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1 ECO 조명

2 목차 1. ECO 조명 2. LED 개요 3. LED 요소기술 4. LED Applications

3 1. ECO 조명 정의 - 친환경, 고효율, 장수명의반도체광원을기반으로하는조명 - 일반조명, 수송기기, 농수산, 의료 / 환경, 정보통신등다양한분야에서활용하는조명 범위 - 반도체광원기반의조명기기, 이를구성하는광원 ( 소자 ), 소재, 패키지 / 모듈 - 디자인 ( 광학설계 ), 조립, 생산및측정장비 - 전원부, 제어시스템 왜 ECO 조명??? 지구온난화방지 온실가스감축 Green 조명필요

사업동향 국내 : 녹색조명사회실현을위한 LED 조명 2060 발표 (2011) - 2020년까지에코조명보급률공공기관 100%, 국가전체 60% 보급목표 -

2022 년, 일본 2050 년 미국 Next Generation Lighting Initiative 단계적백열등사용금지 2012~ 100W 이상사용금지 2014

2015년보급률 50% 목표 주관 : NEDO & METI * 유럽 / 중국 유럽 Eco-design Directive 2012 년이후백열등사용금지 중국반도체조명국가계획

4 사업동향 국내 : 녹색조명사회실현을위한 LED 조명 2060 발표 (2011) 년까지에코조명보급률공공기관 100%, 국가전체 60% 보급목표 - 공공기관설치지원금확대, 민간부분단계적의무화 (LED-ESCO, 탄소 cashback, 민간보조금지원 ) 전세계적으로 LED 조명을국가주도로육성中 - 원전폐쇄예정 : 독일 2022 년, 일본 2050 년 미국 Next Generation Lighting Initiative 단계적백열등사용금지 2012~ 100W 이상사용금지 2014 년이후전면금지 주관 : DOE & 미국산학연 일본 21세기빛 Project 고효율 LED 조명사용권장 2012년이후백열등사용금지 탄소세부과 (15,000엔/ 톤 ) 2015년보급률 50% 목표 주관 : NEDO & METI * 유럽 / 중국 유럽 Eco-design Directive 2012 년이후백열등사용금지 중국반도체조명국가계획 2005 年부터 5 개년계획수립진행 2015 년까지에코조명 20% 보급 2020 년이후백열등사용금지 국가조명전력의 50% 절감 METI : Ministry of Economy, Trade and Industry

5 시장동향 LED 조명세계시장전망 : 1,541억 $@2017년 (CAGR 17.3%) 국내시장전망 : (CAGR 14.9%) 세계시장 : 광원 < 조명모듈, 조명기기국내시장 : 광원 > 조명모듈, 조명기기

6 2. LED 개요 동작원리 전기에너지가빛에너지로변환되는특성의 PN 접합반도체 - P 전극과 N 전극의전위차에의하여빛에너지방출 - 他광원對比低전력, 長수명 ( 반영구 ), 親환경, 빠른응답속도특성

7 LED 의역사 1907 H.J Round, 금강사의발견에의해 LED의주입형발광 1923 O.W.Lossew, SiC의접촉부에서발광 1952 J.R.haynes et al., Ge, Si의 p-n 접합부에서발광 1955 G.A.Wolff, GaP에서의발광 LED 시작 1962 Pankove, GaAs p-n 접합부에서의발광 결정성장기술, PKGg 기술개발시작 (GE) (GaAs, GaP, GaAsP, ZnSe등 ) 1968 GaAsP 적색 LED lamp 판매시작 (Monsanto) 1969 R.H Saul et al., GaP 적색 LED의외부발광효율 7.2% 달성 실용화시작 태동기전환 R&D, 실용화시작 1980 Fairchild, AlGaAs/GaAs 고휘도 LED 출시 1986 아카사키, AlN buffer 이용질화물계 MIS 구조발광 1992 HP, AlGaInP계적색 LED 발표 1993 Nichia, Cree, 질화물계청색 LED 발표 1995 Nichia, 질화물계녹색 LED 발표 1996 Nichia, 백색 LED 발표 2000 Agilent, 100lm/W 적색 LED 발표

8 LED 구조와파장 IR : GaAs, InGaAs, InGaAsN (Far red, Deep red) Red : Green : Blue : AlGaAs, InGaAlP InGaN InGaN UV : GaN, InAlGaN (UVC, UVB, UVA) UV LED 시장 : US$32.5M@2011 US$45M@2012 US$269M@2017, CAGR 43% (by Yole) 구분파장 (nm) 응용분야 Deep UV UVC 100~280 살균, 오존탐지, 표면이나물오염제거, 단백질분석, DNA 스쿼엔싱, 약개발, 광학센서, 이미지색조측정등 Near UV UVB UVA Violet 280~315 UV 경화, 광학치료, 광학센스, 이미지색조측정, 범죄분석, 단백질분석, DNA 스쿼엔싱, 약개발등 315~400 폴리머나프린트잉크의경화, 가스측정, 질소요소측정, 집충기, 조명, 광학센서, 이미지색조측정 ID, 위폐감지등 400~430 의료, 보안응용등으로만사용되었으나 LED 조명시장이커지면서신규시장으로두각될예정임

