한국과학기술정보연구원

2014 정보분석보고서

ISBN:

UV LED 최신기술동향 및

시장기회분석

유 형 선

한국과학기술정보연구원 산업시장분석실

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목 차

제 1 장 UV LED의 등장

1. 자외선의 활용

2. UV 방전 램프

3. 새로운 광원 UV LED

제 2 장 UV LED 시장의 성장

1. 시장 동향 및 전망

2. 성장 저해 요인

제 3 장 성능 개선을 위한 노력

1. 최근 기술개발 동향

2. 성능 개선을 위한 기술 이슈

제 4 장 새로운 시장 기회

참고문헌

표 목차

표 1. UV LED와 수은 UV 램프의 특성 비교 15

표 2. UV LED에 대한 우리나라 주요 연구 기관 58

표 3. UV LED 관련 미국 등록 특허 주요 출원인 64

표 4. UV LED 관련 미국 등록 특허 국내 주요 출원인 66

표 5. UV LED 관련 한국 등록 특허 주요 출원인 70

그림 목차

그림 1. 전자기파 스펙트럼 7

그림 2. 파장에 따른 자외선의 분류 8

그림 3. 형광등 내 수은 방전으로 인한 자외선 발생 10

그림 4. 가스 방전 UV 램프의 비교 11

그림 5. LED의 발광원리와 구조 12

그림 6. 광원의 효율 14

그림 7. LED 반도체 조성 변화를 통한 발광 파장 제어 16

그림 8. UV LED와 고압 수은 UV 램프의 발광 스펙트럼 비교 17

그림 9. 수은 UV 램프와 UV LED의 구조 비교 18

그림 10. UV 경화로 인한 잉크의 중합반응 20

그림 11. 경화 공정의 장점 21

그림 12. 자외선을 이용한 살균 원리 22

그림 13. SolarSpring의 태양광 UVC를 이용한 식수 정화 시스템 23

그림 14. 분광분석기의 구성 24

그림 15. 발광 수명(τ) 측정 원리 25

그림 16. UV 위폐 감별기 26

그림 17. Tanning bed 27

그림 18. UV 광선치료 시스템 28

그림 19. UV 광촉매 정화의 원리] 29

그림 20. 전세계 UV 램프 시장 규모 추이 30

그림 21. 2012년 전세계 UV 램프 시장 세분화 31

그림 22. Philips(네)의 UV 정수 모듈 32

그림 23. 저출력 UV 램프 시장의 2012년 업체별 점유현황 32

그림 24. UV LED 글로벌 시장 규모 34

그림 25. UV LED 광원 국내 시장 규모 35

그림 26. 전세계 UV 램프 시장에서 UV LED의 비중 36

그림 27. 지역별 UV LED 참여 업체 37

그림 28. UV LED 산업의 공급망 38

그림 29. 2012년 UV LED 시장 점유율 39

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그림 30. UV 경화 시장 규모 전망 40

그림 31. 2012년 권역별 UV 경화 시스템 수요 40

그림 32. UV LED 경화 시스템의 광출력 개선 42

그림 33. 선도 기업들의 UV LED 기술 채택 43

그림 34. 최근 출시된 UV LED 경화 시스템 및 광원 44

그림 35. 선인나노기술(좌)과 유브이에스엠티(우)에서 개발한 UV LED 경

화 시스템 45

그림 36. UV LED 경화 시스템 공급망 46

그림 37. UV 정수 시스템 업체 현황 47

그림 38. UV LED를 이용한 정수 시스템 48

그림 39. Horiba Jobin Yvon의 분광분석용 LED 광원 49

그림 40. Puralytics의 UV LED 정수 시스템 51

그림 41. UV LED의 성장 저해 요인 52

그림 42. 구동 온도에 따른 LED 물성 저하 54

그림 43. UV LED에 대한 논문 게재 동향 55

그림 44. 국가별 UV LED에 대한 논문 게재 동향 56

그림 45. UV LED 관련 논문의 국가별 수준 비교 57

그림 46. Y. Taniyasu 등의 PIN 구조의 AlN LED 구현 결과 59

그림 47. p-SrCu2O2/n-ZnO(좌)와 다이아몬드(우)를 이용한 UV LED의

발광 스펙트럼 60

그림 48. 광자결정(좌)과 패턴 된 기판(우)을 적용한 UV LED 구조 60

그림 49. UV LED 기반 백색 LED(좌)와 UV LED용 형광체(우) 연구 결과 61

그림 50. UV LED 관련 미국 등록 특허 현황 62

그림 51. 출원인 국가별 UV LED 관련 미국 등록 특허 보유 현황 63

그림 52. 출원인 국가별 UV LED 관련 미국 등록 특허의 수준 63

그림 53. 출원인 국가별 UV LED 관련 미국 등록 특허의 평균 패밀리 크기 65

그림 54. Cree(미)가 제안한 UV LED 기반 백색 LED 66

그림 55. Cree(미)가 제안한 SiC 기판 적용 UV LED(좌)와 General

Electric(미)이 제안한 UV 반사판 적용 UV LED(우) 구조 67

그림 56. Hamamatsu(일)의 UV LED 경화 시스템 구조 68

그림 57. UV LED 관련 한국 등록 특허 현황 68

그림 58.UV LED 관련 국내 등록 특허의 내용 분석 69

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그림 59. ㈜유브이에스엠티의 펜 형태 UV 경화기(좌)와 ㈜아모레퍼시픽의

UV 광원을 이용한 위생 칫솔의 구조 71

그림 60. AlGaN 반도체에서 Al의 함량에 따른 발광 파장의 변화 73

그림 61. PVT 공정을 통한 벌크 AlN 생성 74

그림 62. Uspicy(미)의 UV LED 네일 경화기(좌) 및 클린메이커의 네일

아트용 UV LED 램프(우) 76

그림 63. Soraa(미)의 UV LED를 이용한 조명 제품과 연색 특성 78

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제 1 장 UV LED의 등장

1. 자외선의 활용

전자기파(Electromagnetic wave)인 빛은 에너지 즉 파장에 따라

구분되어, 라디오파(radio wave; 전파), 마이크로파(microwave), 적외선

(infrared, IR), 가시광선(visible), 자외선(ultraviolet, UV), 엑스선(x-ray), 감

마선(γ-ray) 등 다양한 이름으로 나뉘어 불린다. 전체 전자기파 스펙트럼

안에서 인간의 눈은 대략 400 ~ 780 nm 파장의 매우 좁은 영역의 빛만

볼 수 있고 이 가시광선 영역의 빛이 디스플레이와 조명 분야에 활용되고

있지만, 그 밖의 영역의 빛도 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 가시

광선보다 에너지가 작은 라디오파, 마이크로파, 적외선은 방송·통신, 레이

더, 전자레인지, 물리치료 등에 사용되어 온 반면, 에너지가 큰 자외선, 엑

스선, 감마선은 제품의 검사나 생산, 그리고 제한된 조건 하에서 의료용으

로 주로 사용되어 왔다.

그림 1. 전자기파 스펙트럼[4]

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이중 자외선은 파장이 10 ~ 400 nm의 빛을 말하는데, 1801년 독

일의 물리학자 Johann Wilhelm Ritter에 의해 처음 발견되었다. 자외선은

파장에 따라 다시 UVA(315 ~ 400 nm), UVB(280 ~ 315 nm), UVC(100

~280 nm)로 구분하며, 그 밖에 100 nm 이하의 파장은 엑스선과 크게 구

별되지 않는다. 에너지가 상대적으로 강한 UVC는 살균력이 강하여 공기

와 물을 정화시키고 각종 생활 용품을 살균하는 용도로 쓰인다. 자외선의

살균 작용은 200 ~ 330 nm 사이에서 폭넓게 나타나는데, 특히 UVC에 해

당하는 260 ~ 270 nm 파장 역역에서 가장 강하게 나타난다. UVC는 피부

와 각막에 손상을 입히고 심한 경우 피부암을 일으킬 수 있으며, 다행이

태양광에 포함된 UVC는 성층권의 오존에 의해 대부분 흡수된다. 한편,

UVC가 대기 중에서는 오존을 발생시키기도 한다. UVC 중 200 nm 이하

의 단파장이 공기 중의 산소를 이온화 시키면서 산소 이온과 산소 분자

간의 결합에 의해 오존이 발생하는 것이다. 이때 200 nm 이하 영역은 산

소 분자와의 반응으로 흡수되어 공기 중에 진행되지 않기 때문에 이 영역

을 VUV(Vacuum UV)라고 부른다. VUV는 물 분자와도 반응하여 음이온

을 생성하기도 한다. UVB는 비타민D를 생성하는데 도움을 주지만, 역시

대부분 성층권의 오존에 흡수되며 장기 노출 시 피부 질환과 안구 손상을

일으킨다.

그림 2. 파장에 따른 자외선의 분류[5]

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에너지가 가장 작은 UVA는 태양광 UV 중 가장 높은 비율을 차

지하는데 일반적으로 인체에 크게 해롭지 않은 것으로 알려져 있어 피부

를 태우거나 피부질환을 치료하는데 활용된다. 또한 특정 화학물질을 경

화(curing)시키는 성질을 이용하여 UV 경화기로도 활용되며, 조명, 위폐

감별, 분광 분석, 곤충 채집, Blacklight, 법의학 등 다양한 분야에서 활용

되고 있다. 여기서 UV 경화란 잉크, 접착제, 코팅제 등의 액상 단량체에

자외선을 조사하여 광화학 반응을 통해 고분자 중합을 일으켜 고체화 시

키는 공정을 말하며, 반도체 공정 등 전자 부품 생산, 인쇄, 각종 코팅 및

장식 등에 활용되어 왔다.

2. UV 방전 램프

인류는 자외선을 상업적으로 활용하기 위해 가스 방전 램프를 만

들어 사용하여 왔다. 가장 흔히 사용되는 것은 수은(Hg) 램프이며 그 밖

에 제논(Xe), 듀테륨(D; 2H) 등이 방전 가스로 사용되어 왔다. 가스 방전

램프는 가스를 주로 석영관에 봉입하고 양 끝의 전극을 통해 전압을 가해

가스를 방전시킨다. 램프를 점등하면 전극에서 열전자가 방출되고 이것이

가스 원자와 충돌하며 양이온으로 이온화되면서 3,500 ~ 5,000°C의 고온

플라즈마 상태가 유지된다. 주입된 방전 가스 원자가 반복적으로 전자를

잃고 얻는 과정에서, 이온의 전자 에너지 준위에 따라 특정 파장의 빛이

발생되고 이러한 원리를 통해 자외선이 방출된다. 방전 램프에서는 가스

가 안정적으로 방전되어 플라즈마 상태를 유지하며 최대 광도에 이를 때

까지 방전 후 수 분의 예열 시간이 필요하다.

수은 램프는 수은 가스의 방전 시 발생하는 자외선을 이용한다는

점에서 일반 형광등과 다르지 않다. 단지 형광등은 유리관 안쪽에 가시광

선을 방출하는 형광막이 도포되어 자외선이 백색광으로 바뀌어 방출되는

반면에, 수은 UV 램프는 별도의 형광막이 도포되지 않아 수은의 방전으

로 인해 발생된 자외선이 그대로 외부에 방출된다. 한편 자외선은 일반

유리에 흡수되며 파장이 짧아질수록 흡수가 심하게 일어나므로, 수은 UV

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램프에는 형광등과 달리 일반 유리관이 아닌 석영관이 사용된다.

