2009. 11. 17

백종협

LED 소자팀장

한국광기술원

2009. 11. 17

백종협

LED 소자팀장

한국광기술원

LED 광원기술 동향과 전망LED 광원기술 동향과 전망

2009. 11. 17

백종협

LED 소자팀장

한국광기술원

2009. 11. 17

백종협

LED 소자팀장

한국광기술원

Korea Photonics Technology Institute(KOPTI)

2 LED 광원기술동향

내용

1 LED 산업동향

KOPTI2/38

2 LED 광원기술동향

3 LED 산업전망

LED 응용분야의 확장

• 일반조명• 수송기기• 건축/도로• Task light• BLU

고효율 백색 광원 Full color 제어

• Sign/Display• BLU • 인지/감성조명• 농수산업용(재배/양식)

Ø 조명/디스플레이 à 의료, 환경, 통신, 농수산업으로 확장

KOPTI3/38

• 일반조명• 수송기기• 건축/도로• Task light• BLU

Wide bandgap(UV) 변조기능

• Sign/Display• BLU • 인지/감성조명• 농수산업용(재배/양식)

• 적외선통신(IrDA)• 가시광/조명 통신(VLC)• Covert communication

• 살균/정화/촉매• DNA 센서• 위폐감지• 고분자 Curing• Body treatment

국내 LED 산업현황

Ø 칩 2.8%, 패키지 7.7%, 응용/조명 62%, 장비 4,4%LED LED 기업현황기업현황LED LED 기업현황기업현황

삼성전자,LG전자…

Mobile Phone

삼성전자LGD

LCD

Automotive

SEMCO, LGIT,SSC, 루멘스

Key Pad

삼성전기, LG전자, 희성전자

LCD Panel

Car Lighting

서울반도체, 삼성LED,LGIT, 루미마이크로,알티전자, 루멘스, 목산전자, 럭스피아, 에이프로, 알티반도체

LED PKG

삼성LED, LGIT우리ETI

LED BLU 삼익전자, 대한전광,

한국전광

LED Display

삼성LED, LGIT, 에피밸리,갤럭시아포토닉스서울옵토디바이스더리즈, 나이넥스,

웨이브스퀘어, 우리LST

LED Chip, Epi

하이쏠라, 포스포티티엠, 크리스탈온,일진디스플레이

LED 部品素材

40 30

457 Companies(’08)

탑, 주성, IPS, ADP, 세메스, QMC…

LED Equipment

20

KOPTI4/38

현대, 기아,대우, 삼성

Automotive

현대, 대우조선

Ship Building

GS, 현대, 삼성,금호, 대우 …

Construction

SLC, CTL인희라이팅

Car Lighting

대양전기, STX조선삼성중공업,현대중공업

Ship Lighting

서울반도체, 삼성LED,LGIT, 루미마이크로,알티전자, 루멘스, 목산전자, 럭스피아, 에이프로, 알티반도체

금호전기, 대진디엠피LED라이텍, 갤럭시아, KDT, 아토디스플레이,

알에프텍, 남영전구, 화우

LED Lighting

알토조명, 이상C&C, 하모니칼라시스템

Lighting Design

삼성LED, LGIT, 에피밸리,갤럭시아포토닉스서울옵토디바이스더리즈, 나이넥스,

웨이브스퀘어, 우리LST

하이쏠라, 포스포티티엠, 크리스탈온,일진디스플레이

금호, …

Electric Facil.

261335

10

283

삼성라이텍,대양, 삼명

Marine

메디아나

Medical

광전자, 고덴시

Environment

LG, 삼성,대우

Home Elec.

삼성, 금호,네옵텍

Commun.

