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1 LED 광원기술동향과전망 백종협 LED 소자팀장 한국광기술원 Korea Photonics Technology Institute()

2 내용 1 LED 산업동향 2 LED 광원기술동향 3 LED 산업전망 2/38

3 LED 응용분야의 확장 Ø 조명/디스플레이 à 의료, 환경, 통신, 농수산업으로 확장 고효율 백색 광원 일반조명 수송기기 건축/도로 Task light BLU Wide bandgap(uv) 살균/정화/촉매 DNA 센서 위폐감지 고분자 Curing Body treatment Full color 제어 Sign/Display BLU 인지/감성조명 농수산업용 (재배/양식) 변조기능 적외선통신(IrDA) 가시광/조명 통신(VLC) Covert communication 3/38

4 국내 LED 산업현황 Mobile Phone 삼성전자, LG 전자 LCD 삼성전자 LGD Automotive 현대, 기아, 대우, 삼성 Ship Building 현대, 대우조선 Construction GS, 현대, 삼성, 금호, 대우 LED 기업현황 Key Pad SEMCO, LGIT, SSC, 루멘스 LCD Panel 삼성전기, LG 전자, 희성전자 Car Lighting SLC, CTL 인희라이팅 Ship Lighting 대양전기, STX 조선삼성중공업, 현대중공업 Electric Facil. 금호, Ø 칩 2.8%, 패키지 7.7%, 응용 / 조명 62%, 장비 4,4% Marine 삼성라이텍, 대양, 삼명 LED BLU 삼성 LED, LGIT 우리 ETI LED PKG 40 서울반도체, 삼성LED, LGIT, 루미마이크로, 알티전자, 루멘스, 목산전자, 럭스피아, 에이프로, 알티반도체 LED Lighting 35 금호전기, 대진디엠피 LED 라이텍, 갤럭시아, KDT, 아토디스플레이, 알에프텍, 남영전구, 화우 283 Environment 광전자, 고덴시 LED Display 삼익전자, 대한전광, 한국전광 Medical 메디아나 Companies( 08) LED Chip, Epi 삼성LED, LGIT, 에피밸리, 갤럭시아포토닉스서울옵토디바이스더리즈, 나이넥스, 웨이브스퀘어, 우리LST Lighting Design 알토조명, 이상 C&C, 하모니칼라시스템 10 Agriculture 루미컴, 원광전자 LED Equipment 탑, 주성, IPS, ADP, 세메스, QMC Commun. 삼성, 금호, 네옵텍 LED 部品素材 하이쏠라, 포스포티티엠, 크리스탈온, 일진디스플레이 Military LG, 삼성, 대우 26 Home Elec. LG, 삼성, 4/38 대우

5 세계 LED 광원시장점유율 Revenue (M$) Global top % LED 광원 Market Share ( 공급자기준 ) 일본 : 44.1% 대만 : 15.2% 미국 : 15.1% 독일 : 11% 한국 : 9.9% % % 5.8% 5.2% 5.0% 4.4% 4.1% 4.0% 3.7% 0 Nichia Osram Stanley Philips Citizen Cree Seoul Everlight Rhom Avago Opto Electric Lumileds Semi Tech 일 독 일 미 일 미 한 대만 일 미 출처 : HB LED Market Review and Forecast, Strategies Unlimited( ) 5/38

6 LED 광원시장 LED 광원시장의성장 6.2 배 출처 : Strategies unlimited (2009.2) 6/38

7 LED 광원산업전망 예측 억 $ Others Illumination Signal Automotive (Display) Sign/(Display) other mobile mobile appliance N-PC, TV 조명? 휴대폰 출처 : Strategies Unlimited (2009.2) 7/38

8 LED 광원유형별 M/S 출처 : Strategies unlimited (2009.2) 8/38

선진기업의합종연횡 Pending Lawsuit Honeywell OEM Agreement Lumileds Epistar Current Patent Dispute Sony (LD) Laser Diode Citizens Electronics Nichia OEM Agreement OptoTech Seoul Semi Patents permission