그림 3. 형광등 내 수은 방전으로 인한 자외선 발생[6]

수은 램프는 주입된 수은의 증기압에 따라 저압 수은 램프와 중/

고압 수은 램프로 나뉜다. 저압 수은 램프는 흔히 사용되는 형광등과 같

이 1 mmHg 이하의 수은 증기압을 가지며, 수은의 방전에 의해 254 nm

의 자외선이 강하게 방출된다. 254 nm는 공기 외에는 투과도가 높지 않

아 보통 생활용품이나 제품 생산 공정상의 표면 살균을 하는데 주로 사용

된다. 반면 중/고압 수은 램프는 365 nm를 비롯하여 넓은 영역의 자외선

뿐만 아니라 546 nm 등 가시광선 영역의 빛도 강하게 방출한다. 중/고압

수은 램프는 수은 증기압이 상대적으로 높아 기동 전력은 100 W 이상으

로 높은 편이고 광속(Luminous Flux)도 매우 크다. 수은 램프의 광변환효

율(Wall plug efficiency)는 30% 수준이며 수명은 평균적으로 2,000 시간

정도이다. 저압 수은 램프의 가격은 100 달러 이내인 반면, 중/고압 수은

램프는 100 ~ 500 달러 수준이다. 수은 램프는 제논 램프나 듀테륨 램프

에 비해 광출력밀도가 상대적으로 낮은데, 특히 파장이 짧을수록 광출력

밀도가 저하되는 특징이 있다.

제논 램프는 200 nm 이하의 VUV부터 가시광선 영역까지 폭넓은

발광 범위를 갖는다. 특히 가시광 영역에서는 자연광에 가장 가까운 빛을

내서 카메라 광원 등에도 사용되며 백열전구에 비해 2배 정도 높은 20 ~

40 lm/W의 발광 효율을 보인다. 구동 전력은 보통 150 ~ 5,000 W 수준

이지만 대형 램프의 경우 20,000 W가 되는 제품도 있다. 제논 램프의 경

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우도 광변환효율이 30% 수준까지 나타나며 수명은 2,000 시간 정도이다.

가격은 100 ~ 300 달러로 중/고압 수은 램프와 비슷한 수준이다.

듀테륨 램프는 자외선과 가시광선 영역에서 연속적인 넓은 발광

스펙트럼을 보이는 것이 특징이다. 100 W/cm2의 비교적 높은 광출력밀

도가 요구되는 분광 분석을 위해, 출력밀도가 상대적으로 높은 제논 램프

와 듀테륨 램프가 주로 자외선 영역의 분광 광도계에 사용된다. 구동 전

력은 30 ~ 200 W 수준으로 저압 수은 램프 수준이다. 광변환효율은 마찬

가지로 30% 수준까지 나타나며 수명은 2,000 시간 정도이다. 가격은 200

~ 300 달러로 다른 가스 방전 램프와 비슷한 편이다.

그림 4. 가스 방전 UV 램프의 비교[7]

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3. 새로운 광원 UV LED

가. UV LED의 등장

1907년 영국의 H. J. Round에 의해 SiC에서 전계발광

(Electroluminescence) 현상이 처음 발견된 후 LED(Light Emitting Diode)

는 기존 기체 조명을 대체할 혁신적인 새로운 광원으로 각광 받으며 활발

히 연구되어 왔다. LED, 즉 빛을 내는 ‘발광 다이오드’는 전류를 흘려주

면 빛을 발생시키는 반도체 소자를 말한다. LED는 p 형과 n 형 반도체를

접합한 다이오드에 순방향의 전류를 흘려주면 접합부에서 전자(electron)

와 정공(hole)이 재결합(recombination)하며 사용한 반도체 조성의 전자

에너지 갭(Electronic energy gap)에 해당하는 파장의 빛이 방출하는 원리

로 구동된다. 이러한 원리를 이용하여 인류는 다양한 반도체 조성을 LED

에 적용하였다. 1950년대 본격적으로 접합 다이오드에 대한 연구가 활성

화 되었고, 1970년대 들어 적색과 녹색을 발광하는 LED가 개발되었다. 그

후 20여년의 시간이 더 흘러 1993년에 청색 발광 LED가 개발되었으며,

청색 발광 LED에 황색 형광체를 섞어 백색광을 구현하면서 LED의 시장

이 폭발적으로 확대되었다.

그림 5. LED의 발광원리와 구조[4]

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초기의 UV LED는 1972년 Stanford 대학의 H. Maruska와 W.

Rhines에 의해 개발되었다. 이들은 Mg이 첨가된 GaN 조성을 이용하였는

데 당시에는 효율이 매우 낮았다. 그 후 박막 성장 기술이 발전하며 반도

체 박막의 격자 불일치(lattice mismatch)가 감소된 에피 성장(epitaxial

growth)이 가능해지게 되었고 그로 인해 효율이 개선되었다. 또한 Al이

추가된 AlGaN 조성이 적용되면서 보다 단파장의 영역까지 활용 가능 범

위가 확대 되었다. 이후 현재까지 UV LED로는 대부분 AlGaN 조성 기반

의 제품이 사용되고 있고 지속적인 공정 기술 개발을 통해 효율을 개선해

나가고 있다. AlGaN 이외에는 BN와 다이아몬드가 250 nm 이하의 단파

장을 발광하는 것으로 알려져 있다.

나. UV LED의 특성

일반적으로 LED는 기존 광원에 비해 친환경적이고 효율이 높은

것으로 알려져 있다. LED의 효율은 입력된 전력(W) 대비 광출력(optical

power)로 나타내는데, 광출력을 광속(luminous flux, lumen)으로 표현하

는 효율(luminous efficacy)은 lm/W의 단위를 갖게 된다. 반면 광출력을

다시 시간당 에너지를 나타내는 전력(W)으로 표현하면 %의 단위를 갖게

된다. 광속은 단순히 광량(photon의 수)을 측정하는 것이 아니라 인간의

눈에 얼마나 감도가 높은지를 보기 때문에 조명이나 디스플레이 분야에서

가시광선 영역의 광원 성능 측정에 주로 사용되고, UV LED에는 적용하

지 않는다. 따라서 UV LED의 효율은 입력된 전력(W) 대비 출력된 전력

(W) 즉 광출력의 비율로 나타내며, 이를 광변환효율(Wall-Plug Efficiency)

이라고 한다. 한편 광원을 포괄한 시스템에서는 광원으로부터 조사된 빛

이 대상 물체에 가해지는 양에 따라 목표하는 성능의 차이가 발생된다.

가령 UV 경화기의 경우 경화 대상 물체에 단위면적당 가해지는 조사량에

따라 경화의 품질이 좌우된다. 따라서 대상 물체의 단위 면적당 조사된

광출력이 실제 시스템에서의 성능을 나타내게 되는데 이를 광출력밀도라

한다. 광출력밀도는 광원으로부터 대상 물체까지의 거리에 따라서도 크게

좌우되며, 따라서 용도에 따라 중요한 변수에 따라 각기 다르게 측정된다.

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그림 6. 광원의 효율

앞서 기술한 바와 같이 수은 UV 램프는 우리가 흔히 사용하고

있는 일반 형광등과 원리가 같다. 단지 자외선의 투과도를 높여 주기 위

해 형광등에서 사용하는 유리관 대신 가격이 더 비싼 석영관을 쓰고 있

고, 형광등에서 자외선을 가시광선으로 바꾸어주는 역할을 하는 형광체가

석영관 내부에 도포되지 않을 뿐이다. UV LED 역시 발광 파장이 자외선

영역이라는 점을 제외하면 조명, 디스플레이에 사용되는 가시광 혹은 백

색 LED와 같은 원리로 발광한다. 단지 현재의 백색 LED가 청색 LED에

황색을 비롯한 형광체를 도포하여 백색광을 내는 것과 달리, UV LED는

자외선을 내는 LED로만 구성될 뿐 별도의 형광체를 쓰지 않는다는 점만

다를 뿐이다. 따라서 근본적으로 기존 형광등에 비해 LED 조명이 가지고

있는 대부분의 장점을 UV LED도 갖고 있다. 물론 UV LED가 기존 수은

램프에 비해 약점도 가지고 있는데 이를 아래 표에 정리하였다.

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표 1. UV LED와 수은 UV 램프의 특성 비교

UV LED수은 UV 램프

UVA UVB/UVC

광원 특성국부적, 지향적

(모듈화로 대면적 가능)대면적, 방사형

파장 제어반도체 조성 변화로 조절

가능

방전 가스의 전자

준위에 의해 제한

파장 특징 좁음(단일 파장) 넓음(혼합 파장)

발열낮음

(주로 전도 형태로 소멸)

높음

(주로 복사 형태로 소멸)

환경성 유해 방전 가스 불필요 수은 등 유해 가스 사용

내구성 높음 (고체조명)낮음 (유리관을 이용한

기체조명)

수명 ~ 20,000 시간 약 3,000 시간

반응 속도 순간 on/off 가능 예열 시간 필요

다자인소형화를 비롯하여 다양한

디자인 가능크기, 모양의 한계

소비전력 4W~20KW 5W~35KW 5W~60KW

광출력높음

150mW@350mA

낮음

6mW@200mA

높음

100mW@350mA

광변환효율 ~ 25% ~ 5% 15 ~ 45%

광출력밀도 높음 낮음 낮음

가격($/W) $5~$150$500 ~

$3,000$2 ~ $500

먼저 수은 UV 램프에 비해 UV LED는 반도체 조성의 변화를 통

해 발광 파장의 제어가 용이하다. UV LED의 반도체 조성은 기본적으로

AlxGa1-xN 조성을 갖는데, x가 클수록 즉 AlN에 가까울수록 발광파장이

짧아지고 x가 작아질수록 즉 GaN에 가까울수록 발광파장이 증가한다. 따

라서 AlN와 GaN의 사이에서 조성 변화로 발광 파장을 약 200 nm에서

약 380 nm까지 제어할 수 있다. 또한 380 nm 이상의 UVA 영역에서는

InxGa1-xN 조성에서 In과 Ga의 조성비 제어를 통해 발광파장 조절이 가

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능하다. 따라서 UV LED는 용도와 사용 환경에 맞게 반도체 조성 제어를

통해 발광 파장을 조절할 수 있다는 장점이 있다.

그림 7. LED 반도체 조성 변화를 통한 발광 파장 제어

발광 파장과 관련한 또 한 가지 특성은 발광 스펙트럼의 형태에

서 나온다. 수은 UV 램프의 경우 수은 이온의 전자 에너지 준위에 따라

자외선뿐만 가시광선 영역까지 넓은 영역에 걸쳐 혼합 파장의 빛이 관찰

되는 반면, UV LED는 반도체 조성에 따라 특정 단일 파장의 빛만 방출

한다. 따라서 수은 UV 램프는 목적에 필요 없는 파장의 빛도 대상 물체

에 조사될 수 있고 이를 막기 위해 컬러 필터 등을 사용해야 한다. 실제

수은 UV 램프에서 발생하는 빛 중 15% 수준만 자외선 영역에 해당하고

가시광선이 15%, 나머지 70%는 적외선 영역에 해당한다. 가시광선과 적

외선 영역의 빛은 결국 열에너지로 바뀌므로 구동 온도를 오르게 하고 효

율은 그만큼 떨어진다. 반면 UV LED의 경우 필요한 파장의 빛만 활용할

수 있고, 또한 필요에 따라 여러 조성의 반도체를 이용하여 복합 파장의

자외선을 생성할 수도 있다. 파장 선택 가능성이 주는 장점은 다양하다.