9 백색구현 Black Body Locus(Plankian Locus) 빛의 3 원색 CIE 1931 Chromaticity Diagram 국제조명위원회 (International Commission on Illumination, Commission internationale de l'éclairage) 빛, 조명, 빛깔, 색공간을관장하는국제위원회

10 3. LED 요소기술 Blue LED 의구조 - GaN, InGaN epiwafer 구조 - GaN 특성때문에대리기판을사용하여성장 - 대리기판 (substrate) GaN buffer layer 성장 - Buffer layer 위에 GaN을 epitaxial growth GaN(gallium nitride) 의구조 crystal structure Bravais lattice Wurtzite GaN crystal structure Wurtzite or hexagonal structure

11 3-1. Substrate 대리기판 (substrate) 의종류및특성 - 고려사항 : 격자상수와열팽창계수 Physical properties of various substrate for epitaxial GaN growth. Materials Symmetry Lattice constant Lattice mismatch(%) Thermal expansion Coeff. (x10-6 /K) Thermal mismatch (%) GaN Hexagonal a : c : a : 5.59 c : Cubic 4.52~ Sapphire Hexagonal a : c : ZnO Hexagonal a : c : a : 7.5 c : a : 2.9 c : H-SiC Hexagonal a : 3.08 c : C-SiC Cubic a : Si Cubic a : (111) MgO Cubic 대리기판의선택 : quality of GaN epi wafer, cost, mass production

3-2. Epitaxial Growth Growth method - Comparison between MOCVD, MBR and HVPE.

Atomically sharp interfaces In-situ thickness monitoring High growth rate Very high quality

NH3 are needed P-type Mg doping associated with Mg-H complex that need post growth process to

interfaces In-situ characterization High purity growth Hydrogen free environment Possibility

5 PK Low temperature growth Low throughput Very expensive Ga(g)+1/2N GaN(s) HVPE Hydride

Film Quasi bulk GaN No sharp interfaces Work in Hydrogen environment Extreme temperature

NHCl(g) Growth method Two separate flow MOCVD Schematic representation of MOCVD technique

12 3-2. Epitaxial Growth Growth method - Comparison between MOCVD, MBR and HVPE. Growth technology Advantage Disadvantage Method MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition Atomically sharp interfaces In-situ thickness monitoring High growth rate Very high quality film High throughput Intermediate cost Lake of in-situ characterization Large quantities of NH3 are needed P-type Mg doping associated with Mg-H complex that need post growth process to activate doping process Ga(CH) + NH GaN(s)+3CH MBE Molecular Beam Epitaxy Atomically sharp interfaces In-situ characterization High purity growth Hydrogen free environment Possibility to use plasma or Laser assisted growth Need ultra-high vacuum Low growth rate (1-1.5 PK Low temperature growth Low throughput Very expensive Ga(g)+1/2N GaN(s) HVPE Hydride Vapor Phase Epitaxy Simple growth technique Very high growth rate Reasonably good quality Film Quasi bulk GaN No sharp interfaces Work in Hydrogen environment Extreme temperature condition Ga(l)+HCl(g) GaCl(g)+1/2H(g) GaCl(g)+NH 3 (g) GaN(s)+HCl(g)+H 2 (g) NH(g)+HCl(g) NHCl(g) Growth method Two separate flow MOCVD Schematic representation of MOCVD technique Schematic representation of two flow MOCVD Three separate flow MOCVD Schematic representation of PAMBE Vertical HVPE Reactor Horizontal HVPE Reactor

13 3-3. Chip Fabrication LED Chip 공정 LED structure 前 공정 노광 / 세정 식각 / 세정 증착 (metal) P-electrode p-gan InGaN n-gan N-electrode Sapphire / SiC Sapphire / SiC 後 Lapping / Polishing Epi wafer Chip 공정 Scribing / Breaking Prober / Sorter

3-4. Packaging Packaging 공정 LED structure 前 Die attach P-electrode N-electrode 공정 Wire bonding Dispensing Sapphire / SiC Chip Package Oven cure 後 공정 Trim form Test / Sorting LED PKG 제조공정 1.