9 선진기업의합종연횡 Pending Lawsuit Honeywell OEM Agreement Lumileds Epistar Current Patent Dispute Sony (LD) Laser Diode Citizens Electronics Nichia OEM Agreement OptoTech Seoul Semi Patents permission License UCNC UCSB Kingbright Sumitomo (Japanese Dist) CREE BridgeLux License Current Patent Dispute Rohm Lite On Everlight SEMCO Harvatek Ya Hsin Vishay Lednium Phosphor License OSRAM Dominant Current Patent Dispute Field of Use Limited Toshiba Toyoda Gosei IP Free Industry Alliance JV Lexedis Intematix JV Phosphor Only Mitsubishi Chemical Namato Tridonic Atco AOT LumiMicro Unity Opto Itswell Edison Opto ProLight Sumitomo Kingbright Source: Canaccord Adams Research * 9/38

10 내용 1 LED 산업동향 2 LED 광원기술동향 3 LED 산업전망 10/38

11 LED 광원기술의혁신 Technology Fusion Shaping TCO PSS P-roughening VLED TFFC Nano HWLP Lumileds Semileds Lumileds TM Cree OSRAM /38

LED 성능발전 White 100 16W 저압나트륨등 R 90 R&D 적색 LED (HP, 2000) 80 40W 형광등 70 70W 메탈할라이드 400W 수은등 율 60 50 LED 40 30 30W 할로겐등 20 60W 백열등 10 에디슨의백열등 0 1960 1970 1980

12 LED 성능발전 White W 저압나트륨등 R 90 R&D 적색 LED (HP, 2000) 80 40W 형광등 70 70W 메탈할라이드 400W 수은등 율 LED W 할로겐등 20 60W 백열등 10 에디슨의백열등 광효율 (lm/w) Year G B Y 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) /38

13 광원의이론적성능 Calculation from I(l)KmV(l)S(l)dl I(l): Spectrum intensity KmV(l): Spectral luminous l=555nm) S(l): Stoke Loss (Phosphor) I(l)dl = 1W, if WPE is 100% 2009년에 300 lm/w로수정발표이론최대치 형광등 154 lm/w UV 기반백색 LED 203 lm/w 청색 LED 기반백색 LED 263 lm/w Nichia, ICNS 2007 (Las Vegas, ) 13/38

LED 조명효율손실 LED 조명기구손실흐름도 100% LED 칩 칩효율향상 150 lm/w

IC 화 Driver IC, 지능형정전류제어 고급조명콘텐츠 심리 / 생리, 감성이미지, S/W

14 LED 조명효율손실 LED 조명기구손실흐름도 100% LED 칩 칩효율향상 150 lm/w 패키지손실 연색성손실 형광체개발 15-30% 1-5% AC/DC 전원손실 제어회로손실 10-20% 10-15% 25-50% 광원모듈온도상승손실 등기구손실 85 lm/w 최종효율 약 60% 고성능화저가화고신뢰화를위한기술개발 고방열패키지 HWLP 고방열재료 Heat Spreader 반도체 IC 화 Driver IC, 지능형정전류제어 고급조명콘텐츠 심리 / 생리, 감성이미지, S/W 고방열재료 Heat Spreader 등기구설계저손실재료 > 80% 신뢰성평가, 고장분석고효율기자재인증 14/38

15 LED 칩의효율 LED 칩의광손실흐름도 e - injection internal LED extraction hn 선진사현재최고수준 Chip 성능의한계 100 % 1120 mw (0.35A, 3.2V) 외부양자효율 h injection 84% à 93% 1020 mw (0.35A, 2.9V) 941 mw h internal 72% à 90% 949 mw 678 mw h extraction 75% à 90% 854 mw 최종효율 45% 508 mw (45%) 769 mw (75%) Loss: 55% Loss: 25% 현재수준의 1.6 배까지상승가능 15/38

16 고휘도 LED 칩기술개발이슈 칩공정 ( 추출효율 ), Extraction efficiency Ø p-gan roughening Ø Chip shaping Ø LED on patterned sapphire substrate Ø Vertical chip Ø Photonic crystal Ø Micro/Nano structure Ø Patterned substrate Ø Lateral overgrowth Ø Homo epitaxy Ø Non-polar epi Ø Surface plasmon 고효율 LED Ø n-gan, n-face 오믹 ( 수직형 LED) Ø p-gan doping profile Ø 전극 geometry Ø 나노구조오믹 (PC LED, SP LED) 에피 ( 내부양자효율 ), Internal quantum efficiency 오믹전극 (Injection efficiency) 16/38