예를 들어 UV 경화기에 이용하는 경우 300 nm 이하 파장의 빛은 종종

경화 대상 제품의 색을 변화시키는데, UV LED를 이용하는 경우 파장을

선택할 수 있어 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 광선 치료를 하는 경우

에도 필요한 파장의 빛만 활용하고 유해한 단파장의 자외선을 차단할 수

있고, 살균의 경우에도 살균력이 가장 우수한 것으로 알려져 있는 270

nm 파장 영역에 집중할 수 있다.

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그림 8. UV LED와 고압 수은 UV 램프의 발광 스펙트럼 비교[8]

앞서 기술한 바와 같이, 기존 수은 UV 램프는 열전자와의 충돌로

수은 가스가 이온화 되면서 램프 내부의 온도가 3,500 ~ 5,000°C에 이르

는 고온 플라즈마 상태가 유지되어야 안정적으로 자외선이 방출된다. 이

열은 결국 램프 표면까지 전달되어 대부분 복사의 형태로 주변에 방출되

며, 램프를 대상 물체에 가까이 둘 경우 대상 물체가 열에 의해 변형될

수 있다. 예를 들어, UV 경화기의 경우 수은 UV 램프에서 발생한 열이

경화 대상 제품에 전달되어 제품의 형태나 색깔의 변형을 일으킬 수 있

다. 따라서 수은 램프를 이용하는 경우 대상 물체와 일정 거리 이상을 두

어 조사면의 온도를 조절할 필요가 있다. UV LED의 경우도 입력된 전력

의 70% 이상이 빛 에너지로 변환되지 않고 열에너지로 발생되지만 소비

전력이 낮고 대부분 광원에 부착된 방열 모듈에 의해 전도의 형태로 방출

되어 대상 물체에 대한 열변형을 줄일 수 있다.

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그림 9. 수은 UV 램프와 UV LED의 구조 비교[9, 10]

수은 UV 램프에 사용된 수은은 유일하게 상온에서 액체로 존재

하는 중금속의 하나로 인체에 들어오면 잘 배출되지 않고 몸에 쌓여 중독

증상을 일으킨다. 수은 중독은 신경계 이상을 일으켜 운동이나 언어 장애

를 유발시키고 심한 경우 사지 마비 등 장기적인 질병을 일으킨다. 반면

UV LED에는 수은과 같은 방전 가스를 사용하지 않기 때문에 환경 친화

적이다. 또한 수은 UV 램프는 석영관 안에 수은 가스가 들어 있는 기체

조명 구조로 내구성이 낮고 쉽게 깨질 수 있는 반면에, UV LED는 고체

조명으로서 내구성이 높은 장점이 있다. 따라서 수은 UV 램프의 경우 수

명이 2,000 시간 내외인 것에 비해 UV LED는 약 20,000 시간으로 10배에

이른다.

수은 UV 램프는 점등 후 고온 플라즈마가 형성되어 자외선 방출

량이 안정화 될 때까지 5 ~ 10분 정도 예열을 해줘야 사용할 수 있다. 반

면 UV LED는 on/off 전환 시간이 수 나노(nano) 초 수준으로 매우 짧아

순간 on/off가 가능하다. 따라서 장비를 사용할 때 별도의 예열 시간 없

이 즉시 켜서 활용할 수 있는 장점이 있다. 또한 수은 램프는 수은 가스

의 방전을 위해 일정 공간의 부피가 요구되므로 소형화와 디자인 변경에

제약이 있다. 그러나 UV LED는 단일 크기가 수 mm 안팎으로 상대적으

로 매우 작아 제품의 소형화가 가능하고 다양한 디자인의 제품 생산이 용

이하다.

반면 UV LED의 기술 개발이 아직까지 본격적으로 이루어지지

않아 수은 UV 램프에 비해 광변환효율(Wall-Plug Efficiency)이 낮은 편이

다. 수은 UV 램프의 광변환효율이 조건에 따라 45%에 육박하는 반면, 아

직까지 UV LED의 광변환효율은 최대 25%까지 나타나고 있다. 특히

- 19 -

UVC의 경우는 아직까지 광변환효율이 5% 미만인 수준이어서 개선해야

할 여지가 많다. UV LED는 수은 UV 램프에 비해 광출력도 낮은데, 특히

UVC 영역에서 현재 200 mA 조건에서 5 ~ 6 mW 수준에 있어, 수백

mW에 이르는 수은 UV 램프에 비해 현저히 낮다. 최근 경화 분야에 주

로 사용되는 UVA 영역에서 광출력이 크게 개선된 것은 고무적이라고 할

수 있다. 마지막으로 UV LED의 경우 가격이 기존 수은 램프에 비해 매

우 비싼 편이다. 역시 UVC 영역의 가격이 상대적으로 매우 비싼데, 앞으

로 지속적인 기술개발을 통해 가격하락이 이루어 질 것으로 전망된다.

다. UV LED의 응용분야

UV LED는 앞서 언급한 다양한 장점으로 인해 활용 분야가 크게

확대되고 있다. UV LED는 먼저 경화, 분광 분석, 위폐 감별, 광촉매 살균

분야에 응용되기 시작하였는데, 최근에는 기술력의 개선과 가격 하락

LED에 대한 인지도 제고 등의 이유로 광선 치료와 tanning, 공기정화와

정수 등 살균·정화 분야 등에도 UV LED가 사용되기 시작하였다.

1) UV 경화 분야

UV 경화 분야는 현재 UV 램프의 가장 큰 응용분야이며, 시장이

이미 형성되어 있어 대체재로써 UV LED의 성장이 가장 가시화 될 수 있

는 분야이다. UV 경화는 액체 상태의 잉크, 접착제, 코팅제 등을 광화학

반응을 통해 고체 상태로 바꾸는 공정을 말한다. 이때 액체 상태의 화학

물질은 단량체(monomer)나 소중합체(oligomer)로 조사된 자외선에 의해

중합반응이 일어나 고분자가 되면서 굳어지게 된다. 광화학 반응은 경화

성 수지에 소량 포함되어 있는 광 개시제로부터 시작되는데, 광 개시제는

연속적인 자유 라디칼(free radical) 중합을 통해 주변의 단량체를 중합체

로 바꿔준다.

- 20 -

그림 10. UV 경화로 인한 잉크의 중합반응[11]

경화 공정은 광화학 반응에 의해 물성이 바뀐다는 점에서 단순히

액체 상태의 용매가 주로 열이나 바람에 의해 증발하여 마르는 건조 과정

과 구분된다. 경화 공정은 건조에 비해 고체화 시키는 속도가 월등히 빠

르고 필요한 부분에만 필요한 시점에 적용할 수 있어 에너지 소비 효율이

높아 제품의 생산성을 크게 높여 왔다. 그리고 저온 공정으로 재료의 열

적 변형을 막고 열에 약한 제품에도 적용할 수 있다는 장점이 있다. 또한

경화 공정은 용매를 사용하지 않아 유독성 용매 증기로 인한 공해를 줄일

수 있고, 내마모성, 접착 강도, 표면 경도, 전기 절연성, 광택 측면에서 우

수한 성능을 제공하여 지속적으로 수요가 증가하고 있다. 물론 경화 공정

에 사용되는 잉크가 기존 잉크에 비해 비싸고, 복잡한 구조에는 광선을

조사하기가 어려워 경화 공정을 적용하는데 한계가 있다는 단점도 있지

만, 여러 가지 측면에서 각광 받고 있다.

- 21 -

그림 11. 경화 공정의 장점

경화 공정은 처음에 가구 제품 등의 인쇄나 코팅에 주로 적용되

었다. 구체적으로 ink-jet, screen printing, lithography 등 인쇄 분야에

60% 정도 사용되었고, 금속, 플라스틱, 가구 등의 코팅에 30%, 자동차, 디

스플레이, 반도체 전자 제품의 접착이나 봉지(encapsulation) 등의 접착

분야에 10% 정도 활용되고 있다. 최근에는 반도체·디스플레이 산업의 빠

른 발전과 함께 더욱 우수하고 정밀한 인쇄, 접착, 코팅 품질이 요구되면

서 핵심적인 공정으로서 UV 경화의 수요는 지속적으로 증가하였고, UV

LED의 다양한 장점이 UV 경화 분야에서 다양한 기회를 제공하고 있다.

예를 들면 치과치료의 filling이나 제조업 분야의 RP(rapid prototyping)

등에도 UV 경화 장치가 활용될 수 있다.

- 22 -

2) 살균·정화

UVC 영역의 빛은 강력한 에너지를 가지고 있어 그 자체만으로

세균과 바이러스와 같은 미생물을 제거할 수 있다. UVC는 미생물의 세포

벽에 침투하여 DNA 구조를 파괴하고 이들의 번식을 막는다. UV 살균·정

화 시스템은 환경 친화적이고 유해하지 않으며 대상 물질에 구애 받지 않

아 필터링, 오존 처리, 염소 처리 등 기존 방식과 함께 공기정화나 식수정

화 등에 적용되고 있다. 또한 칫솔과 같은 생활용품, 식품 공정이나 의료

장비 등의 표면을 살균하는 데에도 UV 살균·정화 모듈이 사용되고 있다.

그림 12. 자외선을 이용한 살균 원리[12]

살균·정화용 UV 램프로는 주로 수은 램프가 쓰이는데, 수은의 함

량에 따라 254 nm의 빛을 발광하는 저압 램프와 혼합 파장의 빛이 발생

하는 중고압 램프가 사용되어 왔다. 또한 입력 전압에 따라서는 5~40 W

용량의 저전력 UV 램프와 35 kW까지 이르는 고전력 UV 램프로 나뉘는

데, 공기 정화나 표면 살균의 경우 주로 저전력 램프가 이용되고 물속의

- 23 -

미생물을 살균하는 데는 주로 중·고전력 램프가 이용되고 있다. 일반적으

로 270 nm 전후의 파장에서 살균·정화 효과가 가장 뛰어난 것으로 알려

져 있어 살균·정화용 UV 램프는 해당 파장에 주로 맞춰져 있다.

UV LED를 이용하는 경우 전력 소모, 수명 측면에서 유리할 뿐만

아니라 주요 대상 세균에 최적화하여 파장을 조절할 수 있다는 점과 소형

화로 디스플레이나 반도체 공정의 일부 모듈로 활용할 수 있다는 장점이

있다. 그러나 아직까지 UVC 영역에서 광출력밀도와 광변환효율이 낮고

수명도 짧은 편이어서 기존 수은 UV 램프를 대체하는데 한계가 있다.

UV 램프의 살균력은 결국 UV의 조사량에 결정되는데, 일반적으로 공기

정화에는 3 mJ/cm2의 조사량이 필요하고 정수에는 40 mJ/cm2의 조사량

이 필요하다. UV 조사량은 광출력과 노출 시간에 따라 결정되므로, 광출

력이 상대적으로 낮은 UV LED의 경우 결국 노출시간을 늘려줘야 충분한

살균효과를 얻을 수 있다. 그러나 유체의 유속이 빠르거나 유량이 많은

경우 노출시간을 충분히 늘릴 수 없으므로, UV LED로 대형 정수 처리장

등에 사용되는 고전력 수은 램프를 대체하기까지는 상당한 시간이 필요할

것으로 보인다.

그림 13. SolarSpring의 태양광 UVC를 이용한 식수 정화 시스템[12]

- 24 -

현재 자외선을 이용한 살균·정화 시스템 시장에서 정수 분야가 전

체의 80% 이상을 차지하고 있고, 공기정화나 표면정화 분야는 20% 미만

인 것으로 알려져 있다.

