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보희 송
5 years ago
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1 국내외 LED 조명기술개발현황 한국광기술원 / 반도체조명팀 송상빈 [sbsong@kopti.re.kr] ( ) 0

2 발표순서 I LED 조명기술개요 II LED 조명기술개발현황 IV LED 조명기술개발전략 1

3 Ⅰ. LED 조명기술개요 2

Luminous Efficiency (lm/w) 200 150 100 50 0

친환경 Electrical Discharge Lamps Fluorescent

Incandescent High-Pressure Sodium Metal Halide

1920 1940 1960 1980 2000 2020 Year Solid State

4 Luminous Efficiency (lm/w) 조명및광원기술의역사 광원의발전 고연색성 소형화 저출력화 장수명화 고효율화 저가격화 친환경 Electrical Discharge Lamps Fluorescent Incandescents 기구 / 시스템발전 소형, 박형화 / 일체화 고품격디자인 감성및생리제어 첨단기술융합 Eletrodeless Discharge lamp(pls) Tungsten-Halogen Conventional Incandescent High-Pressure Sodium Metal Halide Mercury Vapor Shaped Reflectors Indicator LED Year Solid State Lighting Light Light Emitting Emitting Diodes Diodes Quantity Quality 3

LED 조명기술개발필요성 고효율 / 친환경조명의필요성 백열등, 형광등등기존조명은전력소비와환경오염의문제내포 - 세계조명기구연간소비전력 2조 1천억 kwh, 전체전력 12~15%, 연간 17억톤 CO 2 를배출 - 매우낮은광이용효율, 수은및중금속물질 ( 방전등 ) 사용, 짧은수명으로인한환경오염유발 조명효율 25% 향상시키면, 연간 2,500 억 kwh

5 LED 조명기술개발필요성 고효율 / 친환경조명의필요성 백열등, 형광등등기존조명은전력소비와환경오염의문제내포 - 세계조명기구연간소비전력 2조 1천억 kwh, 전체전력 12~15%, 연간 17억톤 CO 2 를배출 - 매우낮은광이용효율, 수은및중금속물질 ( 방전등 ) 사용, 짧은수명으로인한환경오염유발 조명효율 25% 향상시키면, 연간 2,500 억 kwh 전력절감, 1 억 5 천톤 CO 2 절감가능 LED 조명 ( 미래조명트랜드 ) 조명제어의유용성 - 감성및웰빙조명구현 : 광색 / 색온도 / 광출력인공지능제어 - 신개념조명기구 / 조명설계 : 단순조명에서기능조명으로 첨단기술과의융합 미래의조명 (Smart Lighting) - 디지털컨버전스와의융합 : 조명통신 (VLC), 미래에너지원과의결합 : PV(PhotoVoltaic) Lighting System 에너지절감효과 - 15 년국내조명 30% 교체연간 1.4 조원 / 년 [16 억 kwh] 절감, 대형원자력발전소 [274 KWH] 2 기발전량절감 - 태양광발전시스템및밧데리기술과의결합에의한에너지절감극대화가능 친환경효과 - CO 2 발생량절감 : 680 만톤 / 년저감효과 [ 교또기후협약규제회피 ] - 무수은광원 [RoHS, WEEE 규제회피 ] 4

6 LED 조명이란? 정의 : LED 조명산업은 LED 반도체광원을이용하여 조명제품 을만드는산업 LED 모듈 / 시스템자동차, BLU, 디스플레이, 일반 간접조명 전원, 광학기구, 시스템제어, H/W, S/W Discrete PKG 백색, RGB, UV RGBOY 형광체 패키징 LED 칩 에피웨이퍼 (In,Al)GaN ( 청, 녹, UV), InAlGaP( 적, 황 ), AlGaAs ( 적, IR) 에피성장 (Epitaxy) Array PKG 3 in 1, 고출력 칩공정 (Fabrication) GaN/sapphire GaN/SiC LED 조명시스템 광원모듈 LED 광소자 반도체기술조명기술 기판 ( 웨이퍼 ) Sapphire, GaN, SiC, Si, GaAs 5

7 LED 와일반광원의비교 기존광원에비해고효율화, 저전력화 ( 백열전구의 10분의 1, 형광등의 2분의 1) 환경친화성 (no Hg, CO 2 발생감소 ) 광색이뚜렷하고색재현성이높음 광원및시스템의소형화, 박형화, 경량화 장수명이고충격에강하여내구성이좋음 ( 약10만시간의수명시간 ) 점 소등속도가매우빠름 ( 수 10-9 초 ) -> 가시광통신 고반복, 펄스동작이가능하며시신경의피로감소 RGB LED 조합에따른색온도및연색성조절, 다이나믹한제어가능 ( 인텔리전트조명광원으로사용가능 ) 단점 : 높은휘도 ( 눈부심 ), 열에민감, 좁은배광, 높은가격 6