광추출효율 탈출콘 부분반사 q C Chip 전반사 Package 8% 11% epoxy

5) 2 P 1 é escape æ q öù c 1 hc =» ê1 - ç1 ú =

17 광추출효율 탈출콘 부분반사 q C Chip 전반사 Package 8% 11% epoxy Photon LED chip n s n 0 n s = LED 굴절율 (2.5) n o = Ambient 굴절율 q C = Sin -1 (n o /n s ) = 24 o ( 공기, n o =1) = 37 o ( 봉지재, n o =1.5) 2 P 1 é escape æ q öù c 1 hc =» ê1 - ç1 ú = Psource 2 - êë 2 q è øúû 4 h c : Extraction efficiency 2 c = 1 4 n n 2 o 2 s 고굴절율봉지재 17/38

18 광추출효율개선기술 SiC based LED chip Standard Shaping Flip chip Vertical Standard ATON NOTA ThinGaN SiC SiC SiC Carrier W/F Mirror contact η extract = 25% 52% 60% 75% +200% +240% +300% Osram optosemiconductor 18/38

19 광추출효율개선기술 기판본딩 재성장 Absorbing substrate Transparent substrate Thick window layer Micro contact l/4n Dielectric (low n) Metal (large k) Conductive substrate DBR (Distributed Bragg Reflector) ODR (Omnidirectional Reflector) 19/38

20 LED 에너지효율 적외선 83% 가시광 5% 열 12% 열 70%~60% 가시광 30%~40% 100 W 백열전구 (15lm/W) LED (80~100lm/W) 백열전구는대부분열과적외선방사로에너지방출 LED 는열과빛으로에너지방출 빛에너지의효율이높을수록방열설계용이 20/38

21 고효율 LED 기술 Horizontal vs. Vertical 본딩 (+)전극 n(-) 전극 YAG Ni/Au (+) 투명 전 p-gan 극 MQW Active n(-) 전극 n-gan MQW Active p-gan n-gan Reflector Receptor wafer Sapphire p(+) 전극 Lateral Technology Vertical Technology Traditional Emerging Proven Reliability Current crowding TCL needed Isolated Substrate Low Cost Manufacturing Lower Vf Better Thermal Conductance No current crowding No TCL needed Larger Active Area Complex manufacturing 21/38

22 고효율 LED 기술 Thin film flip chip (TFFC) 공정 Die on Ceramic Sapphire Curing Lift-off Roughening Etch Lumileds (2007) 350mA (2009) 22/38

23 나노구조 LED Ø 에피기술 (IQE) 활성층 ( 발광층 ) 양자우물층 (QW) 양자점 (QD) Delta doping Buffer on patterned surface Substrate Ø 나노구조 (Extraction) 광자결정 (PC) Surface Plasmon(IQE) Nano texture 나노결정, QD 광자결정 (PC) Surface Plasmon(IQE) 나노패턴 Nano patterned substrate 에피성장나노공정 MOCVD MBE Nano imprinting Laser interference litho. Nanosphere litho. Anodic oxidation 23/38

24 나노구조 LED 공정 Laser hologram litho. Nano imprinting 1600 Optical Power [arb. unit] Nano patterned LED Conventional LED Current [ma] /38

AC (alternative current) LED 일본특허공개 2004-006582 (2004.

25 AC (alternative current) LED 일본특허공개 ( ) 출원인 : Sakai Shiro (Nitride Semiconductor Co Ltd.) 출원년도 2002 년 8 월 29 일 60Hz 의주파수로교대작동되므로 연속발광체로보임 절반은작동하지않아서효율의감소가불가피 : metal pad 28: metal wiring 25/38

26 칩패키징기술 고출력고방열 Single package array 고출력, 저비용 Multi chip single package(4 in 1) (a) 고방열, 저비용 Wafer level packaging 저전력, 고출력, 저비용 Multi chip arrayed package 26/38

27 각국의 LED 기술수준 Efficac cy (lm/w) Nichia, R&D Osram, Lab Korea, Lab Cree, R&D Nichia, Product Lumileds, Lab Korea, Product 백색 LED(discrete pkg) 기준 R&D record (small) Cree Osram Lumileds Korea, NTRM Change? OIDA(2007 USA 21 st C Lighting in Japan 50 Nichia Korea, Product (100 lm/w) Nichia, Product : 21st century Lighting in Japan : 70lm/W(2005), 120 lm/w(2010) : OIDA : Optoelectronics Industry Development Association, 2002 * 27/38