3) 분광분석

여러 가지 화학 물질들은 특정 파장의 빛을 흡수하며 반응하는데

이러한 성질을 이용하여 물리, 화학, 생명, 환경 등 다양한 분야에서 물질

의 조성과 물성을 분석하고 있다. 이때 빛의 파장을 미세하게 나누어 스

캔(scan)하면서 시료가 흡수하는 특정 파장의 빛을 찾아내는데, 따라서 이

를 분광(Spectrosopy) 분석이라 한다. 분광 분석에 사용되는 광원에 따라

적외선 분광법, 근적외선 분광법, 라만(Raman) 분광법, 엑스선 분광법, 자

외선-가시광선(UV-Visible) 분광법 등으로 나뉜다. 이 중 자외선 영역의

빛을 흡수하는 물질을 분석할 때 UV 램프가 광원으로 사용된다.

그림 14. 분광분석기의 구성[13]

자외선 영역의 분광분석에는 30~1,000 W 용량의 듀테륨 램프가

주로 사용되고 있다. 듀테륨 램프는 자외선부터 가시광선 영역까지 연속

적인 넓은 발광 스펙트럼을 보이고 광출력밀도가 높아 자외선 영역의 분

광 분석에 적합하다. 그러나 듀테륨 램프를 대신하여 UV LED를 사용할

경우 예열이 필요하지 않아 계속 전원을 켜둘 필요가 없어 전기 소모를

- 25 -

줄일 수 있고, 파장 조절 속도가 빠르며 시간에 따라 강도 변화가 적어

정밀한 측정이 가능하다는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 UV LED로는

아직 이를 완벽히 대체하는데 한계가 있다. 분광분석 분야에서 UV LED

의 태생적인 단점은 발광 파장이 좁아 여러 조성의 LED를 복합적으로 활

용해야 한다는 점이다. 분광분석에서는 분석하고자 하는 영역의 빛을 고

르게 방출하는 광원이 가장 이상적인데, LED는 단일 파장의 빛만 방출하

기 때문에 여러 파장의 빛을 내는 LED 칩들을 복합적으로 구성하여 광원

을 제조해야 하는 것이다. 또한 UVC 영역의 낮은 광출력 문제와 더불어

250 nm 이하를 위한 안정적인 조성 확보 문제 등이 걸림돌로 작용하고

있다.

그렇지만 UV LED를 빠르게 on/off 제어할 수 있다는 점과 발광

파장이 좁다는 점은 발광 수명을 측정하는데 매우 큰 장점으로 작용할 수

있다. 발광 수명은 대상 물질이 에너지를 흡수하고 발광하는 과정에서 이

온 간 에너지의 전달 현상을 규명하는데 매우 유용한 분석 방법인데, 이

를 위해서는 대상 물질에 단일 파장의 매우 짧은 펄스 빔(pulse beam)을

조사해야 한다. 기존 듀테륨 램프로는 빠른 on/off 제어가 불가능하여 초

퍼(chopper)를 이용하여 규칙적으로 빛을 차단하여 펄스 빔을 생성해주어

야 했다. 반면 UV LED는 단일 파장의 빛을 빠르게 on/off 제어할 수 있

어 이러한 용도로는 매우 적합하다.

그림 15. 발광 수명(τ) 측정 원리[14]

- 26 -

4) 보안(위조문서, 화폐 감별)

UV LED를 이용한 화폐, 여권, 문서 위조 감별 기술은 2003년에

처음 도입되었으며, UV LED의 여러 가지 장점으로 인해 이미 대체가 상

당히 진행된 상황이다. 먼저 LED 기술이 접목되면서 장치 자체가 소형화

되었고, 최근에는 펜 타입 등 다양한 디자인이 가능하여 휴대용 기기로도

널리 적용되고 있다. 기존 수은 램프에 비교하자면, 기존 수은 램프에는

4~10 W의 저압 램프가 사용되어 광원 가격은 평균 5 달러 수준이었다.

이에 반해 UV LED는 광출력 1.4 mW의 펜 타입 제품이 주류를 이루며,

이 경우 광원인 LED 패키지 가격이 2~2.5 달러로 상대적으로 낮은 편이

다. 위폐 감별기는 특성상 국부적인 영역에 자외선을 조사한다는 측면에

서 광출력밀도가 높은 UVA 영역의 LED가 크게 유리한 측면이 크다.

그림 16. UV 위폐 감별기[15, 16]

5) Tanning

최근 미용과 외모에 대한 관심이 높아지면서 인공적인 광원을 이

용하여 피부를 검게 태우는 tanning bed의 수요가 북미나 유럽을 중심으

로 늘어나고 있다. 현재는 수은 램프를 이용한 tanning bed가 전 세계적

으로 매년 수만 대씩 팔리고 있는데, 보통 40~200 W의 저압 수은 램프나

400~800 W 고압 램프가 이용된다. 기존 수은 램프를 이용하면 수명이

- 27 -

1,000 시간 이하로 짧아 UV LED 기술의 도입을 시도하고 있다. UV LED

를 tanning bed에 적용했을 때 얻을 수 있는 가장 큰 장점은 인체에 유

해한 파장의 빛을 제거할 수 있다는 점이다. 수은 방전은 혼합 파장의 자

외선을 발생시킴에 따라 장기 노출 시 피부암을 유발시킬 수 있는 UVB,

UVC 영역의 빛이 섞이게 되고, 이러한 위험성이 tanning 시장의 성장을

저해하여 왔다. 반면, UV LED는 원하는 파장의 빛을 정교하게 선택할 수

있어, UVA와 필요에 따라 UVB를 혼합할 수 있고 태양광에 보다 가까운

빛을 생산할 수도 있다.

그림 17. Tanning bed [17]

6) 광선치료

UVA 영역의 빛은 건선, 백반, 습진 등 피부 질환을 치료하는데

쓰이기도 한다. 아직까지는 광선치료 분야에 UV LED가 본격적으로 사용

되진 않고 있고 연구 개발 단계에 있다.

최근에는 UVA를 만성질환자에게 과도하게 조사하는 경우 피부암

을 일으킬 수 있는 것으로 알려져, 310 nm 영역의 좁은 파장의 UVB를

이용한 치료 방법이 선호되고 있다. 이때 기존 수은 램프에 비해 좁은 발

광 스펙트럼을 나타내는 UV LED의 활용 가치가 높다. 또한 작고 가벼운

UV LED를 이용한 휴대용 기기는 국부적인 치료나 두피 건선 치료 등에

효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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그림 18. UV 광선치료 시스템 [18]

7) 광촉매 정화

TiO2와 같은 광촉매에 UVA 영역의 빛이 조사되면 산화환원 반

응에 의해 유기 물질을 분해하는데, 이와 같은 원리가 공기 중에 떠다니

는 미생물 등 오염 물질을 제거해 주어 주로 공기 정화에 이용되어 왔다.

기존의 공기 청정기가 주로 필터링을 통해 오염 물질을 제거하는데 그쳤

다면, 이들 제품은 필터링과 함께 더 큰 정화 능력을 보이게 된다. UV

LED를 이용한 광촉매 공기 정화는 2006년에 처음 도입되었는데, 그 후

2010년에는 물을 정화하는 데에도 적용되었다. 공기 정화 기능은 주로 주

거용이나 자동차용 공기 청정기 제품으로 탄생하였고, 수질 개선 부분은

산업용과 상업용 분야에 적용되고 있다. 광촉매 정화용 UV LED로는

365~380 nm 파장의 UVA 영역이 사용되고 있으며 주로 광출력이 50

mW인 광원이 사용되고 있다.

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그림 19. UV 광촉매 정화의 원리 [19]

- 30 -

제 2 장 UV LED 시장의 성장

1. 시장 동향 및 전망

가. UV 램프 시장

시장조사 전문기관인 Yole Development에 따르면 2008년 전세계

UV 램프 시장규모는 3.76억 달러 수준이었으며, 7.1%의 연평균성장률을

보이며 2012년에 4.95억 달러까지 성장한 것으로 조사되었다. 이 가운데

비중이 가장 큰 분야는 UV 경화 분야로 2012년 전체 분야의 30%를 차지

하였으며, 살균·정화분야가 1.34억 달러의 매출을 발생시켜 27%를 차지하

였다. 현재까지는 UV 경화를 비롯하여, 광선 치료, tanning, black-light

등 UVA와 UVB를 이용하는 분야의 비중이 60% 수준으로 상대적으로 높

은 편이다.

그림 20. 전세계 UV 램프 시장 규모 추이[7]

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그림 21. 2012년 전세계 UV 램프 시장 세분화[7]

주로 Black light, 보안, tanning, 생활용품 살균·정화 등에 사용되

는 저출력 UV 램프 시장은 전체의 40%를 차지하는데, 여기에는 Philips

(네), Sankyo Densi(일), Light Source(미), GE lighting(미), Heraeus(독),

Osram(독), First Light(미), Ushio(일) 등의 전통적인 램프 생산 업체들이

점유하고 있다. 과거에는 램프 생산 업체와 UV 시스템 생산 업체가 구분

되어 있었으나 최근에는 램프 업체들이 시스템까지 생산하면서 구분이 사

라지고 있다. 대표적으로 램프 전문 업체 Philips사는 2011년부터 UVC 기

반의 수질정화 시스템을 판매하는 등 사업 영역을 확대하였고 현재 전체

시장의 48% 정도를 점유하고 있다. Light Source사와 GE Lighting사도

최근 저출력 UVC 영역 제품 개발에 몰두하여 시장 점유를 확대하고 있

다.

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그림 22. Philips(네)의 UV 정수 모듈[20]

그림 23. 저출력 UV 램프 시장의 2012년 업체별 점유현황[7]

고출력 UV 램프는 주로 살균·정화, UV 경화, 분광 분석 분야에

활용되어 왔다. 살균·정화분야에는 Light Source(미), Heraeus(독)가 세계

시장을 주도하고 있고, First Light(미), Ushio(일) 등의 램프 업체와 수처

리 기계 전문 업체인 Xylem(미) 등도 참여하고 있다. 수은 램프는 온도에

따라 성능에 큰 차이가 생기기 때문에, 이를 방지하기 위해 인듐이 포함

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된 아말감 램프가 실질적으로 하수처리장 등 대형 정수 시설에 사용되고

있다. UV 경화 분야 역시 Heraeus(독), Ushio(일), Alpha Cure(영) 등의

램프 전문 업체들이 선점하고 있으며, 저출력 분야와 마찬가지로 램프에

국한하지 않고 시스템까지 사업 영역이 확대되어 있다. 분광 분석 분야에

는 듀테륨 램프와 제논 램프가 주로 사용되는데, Hamamatsu(일)와

Heraeus(독)가 광원시장의 80% 이상을 독점하고 있다.

기존의 UV 램프 시장은 방전 램프의 수명이 길지 않아 교체 수

요가 컸으며, 램프 교체로 인한 수입이 관련 업체 수입의 상당 부분을 차

지하여 왔다. 교체를 위한 UV 램프는 보통 OEM으로 납품되기 보다는

최종 사용자에게 직접 판매되어 초기 납품 가격보다 비싸게 팔렸다. 따라

서 더 많은 이윤을 내기 위해 시스템 업체와 램프 업체 간의 협업이나 자

회사 등을 통한 수직계열화가 적극적으로 이루어져 왔다. 대표적인 사례

로 UV 경화 분야에는 IST(독)의 경우 Eta plus라는 자회사를 통해 램프를

확보하는 경우를 들 수 있다.