루미컴, 원광전자

Agriculture

LG, 삼성,대우

Military

0

200

400

600

800

1000

1200

Nichia OsramOpto

StanleyElectric

PhilipsLumileds

Citizen Cree SeoulSemi

Everlight Rhom AvagoTech

Revenue(M$)

21.6%

LED 광원 Market Share (공급자 기준)

일본: 44.1% 대만: 15.2%미국: 15.1%독일: 11%한국: 9.9%

세계 LED 광원시장 점유율

Global top 10Global top 10Global top 10Global top 10

KOPTI5/38

0

200

400

600

800

1000

1200

Nichia OsramOpto

StanleyElectric

PhilipsLumileds

Citizen Cree SeoulSemi

Everlight Rhom AvagoTech

10.6%

5.9% 5.8% 5.2% 5.0%4.4% 4.1% 4.0% 3.7%

출처: “HB LED Market Review and Forecast”,Strategies Unlimited(2009. 8)

일 독 일 미 일 미 한 대만 일 미

LED 광원시장

LED LED 광원시장의광원시장의 성장성장LED LED 광원시장의광원시장의 성장성장

KOPTI6/38

출처: Strategies unlimited (2009.2)

6.2배

LED 광원산업 전망

80.0

100.0

120.0

140.0OthersIlluminationSignalAutomotive(Display)Sign/(Display)other mobilemobile appliance

KOPTI 예측

억$

N-PC, TV

조명?

KOPTI7/38출처: Strategies Unlimited (2009.2)

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13

휴대폰

N-PC, TV

LED 광원 유형별 M/S

KOPTI8/38

출처: Strategies unlimited (2009.2)

선진기업의 합종연횡

Honeywell

JV

Phosphor OnlyRohm

Lite On

Everlight

SEMCO

Harvatek

Ya Hsin

VishaySumitomo(Japanese Dist)

Kingbright

UCSB

UCNC

CitizensElectronics

Sony (LD)

LaserDiode

MitsubishiChemical

Pending Lawsuit

NamatoField of Use Limited Tridonic

Atco

KOPTI9/38

CurrentPatent Dispute

Source: Canaccord Adams Research

OEMAgreement

Lexedis

JV

DominantBridgeLux

ToyodaGoseiOSRAMNichiaLumileds CREE

OptoTech

CurrentPatent Dispute

Seoul Semi Toshiba

Vishay

Lednium

PhosphorLicense

IP Free Industry Alliance

Patentspermission

License

Sumitomo(Japanese Dist)

License

OEM Agreement

CurrentPatent Dispute

Epistar

AOT

LumiMicro

Unity Opto

Itswell

Edison Opto

ProLight

Sumitomo

KingbrightIntematix

*

2 LED 광원기술동향

내용

1 LED 산업동향

KOPTI10/38

2 LED 광원기술동향

3 LED 산업전망

PSS

P-roughening

VLED

Nano

TCO

TFFC

Shaping

Technology Fusion

LumiledsSemileds

HWLP

LED 광원기술의 혁신

KOPTI11/38

1990 2000 2005 2010

TM

Cree

OSRAM

Semileds

Lumileds

광효율(lm

/w)

60

70

80

90

100

400W 수은등

70W 메탈 할라이드

40W 형광등

16W 저압 나트륨등

R&D 적색 LED (HP, 2000)

백색 LED, cool white (2009)

:249 lm/W 니치아 R&D (small chip)

:150 lm/W 루미레드 R&D (large chip)

:100 lm/W 상용제품 (large chip)

LED 성능발전

G

R

White

KOPTI12/38

Year

광효율(lm

/w)

0

10

30

20

40

50

1960 1970 1980 1990 2000

에디슨의 백열등

60W 백열등

30W 할로겐등

LED

2010

B

Y

G

광원의 이론적 성능

Calculation from ∫I(l)KmV(l)S(l)dl

KmV(l): Spectral luminous efficacy(683lm/W @ l=555nm)

S(l): Stoke Loss (Phosphor)

I(l): Spectrum intensity

∫I(l)dl = 1W, if WPE is 100%

이론 최대치

2009년에 300 lm/W로 수정발표

KOPTI13/38

형광등154 lm/W

UV 기반 백색 LED203 lm/W

청색 LED 기반 백색 LED263 lm/W

Nichia, ICNS 2007 (Las Vegas, 2007. 9.)