8 조명시장규모의변화 반도체조명확보가능시장 조명시장광원별점유율변화 $ Billion 의료 / 농업조명자동차조명디스플레이일반조명 LED 침투율 PERCENT [%] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Global market share 10yr forecast for lighting SSL devices Incand/Other FL % 2 10% % 년이후건설경기향상으로일반조명시장 6.2% 성장 ( 오스람, GE 필립스등약70% 차지 ) 조명시장은 2012년약 2천억불시장을형성 -> LED가 20% 침투 ( 약 4백억불시장예상 ) LED의고효율에따른기존광원교체로조명시장확대예상 ( 미국 2025년조명기구 50% 대체 ) 최근 OIDA에서는 2015년에기존전통조명을 30% LED 조명으로교체예정 관련근거 : global Information, Inc. 조명기구전망 (2005), OIDA(2007) 등 7

9 세계 LED 조명시장 Sources: SIL Proceedings 2007, Strategies unlimited 조명및자동차시장성장으로 06년시장규모 4조 3천억전망 약 85% 정도아시아에서소비 일본니치아사가세계시장의 ¼를차지 ( 세계 Big 5- 니치아, 도요다고세이, 오스람, 루미레드, 크리사 ) 8

반도체조명관련기업변화 GE Lumination - 기존전통거대조명기업이반도체기업인수합병으로반도체조명시장선점강화 (Philips의 TIR System, Color Kinetics 인수, Gelcore가 GE Lumination으로전환 ) - LED Chip 전문업체 (Cree 등 ) 이다양한조명기구업체와협력관계모색 (Cree+Zumtobel,

10 반도체조명관련기업변화 GE Lumination - 기존전통거대조명기업이반도체기업인수합병으로반도체조명시장선점강화 (Philips의 TIR System, Color Kinetics 인수, Gelcore가 GE Lumination으로전환 ) - LED Chip 전문업체 (Cree 등 ) 이다양한조명기구업체와협력관계모색 (Cree+Zumtobel, Cree+Beta LED, ) - 전문 LED 조명업체출현및시장점유 ( 특허보유 ) -> Color Kinetics, Neo-Neon 등 - 중국조명산업의급부상과세계유명조명산업단지및 LED City 확대 - LED 소자, PKG, 응용관련기업 M&A 및사업분야확대 ( 세계 ) -> 타종업종전환심화 ( 국내 ) - 삼성전기 + 남영전구 + 고이즈미조명, LG이노텍 + 국내조명회사, 루미마이크로 + 화우테크놀로지 9

11 LED 조명산업분야 일반조명분야 실내조명분야 - MR16 조명및국부조명 - 전구및탁상조명 - 면발광조명 / 색온도제어 - Art 조명 /Hybride 조명 실외조명분야 - Wall washer 및장식조명 - 정원등및보도등 - PV(Photovoltaic) 조명 - 가로등및다리조명 - 경기장조명및투광기 수송기기조명 - 자동차 / 기차조명 : 독서등, 지시등, 실내등, 전조등 - 선박항공조명 : 항공장애등, 소형등명기, 탐조등 LCD BLU - 소형 LCD BLU : Mobile Phone 등 - 대형 LCD BLU : 모니터, TV 등 특수조명분야 - 의료 / 농업 / 환경조명 - 백색가전조명 - 가시광통신조명 - 엘리베이터 / 무대등조명 - 신재생에너지발전조명 디스플레이 - LED 전광판 - Sign 조명 : LED Strip, 채널레터등 10

12 제품단계별업체분포 하이쏠라, 포스포대주, 루시미아 (26) 주성엔지니어링, 플러스텍, 시스넥스 (20) LED 장비 삼성전기, LGIT, 우영, 태산 LCD(40) LED BLU 삼성전기, LGIT, SSC, 루멘즈 Key Pad 희성전자, 우영 LCD 판넬 삼성전자, LG 전자 휴대전화 삼성전자, LPL LCD LED 부품소재삼성전기, LGIT, 에피밸리, 에피플러스, 서울옵토디바이스, 더레즈 (13) LED 칩 삼성전기, LGIT, 서울반도체, 루미마이크로, 알티전자, 럭스피아 (35) LED PKG SLC, 인희라이팅, 현대모비스 자동차조명 현대, 대우, 기아, 삼성 자동차 알토조명, 이상 C&C(10) 금호전지, LED 라이텍, 럭스맥스, KDT, 아토디스플레이, 알에프텍 (313) 대양전기, STX 조선, 오진산업, 파나시아, 태양엔지니어링 현대중공업, 대우조선해양, 삼성중공업 조명디자인 LED 조명 조선용조명 조선 금호, 우리 ETI, 필룩스 금호 현대건설, 삼성건설, GS 자이, 대우건설 *LED 조명산업지역혁신클러스터활성화를위한산학연워크숍, 2008 전통조명 전기설비 건설 11