나. UV LED 시장

2012년 전 세계 UV LED 시장규모는 4,500만 달러 규모로 추정되

며 43%의 연평균 성장률로 성장하여 2017년 2.7억 달러 규모에 이를 것

으로 전망된다. 가장 시장이 큰 분야는 단연 경화 분야로 전체 UV LED

시장의 70% 이상을 차지하고 있으며, 현재 UV 램프의 활용 분야 특성상

이러한 상황은 향후에도 지속될 것으로 예상된다. 한편 가장 빠른 성장이

기대되는 분야는 UVC 영역을 위주로 한 살균·정화 분야로 현재는 200만

달러에 미치지 못하고 있으나 90% 이상의 높은 성장률을 보이며 성장하

여 2017년까지 3,500만 달러 규모에 이를 것으로 전망된다. 반면 tanning

을 비롯한 의료, 미용 분야의 성장은 상대적으로 둔할 것으로 예상된다.

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2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017CAGR

('12-'17)

경화 9.8 12.7 15 21.8 33 49.9 75.6 107 151.4 199.1 43.3%

살균·정화 1.1 1 1.1 1.2 1.4 1.8 3.2 8.2 18.2 35.8 91.2%

보안 1.3 1.1 1.2 1.3 2 3.1 4.9 7.7 12 18.9 56.7%

분광분석 1.7 1.6 2.2 2.5 2.9 3.4 4 4.7 5.4 6.4 17.2%

기타 6.3 5.8 5.8 5.7 5.7 5.8 7 6.5 7.5 8.9 9.3%

합계 20.2 22.2 25.3 32.5 45 64 94.7 134.1 194.5 269.1 43.0%

그림 24. UV LED 글로벌 시장 규모(Yole 2013을 바탕으로 재구성)

이를 UV 파장대 별로 살펴보면, 현재까지는 주로 300 nm 이상

UVA와 UVB 영역의 LED가 주로 사용되었고, 이를 위한 기술개발이 주

를 이루었다고 볼 수 있다. 실제 UVA와 UVB는 경화, 보완, 분광분석 분

야에 사용되면서 전체 시장에서 90% 이상을 차지하고 있다. 그러나 환경

문제와 삶의 질에 대한 관심 높아지면서 살균·정화를 위한 특히 270 nm

전후의 UVC LED에 대한 기술개발이 확대되고 그와 더불어 향후 시장도

성장할 것으로 기대된다.

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2012 2013 2014 2015 2016 2017CAGR

('12-'17)

국내 시장

(억원)94 150 240 370 580 890 56.8%

국내에서는 서울옵토디바이스 등이 UV LED 광원 분야에 참여하

여 2012년 94억 원 수준의 매출을 달성하였다. 이는 글로벌 시장의 19%

에 해당하는 규모인데, LG 이노텍 등 국내 LED 칩 생산 업체들이 본격

적으로 가세하면 2017년까지 세계 시장의 30% 이상을 점유할 수 있을 것

으로 전망된다. 이를 반영하면 UV LED 광원의 국내 기업 매출은 2012년

부터 56.8%의 연평균 성장률로 성장하여 2017년에 890억 원 규모에 이를

것으로 전망된다.

그림 25. UV LED 광원 국내 시장 규모(Yole 2013을 바탕으로 추정)

UV LED 시장의 성장은 기존 UV 램프 시장에서 UV LED의 대

체율도 크게 개선시킬 것으로 전망된다. Yole Development에 따르면

2012년 전체 UV 램프 시장에서 UV LED가 차지하는 비중이 13% 수준인

것으로 조사되었으나, 2017년까지는 35%에 이를 것으로 전망된다.

- 36 -

그림 26. 전세계 UV 램프 시장에서 UV LED의 비중[7]

UV LED 시장에는 현재 기존 UV 램프 업체들 이외에 기존 LED

업체들이 참여하며 시장 판도를 뒤흔들고 있다. 지금까지 LED는 주로 디

스플레이와 조명 분야에 사용되면서 가시광선을 방출하는 영역에 집중하

였다. 그러나 가시광선 영역의 LED가 UVA나 UVB LED와 비교하여 근

본적인 차이가 없고 내부 경쟁이 심화되면서, 기존 LED 업체들은 상대적

으로 빠른 성장이 기대되는 UV LED 영역으로 눈을 돌리기 시작한 것이

다. 대표적인 예로는 우리나라 기업 중 서울옵토디바이스와 LG이노텍이

있다. 이들은 디스플레이 및 조명용 청색 LED 광원 분야 기술력을 기반

으로 UV LED도 개발하고 있다. 해외에서는 Nichia(일), Epistar(대),

Everlight(대), Dowa(일), Panasonic(일), Toshiba(일), Vishay(미), Bivar

(미), Stanley(일), Mitsubishi(일), Photonstar LED(영), SemiLED(미),

Luminus(미), LED Engin(미), UV Craftory(일), Acerde(프), Crystal-N(독),

Heraeus(독), YesLED(중) 등의 글로벌 대기업과 수십여 개의 중소 LED

업체들이 UV LED 사업에 참여하고 있다. 특히 대만과 중국에서 중소

LED 업체들의 참여가 확대되고 있는데, 이미 백색 LED의 경우에서와 마

찬가지로 이들 업체들의 참여가 LED 칩 가격 하락을 견인하여 시장 확대

에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망된다. 그 밖에 Crystal IS(미),

Hexatech(미), Nitek(미), e:lumix(독), Epitex(일), Nitride Semiconductors

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(일), SETi(미), UVET(중) 등의 소수 업체들은 UV LED에만 특화하여 사

업을 영위하고 있다. 또한 향후 삼성전자, 이츠웰을 비롯한 국내 업체들과

Cree(미), Philips(네), Toyoda Gosei(일) 등의 글로벌 LED 전문 업체들이

본격적으로 가세한다면 UV LED 기술 혁신과 시장 성장은 더욱 가속화될

전망이다.

그림 27. 지역별 UV LED 참여 업체[7]

지역별로 나눠보면, 주로 경화 분야의 UVA 영역은 우리나라와

일본, 중국, 대만을 비롯한 아시아 업체들이 많은 비중을 차지하고 있지

만, UVC를 이용한 살균·정화 분야에서는 AlN 기술을 바탕으로 미국 업

체들이 앞서 나가고 있다. 그러나 최근에는 일본과 중국 업체들을 중심으

로 UVC 영역에도 진출하고 있어 향후에는 아시아 업체들의 활약이 더욱

두드러질 것으로 전망된다. 또한 UVC LED의 가격 하락과 성능 향상이

이루어진다면 기존의 UVA 영역의 업체들이 대거 UVC 영역에 진입할 것

으로 전망된다.

UV LED 산업의 공급망은 아래 그림과 같이 나타낼 수 있다. UV

LED 칩 생산 단계는 주로 사파이어 기판 위에 GaN, AlN 등의 반도체

층을 에피 성장(Epitaxial Growth) 시켜 단일 칩을 만드는 단계를 말한다.

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그 후 이를 패키지하고 배열하여 모듈화 하는 공정까지 거친 제품을 UV

LED 광원으로 정의할 수 있다. UV LED 광원은 경화 인쇄기, 살균·정화

기, 분광분석기, 위폐감별기, 피부과 의료장비 등 다양한 용도로 시스템화

되어 사용된다. 앞서 언급한 대부분의 LED 업체들은 UV LED 칩을 모듈

화 하는 광원 분야에 집중되어 있는 편이다. 반면 기존의 UV 시스템 업

체들은 대부분 UV LED 모듈을 이용하여 시스템을 제작하는 영역에 집중

되어 있다. 반면, Toshiba(일), Mitsubishi(일), Panasonic(일) 등 일본의 대

기업들과 SETi(미), e:lumix(독) 등 전문 업체들은 UV LED 칩에서 시스템

까지 전체 영역에 참여하며 영향력을 확대하고 있다.

그림 28. UV LED 산업의 공급망

현재 패키지/모듈까지 포함한 UV LED 광원 시장에서 서울옵토

디바이스, Nichia(일), SETi(미), SemiLEDs(미) 등 4개 업체가 전체 시장의

80%를 독점하고 있고, 그 밖에 Nitride Semiconductor(일), LED Engin

(미), UV Craftory(일) 등의 업체가 뒤를 잇고 있다. UV LED 시장의 성

장으로 인해 이들 업체들의 수입은 해마다 상승하고 있는 추세이다. 그러

나 1위 기업인 Nichia(일)의 초기 시장 점유율은 타 기업에 비해 매우 높

았으나 중국, 대만 업체들이 대거 참여하였고, SemiLEDs(미), LED Engin

(미) 등 경쟁사의 성장이 빨라 점차 하락하고 있는 추세이다.

- 39 -

그림 29. 2012년 UV LED 시장 점유율[7]

1) 인쇄·경화 분야

경화 시스템과 잉크 등 소재를 모두 포함한 글로벌 UV 경화 시

장은 2008년 6억 달러 규모에서 2012년 7.3억 달러로 성장하였으며, 향후

7.1%의 연평균 성장률로 성장하여 2017년 10.3억 달러에 이를 것으로 전

망된다. 이는 전자빔 등 다른 에너지원을 이용하는 모든 경화 시장의 약

40%를 차지하는 수준이며, 전체 경화 시장의 연평균 성장률 5%에 비해

상대적으로 높다. 그 중 UV 램프 시장의 규모는 2012년 1.5억달러 수준으

로 전체 UV 경화 시장의 20%를 차지하고 있다.

- 40 -

그림 30. UV 경화 시장 규모 전망(Yole 2013을 바탕으로 KISTI 추정)

UV 경화 시장에서 우리나라를 비롯한 중국, 일본, 대만 등 아시

아 국가들의 수요가 전 세계의 50%를 육박하고 있다. 특히 중국의 경우

반도체 등 전자 산업의 발전으로 최근 수요가 급증하고 있고 관련하여 중

국 현지 기업들의 성장도 두드러지고 있다. 그 밖에 인도, 브라질, 멕시코,

베트남, 터키 등도 UV 경화 기술의 도입이 급증하고 있는 추세이다.

그림 31. 2012년 권역별 UV 경화 시스템 수요[7]

- 41 -

UV 경화 시스템은 크게 램프, 반사판(reflector), 전원공급장치

(power supply)로 구성되어 있다. UV 경화 시스템은 별도의 개별적인 장

비로 구성되기도 하고 생산 공정 상 하나의 모듈로 설치되기도 한다. UV

경화 시스템은 광원의 크기에 따라 크게 두 가지로 구분된다. 첫 번째 전

체 UV 경화 시스템의 85~90%를 차지하고 있는 대면적 경화시스템은 그

래픽 아트용 인쇄나 코팅에 주로 사용된다. 광원 면적이 최대 2 m에 이

르는 제품이 출시되고 있으며 전체 경화 시스템 가격이 수천만 원대에 이

른다. 현재까지는 대면적 경화 시스템 영역에서는 IST(독), Hoenle(독),

Fusion UV(미), GEW(영), Phoseon(미) 등의 전통적인 UV 램프 업체들이

시장을 주도하고 있는데, 아직까지 UV LED의 침투율은 5%에도 이르지

못한 상황이다. 반면 광원의 직경이 1 cm 이하인 소형 UV 경화 시스템

은 주로 정밀 접착이나 봉지 분야에 사용되고 있다. 소형 UV 경화 시스

템은 전체 UV 경화 시장의 15% 미만을 차지하고 있으며 제품의 가격은

수백만 원 수준으로 상대적으로 저렴한 편이다. 현재는 주로 아시아 지역

의 전자 산업에 사용되면서 특히 일본 업체들이 시장을 주도하고 있다.