이론 최대치

150 lm/W100%

약 60%

LED칩패키지손실

AC/DC전원손실

제어회로손실

15-30% 1-5%10-20% 10-15%

25-50%

85 lm/W

최종 효율

LED 조명효율 손실

LED LED 조명기구조명기구 손실손실 흐름도흐름도LED LED 조명기구조명기구 손실손실 흐름도흐름도

KOPTI14/38

약 60%AC/DC전원손실

제어회로손실 광원모듈

온도상승손실 등기구손실

10-15%25-50%

연색성손실

칩효율향상

반도체 IC화→ Driver IC, 지능형 정전류제어

> 80%고방열 패키지→ HWLP

등기구설계저손실재료

고급 조명콘텐츠→ 심리/생리,감성이미지, S/W

고성능화저가화

고신뢰화를위한

기술개발

고방열 재료→ Heat Spreader

고방열 재료→ Heat Spreader

신뢰성평가, 고장분석고효율기자재 인증

형광체개발

e- injection

internal

extraction hnLED

LED 칩의 효율

LED LED 칩의칩의 광광 손실손실 흐름도흐름도LED LED 칩의칩의 광광 손실손실 흐름도흐름도

1120 mW(0.35A, 3.2V)

1020 mW(0.35A, 2.9V)

선진사 현재 최고수준 Chip 성능의 한계

hinjection 84% à 93%

외부양자효율

100 %

KOPTI15/38

941 mW

678 mW

508 mW(45%)

hinjection 84% à 93%

hinternal 72% à 90%

hextraction 75% à 90%

949 mW

854 mW

769 mW(75%)

Loss: 55% Loss: 25%

최종효율 45%

현재수준의 1.6배까지 상승 가능

Ø p-GaN rougheningØ Chip shaping Ø LED on patterned sapphire substrateØ Vertical chipØ Photonic crystal

칩공정 (추출효율), Extraction efficiency

고휘도 LED 칩 기술개발 이슈

KOPTI16/38

Ø n-GaN, n-face 오믹(수직형 LED) Ø p-GaN doping profileØ 전극 geometryØ 나노구조 오믹 (PC LED, SP LED)

Ø Micro/Nano structureØ Patterned substrateØ Lateral overgrowthØ Homo epitaxyØ Non-polar epiØ Surface plasmon

에피(내부양자효율), Internal quantum efficiency 오믹전극(Injection efficiency)

고효율 LED

qC 전반사

Photon

부분반사

8% 11%

epoxy

PackageChip탈출콘

광추출효율

KOPTI17/38

ns n0

qC = Sin-1(no/ns)

= 24o (공기, no=1)

= 37o (봉지재, no=1.5)

ns = LED 굴절율(2.5)

no = Ambient 굴절율

LED chip

2

22

2

41

41

211

21

s

oc

c

source

escapec n

nPP

==úúû

ù

êêë

é÷÷ø

öççè

æ--»= qqh

: Extraction efficiencych

Photon

고굴절율 봉지재

StandardStandard ThinGaNThinGaNNOTANOTAATONATON

SiC

SiC

SiCCarrier W/F

Mirrorcontact

Shaping Flip chip Vertical

SiC based LED chipSiC based LED chipSiC based LED chipSiC based LED chip

Standard

광추출효율 개선 기술

KOPTI18/38

SiCSiCCarrier W/F

Mirrorcontact

ηextract = 25% 52% 60% 75%

+200%+200% +240%+240% +300%+300%+300%+300%Osram optosemiconductor

Absorbing substrate Transparent substrate Thick window layer

기판본딩재성장

광추출효율 개선 기술

KOPTI19/38

DBR (Distributed Bragg Reflector) ODR (Omnidirectional Reflector)

Metal

(large k)

Dielectric

(low n)Micro contact

l/4n

Conductive substrate

LED 에너지효율

열70%~60%

가시광30%~40%

LED (80~100lm/W)

가시광5%

열12%

적외선83%

100 W 백열전구(15lm/W)

KOPTI20/38

LED (80~100lm/W)

• 백열전구는 대부분 열과 적외선 방사로 에너지 방출

• LED는 열과 빛으로 에너지 방출

• 빛 에너지의 효율이 높을수록 방열설계 용이

100 W 백열전구(15lm/W)

Sapphire

n(-) 전극

YAG

n-GaN

p-GaN

MQW Active

본딩(+)전극

Ni/Au (+)투명전극

MQW Active

Reflector

n(-) 전극

n-GaN

p-GaN

Receptor wafer

Horizontal vs. VerticalHorizontal vs. VerticalHorizontal vs. VerticalHorizontal vs. Vertical

고효율 LED 기술

KOPTI21/38

• Lower Vf

• Better Thermal Conductance• No current crowding• No TCL needed• Larger Active Area• Complex manufacturing