14 3-4. Packaging Packaging 공정 LED structure 前 Die attach P-electrode N-electrode 공정 Wire bonding Dispensing Sapphire / SiC Chip Package Oven cure 後 공정 Trim form Test / Sorting LED PKG 제조공정 1. Pre-Curing 2. Die Attach 3. Oven Curing 8. Visual Inspection 7. Oven Curing 6. D/P (Dispensing) 4. Plasma Cleaning 5. Wire Bonding Taping / Packing 9.Triming 10. E/O TEST 11. Taping 12. P/K & Outgoing

15 3-5. ISSUE 기술력 < 라이센스

16 LED 분쟁지도 : 쟁점특허와분쟁예상특허의상관도

17 형광체 정의 : 외부의에너지를흡수하여고유의가시광선을내는물질로합성된발광물질 형광체의에너지전달과정 LED 용형광체 - White 구현 : Blue + (yellow, (green+red)) - Warm white 구현 : Blue + ((yellow+red), (green+red)) - 연색성개선 ISSUE - 특허 - 변환효율 - 연색성향상지수

18 백색구현 ISSUE : 백색구현특허, 색재현율, 연색성, 제조단가 [ 적색 + 녹색 + 청색 ] LED 를조합 ( 형광체無 ) 색재현율과연색성우수하나단가高 청색 LED + 황색형광체를조합 낮은색재현율, 연색성 UV LED 를이용 UV chip + [ 청색 + 녹색 + 적색 ] 형광체를조합 청색 LED + [ 황색 + 적색 ] 형광체를조합 연색성개선, 광효율저하 색재현율과연색성우수하나 UV LED 는개발중 청색 LED + [ 녹색 + 적색 ] 형광체를조합 색재현율, 연색성우수하나광추출효율저하

19 LED 조명의연색성개선 Hybrid PKG 사용 : (B+R) chip + Phosphor High CRI PKG 사용 : B chip + Phosphor - LED PKG 에사용되고있는대표적인 Phosphor 출처 : May 2013 정오의태양광 CRI Ra75 LED 조명 출처 : 12 전략적핵심소재기술개발사업과제세부기획서 - YAG/TAG - Ortho-Silicate - Nitride CRI Ra93 LED 조명 광속 약 30% 광속저하최소, CRI 개선 Best??? 형광체를이용한 CRI 개선에는한계가있다 (emission control 어렵다 )

정의 - 수 nm 크기의 semiconductor nanoparticle 반도체를 10nm 이하로화학적합성제조한것.

공정등을바꾸어야했는데하나의물질에대하여, 크기또는형상제어만으로특성을변화시키는것이가능 - 중심 (core) 에껍질 (shell) 을화학적으로쌓은구조

입자의크기에따라다른빛을내거나일정영역의빛을흡수하여전자로변환시킬수있음 Global Market CAGR 55.

20 정의 - 수 nm 크기의 semiconductor nanoparticle 반도체를 10nm 이하로화학적합성제조한것. Quantum Dots 특징 - 입자의크기, 형상에따라반도체특성이다름 Emission control 가능지금까지는반도체의특성을바꾸기위해서는재료, 공정등을바꾸어야했는데하나의물질에대하여, 크기또는형상제어만으로특성을변화시키는것이가능 - 중심 (core) 에껍질 (shell) 을화학적으로쌓은구조 (core/shell 구조 ) - Core와 shell의종류에따라특정파장의빛을주었을때, 입자의크기에따라다른빛을내거나일정영역의빛을흡수하여전자로변환시킬수있음 Global Market CAGR 55.2%(2011~2022) - US$ 67 M@2010 US$ 670 M@2015 US$ 7, M@2022 선진사 : QD Vision, Nanosys, Evident Technology, QMC, NanoAxis, Nanoco, PlasmaChem etc.

21 Applications QD-Display 고색재현율 (Color gamut) - QD : 110% (SONY) - OLED 94% (SAMSUNG) - LCD : 72% 이상 Flexible & Large - Flexible display 구현 e-paper - 대면적화가능 Status - QD 를이용한 hybrid OLEDs(QD-LEDs) QD-LEDs LEDs structure - 수직형 LED 구현 : InGaN/GaN+QD - 외부양자효율개선 LED PKG 용 Phosphor - 고연색지수 (CRI), <90 - 공정산포개선 조명용부품화가능 Status - QD 봉지재개발 QD-Solar cell & PV 고효율화 - 에너지변환효율 33 66% 이상 - Si, Pb, Se 계 QD 등개발중 QD-Marker etc - Healthcare - Marker(DNA, Cell ) - Tracking - Memory - Photo-detectors - Chemo-sensing - Sensor - Laser - Graphene NTSC : National Television System Committee Photovoltaic