UV LED가 경화 분야에 접목된 것은 2000년대 초반으로, 처음에

는 주로 접착이나 코팅 분야에 활용되었다가 2000년대 중반부터는 인쇄와

봉지 분야에도 적용되고 있다. UV LED는 특히 최근 각광받고 있는

ink-jet 방식의 인쇄에 주로 사용되고 있는데, 그 이유는 ink-jet 인쇄의 경

우 기판과 광원과의 거리가 짧아 열에 의한 소재 변형이 우려되어 기존

수은 램프로의 접근에 한계가 있었기 때문이다. UV LED는 또한 소형화

에 유리하여 저속 코팅이나 접착 등의 용도로 소형 UV 경화 시스템 시장

을 빠르게 대체하고 있다. 제품의 소형화는 무게를 가볍게 하여 휴대 가

능한 경화 장비의 시장 성장도 가속화 시킨다. 이러한 장점을 바탕으로

소형 UV 경화시스템 시장에서 UV LED를 이용한 제품의 침투율이 50%

이상을 차지하고 있다. LED는 광원의 빛을 광도파로(light guide cable)를

통해 집중시킬 수 있기 때문에 단위 면적당 광출력 즉 광출력밀도가 기존

수은 램프에 비해 높다는 점도 소형 경화 시스템에서 UV LED의 침투를

가속화시키고 있다. UV LED의 침투로 인해 최근 경화 시스템의 이용 파

장도 365 nm에서 395 nm로 이동되고 있다. 이것은 기존 수은 램프의 경

우 365 nm에서 강한 발광을 나타내었던 반면, UV LED의 경우 395 nm

를 비롯하여 장파장으로 갈수록 복사조도와 광출력이 높기 때문이다.

- 42 -

기존 수은 램프에 비해 UV LED의 광출력이 부족하다는 점이 시

장 대체를 위한 발목을 잡아왔는데, 사실 UV LED 경화 시스템의 광출력

은 해마다 꾸준히 개선되어 왔다. 395 nm에서의 UV LED 경화 시스템의

광출력은 2003년 이후 40% 이상의 연평균 성장률로 성장하여 2012년에

16 W/cm2에 이르렀으며, 이러한 성장은 Phoseon(미), Luminus Devices

(미), Integration Technologies(영) 등의 선도 업체 주도로 이루어졌다.

그림 32. UV LED 경화 시스템의 광출력 개선[7]

경화 분야의 글로벌 UV LED 광원 시장은 2012년 3,300만 달러

수준에서 40% 이상의 연평균 성장률을 보이며 성장하여 2017년까지 2억

달러 규모에 이를 것으로 기대된다. 특히 UV LED의 출력이 향상되면서

이런 경향을 가속화 될 것으로 기대된다. UV LED의 광출력은 5년 이내

20 W/cm2 이상으로 증가되고 대면적화도 이루어져, 5년 이내에 UV 경

화 시스템의 80%를 UV LED가 대체할 것으로 기대된다.

기존 UV 경화 시스템 시장에서는 Phoseon(미), Fusion UV(미),

Lumen Dynamics(미), Baldwin(영), GEW(영), Heraeus(독), IST(독),

Honle(독), Panasonic(일), Omron(일), Hamamatsu(일) 등 미국, 유럽, 일

본의 UV 램프 업체들과 Dongguan Hengxin(중), Zhuozhou Xupurui(중)

등 20여 개의 중국 업체들이 전체 시장을 주도하였다. 특히 IST(독)가 그

래픽 아트 분야에서 강세를 보이며 시장을 주도하고 있고, Honle(독),

- 43 -

Fusion UV(미), Baldwin(미) 등이 뒤를 잇고 있다. 기존 UV 경화 시스템

에서는 광원 자체가 시스템 전체에 매우 큰 역할을 했기 때문에, 모든

UV 경화 시스템 업체들은 UV 램프도 함께 생산하였다. 기존 UV 광원의

수요는 제품 생산 및 광원 교체를 위한 부분을 모두 포함하고 있으며, 이

들 업체들에서 광원의 교체로 인한 수입이 전체 수입의 10~20%를 차지하

였다.

그림 33. 선도 기업들의 UV LED 기술 채택[7]

앞서 언급한 바와 같이 2000년대에 들어 이들 기존 UV 경화 시

스템 선도 업체들이 UV LED 기술을 채택하기 시작하였는데, 대표적으로

Phoseon(미)이 가장 먼저 UV LED 기술을 경화 시스템에 적용하여 현재

까지 가장 큰 시장 점유를 시현하고 있다. 다음으로 Honle(독)이 2005년

에 LED 기술을 도입하였는데 Honle(독)은 주로 접착, 봉지 분야의 소형

경화기에 초점을 맞춰 제품을 생산해 오고 있다. 그 후 2010년을 기점으

로 Heraeus(독), IST(독), Baldwin(영) 등 유럽의 전통 UV 경화 시스템 업

체들이 고출력의 다양한 제품들을 내놓으면서 UV LED 경화 시장에 참여

하였다. 그 중 IST(독)는 2010년 최초로 ink-jet 인쇄용 UV LED 경화 시

스템을 출시하여 주목 받았으며, 2011년부터는 Integration Technology(영)

과 전략적인 협력 관계를 유지해오고 있다. 그 밖에 Lumen Dynamics

- 44 -

(미), Panasonic(일), Hamamatsu(일), Omron(일) 등도 2000년대 후반에 소

형 UV LED 경화기 위주의 제품을 출시하고 있으며, AMS systems(미),

Exelitas(미) 등의 업체들도 2010년대 들어 시장에 참여하였다.

그림 34. 최근 출시된 UV LED 경화 시스템 및 광원

국내 업체 중에는 최근 선인나노기술이 OLED와 LCD 생산 공정

에 터치스크린 패널을 접합하는 과정에 활용 가능한 UV LED 경화 시스

템을 개발하였다. 선인나노기술은 매우 얇은 틈새의 터치스크린 패널을

접합하기 위해 광출력밀도를 높인 스팟(spot)형과 라인(line)형 광원을 구

현하였다. 유브이에스엠티도 최근 선형 바(bar) 형태의 UV LED 경화 시

스템을 국제 접착 코팅 필름산업 전시회(ATEM FAIR)에서 선보였다. 유

브이에스엠티의 제품은 한 대의 컨트롤러에서 디스플레이를 통해 구동 조

건을 확인하고 4개의 헤드에 연결된 UV 경화기를 제어할 수 있는 특징을

갖고 있다.

- 45 -

그림 35. 선인나노기술(좌)과 유브이에스엠티(우)에서 개발한 UV LED 경화

시스템[8, 21]

UV LED 기술이 채택되면서 기존의 공급망 변경도 불가피하게

되었다. 왜냐하면 기존 UV 경화 시스템 업체들이 단기간에 LED 칩 생산

기술 등을 독자적으로 확보할 수 없었기 때문이다. 따라서 기존 업체들은

UV LED 칩을 전문 업체인 Nichia(일), SemiLEDs(미), Nitride

semiconductors(일) 등으로부터 구매하여 모듈화하고 이것을 시스템에 탑

재하여 UV LED 경화 시스템을 제작하였다. 이러한 공급망의 변화는

LED 제작 업체들의 UV 경화 시스템 시장 참여를 유도하였다. UV 경화

시스템의 핵심은 광원이었고 결국 UV LED 칩 생산이 핵심으로 부상하면

서 Clearstone(미), Cool LED(영), Summit UV(미) 등 UV LED 기술을 갖

춘 업체들이 UV LED 경화 시스템 시장에 참여하게 된 것이다. 이러한

변화는 앞으로도 더욱 심화되어 기존 UV 경화 시스템 업체와의 경쟁이

심화될 것으로 보인다.

- 46 -

그림 36. UV LED 경화 시스템 공급망

그 밖에 잉크, 코팅제, 접착제 분야에는 Inx(미), Sunjet(미) 등의

업체가 참여하고 있으며, 대면적 광원이 들어가는 인쇄기나 코팅 기계의

경우 Agfa(벨), EFI(미), HP(미), Heidelberg(독), Roybi(일), Burkle(독) 등

의 업체가 참여하여 생산하고 있다.

2) 살균·정화 분야

UV 정수 시스템은 Cryptosporidum 등과 같이 염소 살균으로 제

거가 용이하지 않은 미생물을 살균해야 하는 규정으로 인해 미국과 독일

을 중심으로 1990년대 후반부터 각광받기 시작했다. UV 정수 시스템 분

야에는 Trojan UV(미), Wedeco ITT(독), Halma Group(영), Calgon

Carbon(미), Waterlogic(영), Tana Water(아), Hydrophoton(미) 등 미국,

유럽 업체들이 참여하고 있으며, 이 중 UV LED를 이용하고 있는 업체는

아직까지 많지 않다.

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그림 37. UV 정수 시스템 업체 현황[7]

UV LED는 특히 UVC 영역에서 아직까지 광출력이 낮고 비싼 편

이어서 고전압이 요구되는 정수 시스템에는 적용되기 어렵다. 반면 개인

용이나 소형 장치에는 최근 UV LED를 적용하기 위해 연구개발이 진행되

고 있다. 먼저 Hydrophoton(미)이 2006년부터 SETi의 UV LED를 UV 정

수 시스템에 적용하고자 하였으나 가격 대비 좋은 성능을 구현하지 못하

고 있는 상황이다. 2008년에는 Trojan UV(미)가 1 mW UVC LED 칩

2,500개를 1 cm2에 배열하여 고전압 수은 램프 수준인 2.5 W/cm2의 정

수시스템에 대한 특허를 출원하였다. 이들은 전구를 물에 밀착시킴으로써

조사 밀도를 높이고 물로 인한 방열 효과까지 얻을 수 있다고 주장하였으

나 아직까지 상업화에 이르지는 못하고 있다. 그 후 2012년 Alma Group

(미)의 Aquionics(미)가 Dot Metrics(미)와의 협력을 통해 세계 최초로 UV

LED만으로 이루어진 정수 시스템을 개발하였다. 이들의 제품은 기존 수

은 램프에 견주어 5배 높은 살균 효율을 보여주어, UV LED의 대체 가능

성을 보여주었다.

- 48 -

그림 38. UV LED를 이용한 정수 시스템[22]

최근 대기 오염과 신종 플루와 같은 감염성 질환에 대한 사람들

의 우려가 심화되면서 UV 공기정화 시스템에 대한 관심도 높아지고 있

다. 정수 시스템과 마찬가지로 공기정화 시스템에서도 기존의 필터 방식

과 함께 보완 요소로써 자외선 살균·정화 모듈이 적용된다. 현재 30 W

미만에서 수십만 원대에 팔리고 있는 가정용을 비롯한 소형 제품은 물론,

사무실, 병원, 공장 등 대형 건물에는 100 W 이상 수천만 원에 이르는 공

기조화 시스템에도 자외선 살균이 적용되고 있다. 공기조화 시스템에 자

외선 살균이 가미되면 정화를 위한 유속을 높이고 살균 효율이 높아져 에

너지 효율을 낮출 수 있다. 그러나 아직까지는 필터 방식만 적용된 시스

템이 대부분이며, 자외선 살균까지 적용된 제품은 10% 미만인 것으로 알

려져 있다.

