 인수한 업체다.  오스람 옵토는 자동차용 LED 시장에서 1위를 유지하고 있다. 일본 니치아와는 달리 타 업계와 특허 라이선스를 적극 추진하는 공개적인 특허전략을 펼쳐왔다.  업계 3위인 필립스 루미레즈는 1968년 HP의 한 부서에서 LED 조명 개발을 시작하면서 만들어진 회사다. 2005년 네덜란드 필립스가 지분 전량을 인수하면서 필립스 계열사로 편입됐다. 세계 조명 시장 1위인 필립스와의 시너지 효과로 LED 조명시장을 선도할 것으로 예상되는 기업이다.  LG디스플레이와 중장기 구매제약 체결로 국내에 알려진 미국 LED업체 크리는 LED 칩 전문업체다.  원천 특허를 상당수 보유하고 있어 점유율은 높지 않지만 업계 강자로 인정받고 있다. 순이익 중 절반가량을 로열티 수입에서 거두고 있는 업체다. 2007년에는 홍콩계 LED패키징 전문업체를 인수해 패키징 분야로 사업영역을 넓혔다.  도요타고세이는 도요타 계열의 LED칩 회사로 3대 형광체 중 하나인 실리케이트 원천기술을 보유하고 있다. 1995년 청색 LED로 LED사업을 개시했으며 1997년에는 녹색 LED로 사업영역을 확대했다.  이처럼 LED시장은 정상급 LED 생산업체들이 특허를 공유하며 진입장벽을 높이고 있어 후발 생산자들이 영역을 확장하기 매우 힘든 구조다. 이 때문에 글로벌 LED시장에서 한국이 차지하는 비중은 10% 수준에 그치고 있다.  [이새봄 기자]

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[이젠 LED시대] 국내 中企도 뛴다

서울반도체ㆍ루멘스ㆍ금호전기…

금호전기 형광타입 제품. 삼성과 LG라는 대기업 틈바구니에서 중소기업들도 나름대로 입지를 구축하기 위해 애를 쓰고 있다.  국내 LED 관련 중소기업 가운데 선두업체로는 서울반도체가 꼽힌다. 서울반도체는 패키징 전문 회사지만 자회사인 서울옵토디바이스(SOD)를 통해 칩 사업에도 뛰어들었다.  창업 10년 만인 2002년 처음 매출액 1000억원을 돌파했고, 지난해 매출액 2841억원을 기록하는 등 꾸준히 성장하고 있다. 지난해 비록 영업적자를 봤지만 올해는 매출액 3400억원, 영업이익률 8%를 목표로 하고 있다. 서울반도체 최대 장점은 글로벌 업체들과 탄탄한 교차 라이선스망을 구축하고 있다는 것이다. 빅5 가운데 필립스 루미레즈를 제외한 4개 업체와 라이선스를 체결해 놓은 상태다.  특히 최근 글로벌 1위 LED업체인 일본 니치아와 특허 분쟁을 끝내고 라이선스를 체결해 리스크를 제거했다. 지난해 매출 가운데 휴대폰용이 41%, 조명용이 31%로 대부분을 차지했으나 올해는 TV용으로도 영역 확장에 나섰다.  패키징 시장에서 빼놓을 수 없는 기업으로는 루멘스가 있다.  루멘스는 도요타고세이에서 칩을 웨이퍼 형태로 구매해 패키징을 하는 업체다.  루멘스는 휴대폰용 LED를 시작으로 지난해 노트북용 LED 백라이트유닛(BLU) 조명용 LED 등으로 사업영역을 확대했다.  지난해 매출액은 750억원, 영업이익은 31억원을 기록했다. 올해는 매출액 1200억원, 영업이익 121억원을 목표로 하고 있다.  특히 올해는 삼성전자와 LG전자 등에 TV용 BLU를 납품하면서 새로운 성장동력을 확보할 것이란 기대감이 크다.  조명용 LED 업체로는 `번개표` 브랜드로 널리 알려진 금호전기가 있다. 조명용 LED 산업은 칩 생산업체에서 LED칩을 구매해 모듈과 세트를 만드는 사업이다. 진입장벽이 높지 않기 때문에 많은 중소업체들이 뛰어들고 있다. 이 때문에 업계에서는 영업망과 브랜드 인지도가 높은 금호전기에 주목하고 있다.  프린터 부품업체에서 LED조명 업체로 변신 중인 대진디엠피도 주목 받고 있다. 2002년 패키징 사업으로 LED 시장에 진출했으며 2004년부터 LED 조명 제품을 개발하기 시작했다. 전 세계 32개국에 딜러를 확보한 것도 강점으로 꼽힌다.  LED 백라이트유닛(BLU) 시장 강자는 한솔 LCD다. 한솔LCD는 삼성전자 핵심 협력업체로 그동안 냉음극형광램프(CCFL) BLU를 공급해왔다. 이후 LED BLU 시장에 진입해 올해 1분기부터 삼성전자에 에지 방식 LED BLU 공급을 시작했다. 삼성전자가 LED TV를 주력 제품으로 판매하기 시작했기 때문에 한솔LCD도 수혜를 볼 것으로 분석된다.  이 밖에 자회사인 알티반도체를 통해 패키징 사업을 하고 있는 알티전자나 칩을 사와서 조명용 조립제품을 만드는 화우테크 등이 있다.  [이새봄 기자]