• Proven Reliability• Current crowding• TCL needed• Isolated Substrate• Low Cost Manufacturing

• “Vertical” Technology• Emerging

• “Lateral” Technology• Traditional

Sapphirep(+) 전극

Receptor wafer

Die on Ceramic Sapphire

고효율 LED 기술

Thin film flip chip (TFFC) Thin film flip chip (TFFC) 공정공정Thin film flip chip (TFFC) Thin film flip chip (TFFC) 공정공정

KOPTI22/38

Lift-offRoughening Etch

Curing

Lumileds (2007)

150lm/W @ 350mA (2009)

나노구조 LED

Ø 에피기술(IQE) Ø 나노 구조(Extraction)

• 광자결정(PC)

• Surface Plasmon(IQE)

• Nano texture

• 나노결정, QD

활성층 (발광층)

• 양자우물층 (QW)

• 양자점 (QD)

• Delta doping• 광자결정(PC)

• Surface Plasmon(IQE)

• 나노패턴

KOPTI23/38

Nano patterned substrate

Substrate• Buffer on patterned

surface

• 광자결정(PC)

• Surface Plasmon(IQE)

• 나노패턴

§ MOCVD § MBE § Nano imprinting

§ Laser interference litho.§ Nanosphere litho.§ Anodic oxidation

나노공정에피성장

Laser hologram litho. Nano imprinting

나노구조 LED 공정

KOPTI24/38

Laser hologram litho.

0 10 20 30 40 50 60 70 800

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Optic

al Po

wer [

arb.

uni

t]

Current [mA]

Nano patterned LED Conventional LED

KOPTI 2008

Nano imprinting

일본특허 공개 2004-006582 (2004.01.08)출원인: Sakai Shiro (Nitride Semiconductor Co Ltd.)출원년도 2002년 8월 29일

• 60Hz의 주파수로 교대 작동되므로

연속발광체로 보임

• 절반은 작동하지 않아서 효율의 감소가 불가피

AC (alternative current) LED

KOPTI25/38

32: metal pad28: metal wiring

+

+

-

-

칩 패키징 기술

Single package array

고출력, 저비용

고출력고방열

KOPTI26/38

Multi chip single package(4 in 1)

Multi chip arrayed package저전력, 고출력, 저비용

고출력, 저비용

(a)(a)

고방열, 저비용

Wafer level packaging

각국의 LED 기술수준

백색 LED(discrete pkg) 기준250

200

150

100

50

0

Effic

acy

(lm/W

)

R&D record (small)

Cree

Nichia, ProductNichia, R&D

21stC Lightingin Japan

Korea, Product

OIDA(2007)USA

Korea, NTRM Change ?

Osram

Osram, LabKorea, Lab

Lumileds, Lab

Cree, R&D

KOPTI27/38

2000 2005 2010 2015

250

200

150

100

50

0

Effic

acy

(lm/W

)

Nichia

□ : ‘21st century Lighting’ in Japan : 70lm/W(2005), 120 lm/W(2010)△ : OIDA : Optoelectronics Industry Development Association, 2002

Lumileds

Korea, Product (100 lm/W)

Nichia, Product

Osram

*

2 LED 광원기술동향

내용

1 LED 산업동향

KOPTI28/38

2 LED 광원기술동향

3 LED 산업전망

LED 조명의 효과

조명 제어의 유용성

- 인지/감성: 광색/색온도/광출력 인공지능 제어- 단순 조명에서 기능조명: 능동적 기능

첨단기술과의 융합 ⇒ 스마트 조명

- 반도체 회로기술 : 디지털 컨버전스- 미래 에너지원과의 결합 : 태양광 LED

- 조명통신(VLC) : 유비쿼터스 조명

에너지절감 효과

- ’15년 1.6조원/년 전기세 절감(30% LED 대체시)

- 수입원유 7% 절감, 대형 원자력발전소 2기 발전량 절감

친환경 효과

- CO2 발생량 절감 [교또기후협약 규제회피] - 무수은 광원 [RoHS, WEEE 규제 회피]