현재의 UV 공기정화 시스템 시장에는 매우 많은 중소업체들이

참여하고 있으며, UV 정수시스템 분야까지 함께 참여하고 있는 경우도

있다. UV 공기정화 시스템 분야의 대표 기업으로는 스위스 Steril Aire,

American Air & Water(미), Aller Air(미), Calutech(미), Comtech

Research(미), Atlantic UV(미), Eco RX(미), Steril System(독), UV

Consulting(독), Jimco(덴), Sunpure(중), Purecomes Technology(중),

AlenCorp(중) 등이 있다. 정수 분야와 마찬가지로 현재까지는 UVC LED

를 공기정화 시스템에 적용하고 있는 업체는 거의 없으며, 몇몇 업체들이

이러한 기술에 대해 권리화 하고 있는 수준이다.

- 49 -

3) 분광분석 분야

분광분석 분야에서는 현재 듀테륨 램프가 주로 사용되고 있어 전

체 시장의 60~70 %를 차지하고 있다. 분석범위는 VUV를 제외한 200 nm

이상의 파장이 대부분을 차지하고 있고, 광출력밀도는 300 W/cm2 수준

의 장비가 사용된다. 듀테륨 램프의 수명이 2,000 시간 정도로 길지 않기

때문에 자주 교체해 주어야 하는데 대략적인 가격은 개당 수십만 원에 이

른다.

현재 분광분석기 시장에는 Perkin Elmer(미), Shimadzu(일),

Horiba Jobin Yvon(프), Thermo Fisher(미), Hitachi(일), Varian(호),

Agilent(미), Newport(미), Ocean Optics(미), Stellar Net(미), Bioteck(미),

Tecan(중)을 비롯하여 100개 이상의 업체가 참여하고 있다. 이 중 UVC

LED를 이용하는 업체는 Horiba Jobin Yvon(프) 정도의 일부에 국한되어

있다. 활용 목적도 대상 물질이 흡수하는 특정 파장의 빛을 찾아내기 위

해서라기보다는 특정 파장의 광원을 이용하여 발광 수명을 측정하는 용도

위주로 사용되는데, 이것은 앞서 언급한 바와 같이 LED 광원이 태생적으

로 단일 파장의 빛을 발광하는 한계 때문이다. 이러한 이유로 지난 2006

에 이미 UV LED가 분광분석에 처음 시도되었으나 아직까지 활발히 쓰이

지 못하고 있다. 하지만 향후 특히 단파장 영역의 LED 조성이 안정적으

로 확보되고 광출력이 개선된다면, 수명이 짧은 듀테륨 램프를 대체하고

자 하는 노력이 더욱 활발해 질 것으로 기대된다.

그림 39. Horiba Jobin Yvon의 분광분석용 LED 광원[23]

- 50 -

4) 보안 분야

앞서 언급한 바와 같이, UV LED를 이용한 화폐, 여권, 문서 위조

감별 기술은 2003년에 처음 도입되었으며, UV LED의 여러 가지 장점으

로 인해 이미 대체가 상당히 진행된 상황이다. 펜 타입의 위조 감별기는

만 원 정도의 가격에 팔리고 있다. 또한 은행이나 상점에서 사용되는 소

형 감별기는 십만 원대의 가격으로 팔리고 있고, 대형 은행 등에 팔리는

제품은 가격이 수천만 원에 이르기도 한다.

100개가 넘는 기존의 위폐 감별기 업체들이 UV LED 기술을 자

사의 제품 라인업에 적용하고 있다. Giesecke & Devrient(독), Bellcon(덴),

Safescan(네), Hangzhou Bright Group(중), Shenzhen Double Power

Electronics(중) 등이 대표 업체이며, 특히 저가격의 휴대용 감별기는 주로

아시아 지역에서 생산되고 있다.

5) 광선 치료 및 tanning

미국을 중심으로 가정용 장비가 출시되긴 하였지만, UV 광선 치

료는 대부분 병원에서 이루어지고 있다. UV 광선 치료 장비는

Waldmann(독), UV Biotek(미), National Biological(미), Solarc System(미),

Schulze & Boehm(독) 등의 업체가 앞서 있는데 아직까지는 기존 수은 램

프를 이용하고 있다. UV LED를 이용한 광선치료 분야에서는 2006년 설

립된 Opthera(미)가 tanning 기술과 함께 2009년 미국 FDA 승인을 받는

등 연구개발을 활발히 하고 있다. 또한 2012년 Wellness Center USA(미)

에 인수된 Psoria Shield(미) 역시 SETi LEDs(미)의 LED를 이용하여 제품

출시를 준비 중이다.

Tanning 분야는 광선 치료와 비슷한 성격을 띤다. Tanning bed는

초기 투자비용이 크고 자주 사용하지 않기 때문에 사용자가 직접 구매하

여 사용하기에는 무리가 있어, 대여나 프렌차이즈 방식의 사업이 이루어

지고 있다. 현재 tanning 분야에서는 JK Group(독)이 세계 시장을 석권하

고 있으며 UV LED 기술 적용을 위해 2007년부터 연구개발을 수행해 오

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고 있다. 한편 Opthera(미)도 UV LED를 이용한 tanning bed에 대한 특

허권을 확보하고 있으며 미국 FDA의 승인까지 받은 상태이다.

다. 광촉매 정화

광촉매를 이용한 공기 정화 분야는 기존의 필터링을 이용하는 방

법에 비해 비싸고 관련 규정이 없는 상태이다. 또한 정수 분야에서는 정

수 속도가 느려, 아직까지는 광촉매 정화 분야에 UV LED가 크게 적용되

지는 않고 있다.

광촉매를 이용한 공기청정기는 Daikin(미), Carrier(미) 등의 대형

공기청정기 업체들이 주도하고 있고 그 밖에 Air Oasis(미), Airwise(미)

등도 참여하고 있다. 정수 분야에서는 Puralytics(미)가 최근 UVA/UVC

LED를 혼합하여 사용하는 광촉매 정수기를 개발하였다. 이는 UVA의 광

촉매 활성화 특성과 UVC의 강력한 에너지를 병행하는 원리로 살균·정화

한다. 그러나 현재 수준으로는 정수 속도가 분당 2 L 수준으로 낮아 산업

용으로 적용하는 데는 한계가 있다.

그림 40. Puralytics의 UV LED 정수 시스템[24]

- 52 -

2. 성장·저해 요인

앞서 언급한 바와 같이 UV LED는 기존 수은 램프에 비해 다양

한 장점을 가지고 있다. UV LED는 작고 가벼우며 수명이 길어 유지보수

비용이 적게 들고 발열량이 적어 ink-jet 인쇄와 같이 열에 민감한 공정에

적용하기 용이하다. 또한 응답속도가 빨라 즉시 on-off가 가능하고 휴지기

에 광원을 끌 수 있어 전력소모가 적다. 수은과 같은 독성 방전 가스를

사용하지 않고 파장 조절이 용이하여 불필요한 UVC와 오존 발생을 줄일

수 있다는 것도 환경적인 측면에서 장점이다. 이러한 장점을 바탕으로 기

존의 경화 분야 이외에 다양한 응용 분야에서 관심을 받고 있고, 이러한

상황이 UV LED의 가장 큰 성장 요인이다. 또한 최근 기존 LED 업체들

이 대거 UV LED 산업에 관심을 갖고 참여하고 있어, 기술개발과 광원

가격 하락이 이루어질 것이라는 점도 고무적이다. 최근 환경 문제가 중요

한 이슈로 대두되며, 살균 정화에 대한 사람들의 관심이 증대되고 있는

것도 시장 성장의 주요 요인이다.

그림 41. UV LED의 성장 저해 요인]

- 53 -

그러나 UV LED가 시장에서 더욱 적극적으로 쓰이기 위해서는

몇 가지 개선해야 할 부분이 있다. 현재 UV LED의 가장 큰 단점은 아직

까지 대면적 고속 공정 시 광출력이 부족하다는 점이다. UV LED는 점광

원으로서 기존 수은 램프에 비해 광 집적도가 높은 편이지만, 광원과 기

판 사이의 거리가 늘어나면 빛이 퍼지면서 단위면적당 광출력이 감소한

다. UV 경화 시스템에서 UV 램프와 기판 사이의 거리는 적게는 10 cm

에서 크게는 2.3 m에 이르기까지 다양하다. 그 중 1 m 이상 거리가 떨어

진 제품이 절반을 넘는다. 이러한 환경에서 중압 수은 UV 램프의 광출력

은 80 ~200 W/cm 수준에 이르지만 UV LED는 이에 이르지 못하고 있

다. 광출력을 높이기 위해 더 많은 LED 칩을 사용하면 되지만 LED 칩의

개수가 늘어날수록 UV 경화 시스템의 가격은 크게 늘어 LED 칩의 원가

비중이 50%를 넘길 수 있다. 또한 일반적으로 UV LED는 파장이 짧아질

수록 광출력이 감소하고 UVC 영역의 경우는 아직 광출력이 매우 부족한

상황이다.

광출력과 떼어 놓을 수 없는 UV LED 시장의 또 다른 성장 저해

요인은 바로 가격 문제인데, 구체적으로 UV LED가 기존 수은 램프에 비

해 가격이 비싸며 아직 가격 하락이 더디다는 점이다. 앞서 언급한 바와

같이 UV LED의 광출력은 파장이 짧을수록 떨어져, 광출력 당 가격은 파

장이 짧을수록 비싸다. 현재 단계에서 기존 수은 램프와 비교하면, 400

nm 부근에서는 $1/W 수준으로 비슷하다. 그러나 254 nm 파장에서는

UV 램프의 경우 $5/W 수준인 것에 비해 UV LED는 $1,000/W가 넘어

매우 비싼 편이다. 물론 UV LED는 수명이 길어 유지보수 비용과 전원공

급장치 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 그럼에도 불구하고 광원 가격

의 차이가 매우 크다. 광원의 형태에 따라서도 큰 차이가 있는데, 접착 공

정에 주로 쓰이는 소형기기는 어느 정도 가격 경쟁력을 갖추었으나, 대면

적 시스템에 적용 시에는 여전히 기존 수은 램프에 비해 매우 비싼 편이

다. 예를 들면, UVC를 이용한 살균·정화 분야의 현재 수준은 대략

$200/W 수준인데 기존 제품과의 경쟁력을 갖추기 위해서는 $50/W ~

$100/W까지는 가격이 하락해야 한다. 이를 위해서는 효율이 개선되어야

하는데, UVC 영역에서 10% 미만의 광변환효율을 최소한 현재의 UVA

수준인 20 ~ 30%까지는 높여야 한다.

UV LED의 가격 하락이 더딘 이유는 아직까지는 수요량이 크지

- 54 -

않고 기술적 경쟁이 심화되지 않았기 때문이다. 지금까지는 디스플레이

조명용 LED 기술 발전이 주도적으로 이루어져 UV LED 기술 혁신이 더

딘 편이다. 그러나 최근 UV 광원 선도 업체들과 기존 LED 업체들이 본

격적으로 UV LED 분야에 참여하면서 공정 기술 혁신과 가격 하락이 가

속화될 것으로 전망된다. 또한 최근 중국과 대만 업체들의 참여도 가격

하락에 긍정적으로 작용할 것으로 전망된다.

UV LED의 기술 이슈 중 또 다른 하나는 바로 방열 설계이다.