28 내용 1 LED 산업동향 2 LED 광원기술동향 3 LED 산업전망 28/38

29 LED 조명의효과 조명제어의유용성 - 인지 / 감성 : 광색 / 색온도 / 광출력인공지능제어 - 단순조명에서기능조명 : 능동적기능 첨단기술과의융합 스마트조명 - 반도체회로기술 : 디지털컨버전스 - 미래에너지원과의결합 : 태양광 LED - 조명통신 (VLC) : 유비쿼터스조명 에너지절감효과 - 15 년 1.6 조원 / 년전기세절감 (30% LED 대체시 ) - 수입원유 7% 절감, 대형원자력발전소 2 기발전량절감 친환경효과 - CO 2 발생량절감 [ 교또기후협약규제회피 ] - 무수은광원 [RoHS, WEEE 규제회피 ] 29/38

30 조명산업전망 조명광원 M/S 전망 Global market share 10yr forecast for lighting 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% SSL devices Incand/Other 백열등 / 기타 FL 형광등 30% 20% 10% 0% OIDA(2007) 30/38

31 조명산업전망 고체조명 M/S 전망 OIDA(2007) 31/38

32 LED 조명개발트렌드 기능중시 (Past) ( 과거 ) 가격대비성능 ($/lm) 중시 ( 현재 ) 친환경, 친인간 산업융합기능 ( 의료, 감성, 바이오..) + 효율, 디자인, 기타 ( 미래 ) 32/38

33 LED 조명산업 시나리오 LED조명 제도개선 보급정책 LED 시장환경 구축 LED모듈 LED 광원 LED조명 대중화 표준화 규격제정 융합기술 인력양성 조명기구 효율향상 LED조명 전문 디자인 구동회로 LED 조명기구 방열기술 33/38

34 LED BLU TV 수요급증 40 % 30 LED TV Shar re (%) % 20 % 2009 Forecast 2008 Forecast 2007 Forecast Year 출처 : Economic Review (2009) 34/38

35 LED BLU 칩 직하형 Wedge 형 (N-PC) Flat 형 ( 모니터, TV) 칩사이즈 Middle, small Middle Efficiency (lm/w) ~100 Color Gamut (NTSC) >100% <100% Color Mixing Difficult OK Adjustable White Point Yes No Control Circuit Complicated Simple 35/38

36 UV LED 응용분야전망 - 비질화물계 LED 질화물계 LED GaN/Al 2 O 3 GaN/SiC InGaAlP/GaAs AlGAs/GaAs AlGaAs/GaAs INGaAs/GaAs InGaAsP/InP 380nm 460nm 520nm 590nm 660nm 760nm ~ 1550nm RCLED (650 nm) 비질화물계 LED NIR 가시광통신 (450 ~ 650 nm) 근자외선건조기 (1,300 nm) 문화예술 RGB module (610~650 nm) Auto focusing (AF) LED (700nm) IrDA (850~1550nm) 블루투스 36/38

37 LED 응용분야전망 - 자외선 LED USD 10B( 광원만 ), 2005년춘계물리학회박윤수교수발표 Wavelength [nm] Partially realized Not realized UV C Mercury & Metal Halide lamp for UV light sources Sterilizer UV knife UV B UV A Purifier Covert communication Treatment of skin disease DNA analyzer Sensor 400 Visible Dental curing Discriminate bills Gas decomposer Molecular tweezers 37/38

38 LED 산업전망 Driven by people Ø 7 billion people > 50 billion 조명등 > 1 billion 휴대폰 > 100 million LCD TV > 100 million 노트북 > 75 million 자동차 38/38

’04년 경영전략

’04년 경영전략 미래기술교육연구원 (2009. 4. 3) LED 광소자기술로드맵및 R&D 전략 백종협 LED 소자팀장한국광기술원 Korea Photonics Technology Institute() 내용 1 LED 기술개요 2 LED 광소자개발동향 3 LED 광소자기술로드맵 2/54 참고자료 기획보고서 LED 산업경쟁력분석및성장동력화방안연구 LED 반도체조명학회유영문외 59