KOPTI29/38

조명 제어의 유용성

- 인지/감성: 광색/색온도/광출력 인공지능 제어- 단순 조명에서 기능조명: 능동적 기능

첨단기술과의 융합 ⇒ 스마트 조명

- 반도체 회로기술 : 디지털 컨버전스- 미래 에너지원과의 결합 : 태양광 LED

- 조명통신(VLC) : 유비쿼터스 조명

에너지절감 효과

- ’15년 1.6조원/년 전기세 절감(30% LED 대체시)

- 수입원유 7% 절감, 대형 원자력발전소 2기 발전량 절감

친환경 효과

- CO2 발생량 절감 [교또기후협약 규제회피] - 무수은 광원 [RoHS, WEEE 규제 회피]

조명산업 전망

Global market share 10yr forecast for lighting

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

SSL devicesIncand/OtherFL

조명광원조명광원 M/S M/S 전망전망조명광원조명광원 M/S M/S 전망전망

KOPTI30/38

Global market share 10yr forecast for lighting

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

SSL devicesIncand/OtherFL

SSL device

형광등백열등/기타

OIDA(2007)

조명산업 전망

고체조명고체조명 M/S M/S 전망전망고체조명고체조명 M/S M/S 전망전망

KOPTI31/38

OIDA(2007)

LED 조명개발 트렌드

KOPTI32/38

(미래)

친친 환경환경, , 친친 인간인간산업융합 기능

(의료, 감성, 바이오..)+

효율, 디자인, 기타

가격대비가격대비 성능성능($/lm) ($/lm) 중시중시

(현재)

기능기능 중시중시

(Past)

(과거)

제도개선보급정책

LED조명

LED 시장환경 구축

LED조명 대중화

LED 조명산업 시나리오

KOPTI33/38

LED 광원 구동회로 방열기술

조명기구효율향상

LED조명전문

디자인

표준화규격제정

융합기술인력양성

제도개선보급정책

LED모듈

LED 조명기구

LED 시장환경 구축

20

25

LED

TV

Shar

e (%

)40 %

2009 Forecast

30

20 %

LED BLU TV 수요급증

KOPTI34/38

Year

5

10

15

LED

TV

Shar

e (%

)

2007 2008 20100

2008 Forecast

2007 Forecast

2009 2011 2012

출처 : Economic Review (2009)

2.6 %

LED BLU 칩

직하형 Wedge형

(N-PC)

Flat형

(모니터, TV)

KOPTI35/38

직하형 Wedge형

(N-PC)

Flat형

(모니터, TV)

칩 사이즈 Middle, small Middle

Efficiency (lm/W) 30-45 60~100

Color Gamut (NTSC) >100% <100%

Color Mixing Difficult OK

Adjustable White Point Yes No

Control Circuit Complicated Simple

근자외선 건조기 (1,300 nm)가시광 통신 (450 ~ 650 nm)

380nm 460nm 520nm 590nm 660nm 760nm ~ 1550nm

UV NIR

InGaAlP/GaAsAlGAs/GaAs

AlGaAs/GaAsINGaAs/GaAsInGaAsP/InP

RCLED (650 nm)

GaN/Al2O3

GaN/SiC

질화물계 LED 비질화물계 LED

LED 응용분야 전망-비질화물계 LED

KOPTI36/38

Auto focusing (AF) LED (700nm)RGB module (610~650 nm)IrDA (850~1550nm)

문화예술

블루투스

100

200

UV C

Wavelength [nm]

Sterilizer

Partially realized Not realized

UV knife

Mercury & Metal Halide lamp for UV light sources

USD 10B(광원만), 2005년 춘계 물리학회 박윤수 교수발표

LED 응용분야 전망-자외선 LED

KOPTI37/38

400

320

280

Visible

UV A

UV B

Dental curing Discriminate

bills

Gas decomposer

Treatment ofskin disease

DNA analyzer

Molecular tweezers

http://www.jst.go.jp/pr/info/info270/index.html

Sensor PurifierCovert

communication

LED 산업전망

Driven by peopleDriven by peopleDriven by peopleDriven by people

Ø 7 billion people

> 50 billion 조명등

> 1 billion 휴대폰

> 100 million LCD TV

> 100 million 노트북

> 75 million 자동차

KOPTI38/38

Ø 7 billion people

> 50 billion 조명등

> 1 billion 휴대폰

> 100 million LCD TV

> 100 million 노트북

> 75 million 자동차