UV LED는 기존 수은 UV 램프에 비해 상대적으로 발열량이 적지만 입력

된 전력의 70% 이상은 열에너지로 변환된다. 발생된 열에너지는 주로

LED 광원의 뒷면에 부착된 방열 모듈을 통해 전도의 형태로 빠져나가게

된다. 이때 방열이 효과적으로 이루어지지 않으면 칩의 온도가 증가하여

성능이 저하되거나 영구적인 손상을 입을 수 있다. 대표적으로 손상 유형

으로는 구동 중 온도가 증가함에 따라 발광 파장이 변하고 수명이 짧아진

다는 점이다.

그림 42. 구동 온도에 따른 LED 물성 저하[25]

방열 문제는 특히 UVC를 이용한 살균·정화 분야에서 더욱 중요

해진다. 기존의 수은램프는 주로 대류와 복사를 통해 방열을 하는데, 정수

나 공기정화 하는 과정에서 유체의 흐름이 상대적으로 대면적의 램프를

직접 거쳐 가며 방열 효과가 증대된다. 그러나 칩이 봉지(encapsulation)

된 소형 광원 UV LED의 경우 이러한 개선 효과가 상대적으로 적다는 단

점이 있고 이를 개선하기 위한 연구개발이 필요한 상황이다.

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제 3 장 성능 개선을 위한 노력

1. 최근 기술개발 동향

UV LED가 시장에 적용된 것은 2000년대 초반이지만 이에 대한

연구는 1980년대부터 있어왔다. 아래 그림은 UV LED에 대한 논문 게재

동향을 나타낸다.1) UV LED에 대한 논문은 총 1,566건 검색되었으며,

1980년대 말에 발표되기 시작하였다. 발표된 논문 건수는 2000년대 초반

과 2010년 초반에 급격한 성장을 보였는데 분석 대상 기간 동안의 연평균

성장률은 23.7% 수준으로 나타났다.

그림 43. UV LED에 대한 논문 게재 동향

1) 논문 동향은 Web of Science(Thomson Reuters) 데이터베이스를 사용하여 한국과학기술정보연

구원 COMPAS 시스템을 통해 분석됨. 사용된 키워드는 Title: ("uv led*" or "ultraviolet led*"

or "uv light emitting diode*" or "ultraviolet light emitting diode*") OR Subject: ("uv led*"

or "ultraviolet led*" or "uv light emitting diode*" or "ultraviolet light emitting diode*")이

며, 1980년부터 2014년에 게재된 영문 논문에 한하여 분석함.

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UV LED에 대한 연구는 1990년대 후반 일본에서부터 본격적으로

시작되었다. 그리고 2000년대 초반에 미국 연구자들의 참여가 급격히 늘

면서 기술개발을 주도하게 되었고 2000년대 후반에는 중국에서의 논문 발

표가 폭발적으로 증가하면서 기술개발을 주도하고 있는 것으로 나타났다.

즉 2000년대 초반과 2010년대 초반의 급격한 논문 발표 증가는 각각 미국

과 중국의 본격적인 연구개발이 원인으로 나타났다. 최근 많은 중국 업체

들이 UV LED 시장에 참여하고 있는데, 이러한 시장의 니즈가 연구개발

의 활성화에도 직접적인 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.

순위 국가 논문 수 비중 (%)

1 China 412 26.31

2 USA 354 22.61

3 Japan 244 15.58

4 South Korea 206 13.15

5 Taiwan 134 8.56

6 Germany 69 4.41

7 France 44 2.81

8 India 39 2.49

9 UK 35 2.23

10 Australia 30 1.92

그림 44. 국가별 UV LED에 대한 논문 게재 동향

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우리나라의 경우는 미국, 중국과 달리 급격한 성장을 보이진 않았

고, 2000년대 초반부터 상대적으로 완만하게 논문 발표가 증가하고 있는

추세에 있다. 우리나라는 현재까지 200여 편의 논문을 발표하여 전체 57

개 국가 중에서 중국, 미국, 일본에 이어 네 번째로 논문 발표를 많이 하

고 있다. 그러나 논문 수에 비해 수준지수는 다소 낮은 것으로 평가되었

다. 우리나라 연구자들이 발표한 UV LED 관련 논문의 경우 논문 당 피

인용 수가 12.3회 수준으로, 국가별 평균을 1로 하였을 때 우리나라는

0.693이며 이는 미국, 일본은 물론 대만, 프랑스, 호주, 인도에 비해서도

뒤쳐져 있는 수준이다. 따라서 UV LED에 대한 연구개발의 질적 수준 향

상에 보다 큰 관심을 가져야 할 것으로 판단된다.

그림 45. UV LED 관련 논문의 국가별 수준 비교

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전 세계 기관별로는 중국의 Chinese Academy of Science(중),

Huazhong University of Science and Technology(중)과 대만의 National

Chiao tung University(대), National Cheng Kung Univerisy(대)을 비롯

하여, 미국의 University of South Carolina(미), Sensor Electronic

Technology(미), Rensselaer Polytech Institute(미)에서 활발한 연구개발이

이루어지고 있다. 국내에서는 고려대학교, 부경대학교, 광주과학기술원, 충

북대학교, 전남대학교, 서울대학교, 삼성전자종합기술원, 한국과학기술원

등을 중심으로 연구개발이 이루어지고 있다.

표 2. UV LED에 대한 우리나라 주요 연구 기관

번호 한국기관 논문 수

1 Korea Univ 31

2 Pukyong Natl Univ 29

3 Gwangju Inst Sci & Technol 22

4 Chonbuk Natl Univ 18

5 Chonnam Natl Univ 16

6 Seoul Natl Univ 15

7 Samsung Adv Inst Technol 15

8 Korea Adv Inst Sci & Technol 14

9 Korea Photon Technol Inst 11

10 Sungkyunkwan Univ 10

UV LED에 관한 논문들 중 인용도가 높은 논문들은 자외선을 발

광하는 새로운 소재의 LED 칩을 소개하거나 칩의 나노 구조 변형을 통해

광출력을 개선하는 즉 칩 자체에 대한 연구 내용을 다루고 있다. 가장 인

용이 많이 된 논문은 일본 NTT Corporation의 Y. Taniyasu, M. Kasu, T.

Makimoto가 2006년에 Nature에 발표한 논문으로, 밴드 갭(band gap) 에

너지가 큰 AlN에 n-type, p-type 도핑(doping)을 통해 210 nm의 자외선

을 발광하는 UV LED를 제조했다는 내용을 담고 있다. 당시로서 가장 짧

은 파장인 210 nm를 LED를 통해 구현했다는 것이 핵심이며 발표 이후

현재까지 600회 이상 인용되고 있다.

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그림 46. Y. Taniyasu 등의 PIN 구조의 AlN LED 구현 결과[26]

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그림 47. p-SrCu2O2/n-ZnO(좌)와 다이아몬드(우)를 이용한 UV LED의 발광

스펙트럼 [27, 28]

AlN와 GaN 이외에 ZnO와 다이아몬드 등 새로운 반도체 조성을

이용한 UV LED 구현에 대한 연구도 진행되었다. 그 밖에 AlGaN 반도체

층을 전자 빔을 이용하여 규칙적으로 식각하여 광자 결정(photonic

crystal)으로 만들거나, 혹은 사파이어 기판 자체를 패턴화 함으로써 발생

된 빛의 전반사를 막고 외부 양자 효율을 획기적으로 개선시킨 연구도 진

행되어 왔다. 또한 T. Nishida 등은 2001년 AlGaN 기반 UV LED를 제작

하는데 기존의 사파이어 기판이 아닌 벌크(bulk) GaN 기판을 적용함으로

써 352 nm에서 내부양자효율을 80% 이상 얻고 광출력도 개선시킨 연구

를 발표한 바 있다.

그림 48. 광자결정(좌)과 패턴 된 기판(우)을 적용한 UV LED 구조 [29, 30]

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한편으로는 LED가 조명과 디스플레이에 우선 적용되면서, UV

LED와 형광체를 혼합하여 백색광을 구현하는 연구 내용도 다른 연구자들

에게 주목을 받아 왔다. 대표적으로 J. K. Sheu 등은 2003년 UV LED와

RGB 형광체를 혼합하여 색온도 5,900K, 연색지수 75의 백색 LED를 구현

하였다. 본 논문에서 UV LED를 이용한 백색 LED가 구동 전류를 20 mA

에서 60 mA로 이동시키는 동안 색온도와 연색지수가 변하지 않아 청색

LED를 이용한 기존의 백색 LED에 비해 안정하다고 보고하였다. 그와 더

불어 UV LED용 형광체에 대한 연구도 활발히 진행되어 왔는데, 예를 들

면 W. J. Yang 등이 2005년 보고한 CaAl2Si2O8:Eu2+, Mn2+ 등이 있으

며, 그 밖에도 무수히 많은 조성의 형광체가 UV LED용 형광체로 연구되

어 왔다.

그림 49. UV LED 기반 백색 LED(좌)와 UV LED용 형광체(우) 연구 결과 [31,

32]

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논문 발표 수와 마찬가지로 특허 등록 건수도 지속적인 증가 추

세에 있다. 아래 그림은 미국 등록 특허 동향을 나타내는데, 2001년 이후

UV LED 관련 미국 등록 특허는 총 478 건이 검색되었다.2) 미국 등록 특

허 건수는 2000년대 중반에 급격히 성장하였다가 2010년대 들어 다시 한

번 급격한 성장을 보였고, 2002년부터 2013년까지 50% 이상의 높은 연평

균 성장률이 보이고 있다.

그림 50. UV LED 관련 미국 등록 특허 현황

출원인의 국가별 현황을 살펴보면, 절반에 가까운 48%의 특허가

미국 국적 출원인이 보유하고 있으며, 일본(19%), 한국(14%), 대만(9%) 출

원인이 그 뒤를 잇고 있다. 특히 우리나라와 대만은 일본과 달리 2010년

대 들어 미국 등록 특허 보유 건수가 급격히 증가하고 있다.

2) 미국 특허 및 PATSTAT 데이터베이스를 사용하여 한국과학기술정보연구원 COMPAS 시스템을

통해 분석됨. 사용된 키워드는 ((ttl:("uv led*" or "ultraviolet led*" or "uv light emitting

diode*" or "ultraviolet light emitting diode*") or abst:("uv led*" or "ultraviolet led*" or

"uv light emitting diode*" or "ultraviolet light emitting diode*") or aclm:("uv led*" or

"ultraviolet led*" or "uv light emitting diode*" or "ultraviolet light emitting diode*")),

apd:range(2001-01-01,2014-10-28,from="GE",to="LE"))이며, 2001년부터 2014년 사이에

등록된 특허에 한함.

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그림 51. 출원인 국가별 UV LED 관련 미국 등록 특허 보유 현황

그림 52. 출원인 국가별 UV LED 관련 미국 등록 특허의 수준

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순위 출원인 특허 수 수준지수3)

1 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. 13 0.256

1 LG Innotek Co., Ltd. 13 0.135

3 Samsung Electronics Co., Ltd. 12 0.554

4 Cree, Inc. 10 4.234

5 General Electric Company 9 6.221

6 Xerox Corporation 8 1.575

7Palo Alto Research Center

Incorporated7 0.525

8 Con-Trol-Cure, Inc. 6 1.604

8 Seoul Semiconductor Co., Ltd. 6 0.583

8 Nitek, Inc. 6 0.058

그러나 특허의 피인용 관점에서 수준을 비교해 보면, 싱가포르와

미국 출원인의 특허는 분야 평균 수준에 비해 높은 반면 그 외 국가들은

보유 특허의 질적 수준이 낮은 편이다. 특히 