22 4. LED Applications LED 의응용분야 신호등 전자기기 低소비전력, 소형화 LED 에너지절감親환경광원 일반조명 - 실내용 / 실외용低소비전력高색재현 / 親환경 디자인 Flexibility 長수명, 親환경 전광판 - Advertisement - Sports Stadium - VMS 자동차 - Interior - Exterior Display - LCD Monitor - LCD TV - HHP/PDA

4-1. Module LED Module - LED PKG 의광학적특성을나타내기위해전기적특성에적합한신호전달을위한 array LED는 AC 구동이없으며 DC 구동을함 LED PKG의전기적특성 : Vf(Forward voltage) 와 If(Forward current) Vf는 LED의파장에따라다르며, If는 LED의 power에따라다름 UV ~ green

23 4-1. Module LED Module - LED PKG 의광학적특성을나타내기위해전기적특성에적합한신호전달을위한 array LED는 AC 구동이없으며 DC 구동을함 LED PKG의전기적특성 : Vf(Forward voltage) 와 If(Forward current) Vf는 LED의파장에따라다르며, If는 LED의 power에따라다름 UV ~ green LED의 Vf는 3.0~3.4V, amber ~ deep red LED는 Tpy.2.0~2.2V If는 5mA에서부터 2.0A 까지있으며, If에따라 small, middle, high power LED로구분함 LED array 品의광학설계 / Design / Function 구상설계 / 구동방법선정 / Parts 선정 LED 연결방법선정 ( 직렬, 병렬 ) 전원공급형태선정 구동회로설계 방열설계 2 차, 3 차광학계설계 기구설계등

24 4-2. System LED System - LED PKG 및 LED module 의광학적특성을나타내기위한 additional module 을 array 기구적인모듈 : 광학계, 확산계, 반사계 전원모듈 : SMPS, AC/DC converter 방열모듈 : Heat sink, Spreader, Cooler, Fan 융합모듈 Electrical source : Solar, Wind energy를이용한모듈 IT : IT를이용한제어시스템, ZigBee, Internet, Communication BT : Light and Plant growth, Bacteria, Antibacterial, Injurious insect, Preservation 식물생장시스템의例 Healthcare(color system 社 ) 시스템의例

25 4-3. LED Lighting 조명의종류 설치장소에따른분류 - 명시조명 : 사무실, 학교, 주택등의일반조명 - 생산조명 : 공장조명 - 상업조명 : 일반상점, 백화점의조명, 광고조명 - 옥외조명 : 도로조명, 터널조명, 광장조명, 투광조명 광원에따른분류 - 백열전구 - 할로겐램프 : MR, PAR - 형광램프 - 콤팩트형광등 - 방전등. 수은램프. 형광수은램프. 메탈할라이드램프. 나트륨램프 - 특수램프. HID. 무대 조명기구에따른분류 - 천정등 (Ceiling light) - 벽등 (Bracket) - 풋라이트 (Foot light) - 스포트라이트 (Spot light) - 트랙라이트 (Track light) - 스탠드 (Stand) - 다운라이트 (Down light) : 전반, wall washer, spot - 팬던트 (Pendent) - 상들리에 (Chandelier) - 매입등 (Recessed luminaries) - 투광기 (Flood light) - 등주조명기구 : 가로등, 공원등, 볼라드 (Bollard) - 기타 : 방폭등, 수중등, 공조겸용조명

27 LED 조명의구조 기구부 - Housing / Armature / Case - Base Customer s sight 상품의내구성, 광원부및전원부의보호, 공급전원안전연결 광원부 - LENS / 확산판 / Reflector - LED module - Heat Spreader 빛의구현 배광, 광속, 조도, 색상, 연색성 전원부 - AC-DC Convertor - Driver module 동작, 구동 전원입력, 효율, 수명, 동작, 연출, Dimming, 융복합회로와연결

28 LED 조명의분류 Retrofit 기존전통조명기구 /Pole을사용 Base/Hole retrofit Housing/Pole retrofit 특수목적用응용에맞도록구조를변형하여사용 운송수단용 생활가전용 산업용 High Bay용 Design-in/Built-in LED의특징에따라새롭게만들어진조명 Customized design Idea 융복합他분야와복합화한지능형조명 Intelligence 조명 그린에너지조명

백색 LED를 사용한 조명용 광원의 설계 및 분석

백색 LED를 사용한 조명용 광원의 설계 및 분석 1879 년백열등 1938 년형광램프 1964 년 HID 램프 1990 년대초 ( 신광원 ) 무전극방전램프 LED 램프 에너지절약기술개발활성화대두 Solid-State Lighting 고효율, 장수명, 고연색성, 에너지및자원절약 쾌적성, 안전성, 지구환경보호, 다양한색가변가능 1000 0.3 x CIE 비시감도곡선 (CIE) 발광효율