13 Ⅱ. LED 조명기술개발현황 12

14 LED 조명기술개발요소 양산실용화기술 인프라 / 마케팅 QW 설계 칩구조설계 봉지재료 패키지 광학설계 열설계 기구설계 디자인 조명설계 광소자 광원모듈 조명기기 시스템 Epi 성장 전극설계 패키징재료 형광체 구동회로 Array 전원설계 제어설계 컨버전스 13

15 고휘도 LED 기술개발동향 특허공세 LED 효율 에피기술 = η injection η internal η extraction η PKG 외부양자효율 (external quantum efficiency) 에피 ( 내부양자효율 ), Internal quantum efficiency Micro/Nano structure Patterned substrate Lateral overgrowth Homo epitaxy Non-polar epi 칩 ( 추출효율 ), Extraction efficiency p-gan roughening Chip shaping LED on patterned sapphire substrate Vertical chip Photonic crystal 고효율 LED 패키징 / 모듈 ( 적출효율 ), PKG efficiency 방열설계 광학설계 패키지재료 ( 내열, 투과율, 연성, 고굴절율 ) 형광체 (RGBOY 양자효율, 산란손실, 내열 ) 국내 LED 칩, 패키지핵심기술미국, 일본, 대만등에의존 - 조명판가에서 LED 칩, 패키지비율통상 40~50% 점유 -최근니치아, 토요타고세이등특허분쟁확대가능성확대 14

16 LED Chip 및 Package 종류 저가격화 고효율화 GaN LED str. n p Sapphire N-electrode Reflective p-electrode Solder Bump Si with Zener diode 포탄형 LED Flip Chip LED Vertical LED Top Electrode 대용량화 대량생산 LED Zener Diode Bottom Electrode Multi-Chip Array LED Wafer Level Package 15

17 백색 LED 기술개발동향및전망 Efficacy (lm/w) White LED Cree : PAR lm 5.8W, CRI 91.2(2760K) Xlamp : 790lm(cool), 606lm(warm), 9.8W - Nichia ( ) 특허공세강화 small chip 150 lm/w, 20 ma, 4,600 K - Osram-opto : 155 lm & 136 lm/w at 350 ma (5,000K, 500lm at 1.4A) -Philips Lumileds K2 with TFFC 220 lm at 1A 5.5 C/W, >1.5A - 서울반도체 AC LED 2008년말 120lm/W from 400lm PKG CRI TOP View LED CRI>90, 70lm/W 900 lm Max. at 10 W( 백열전구대체 ) Nichia, Product Nichia Cree R&D record Cree Osram Lumileds Korea, Product 15mW (Korea) Nichia, R&D Osram, Lab Korea, Lab 5year : 21st century Lighting in Japan : 70lm/W(2005), 120 lm/w(2010) : OIDA : Optoelectronics Industry Development Association, Sep Small 20 ma Large 350 ma Korea, NTRM Change? Product Nichia, Product Lumileds Korea, Product Product record OIDA 21 st C Lighting in Japan 세계수준 우리수준 16

LED 조명제품기술개발전망 02 04 06 08 10 12 진입성장정착보급 15

할로겐, 백열전구대체형광등대체모든광원대체 2006 2007 2008 2009 2010

Retrofit 실외조명 Relamp 태양광발전 LED 조명 LED 응용기술개발과제

투광기 보안가로등 도로가로등, 고광도투광기 백열전구대체 방전등대체 저용량독립형 LED

18 LED 조명제품기술개발전망 진입성장정착보급 15 lm/w 60 lm/w 80 lm/w 100 lm/w 120 lm/w 150 lm/w 할로겐, 백열전구대체형광등대체모든광원대체 시장 Target Retrofit 실내조명 Relamp Retrofit 실외조명 Relamp 태양광발전 LED 조명 LED 응용기술개발과제 전구형다운라이트 형광램프매입형조명기구 백열전구대체 형광램프대체 반도체조명사회진입 투광기 보안가로등 도로가로등, 고광도투광기 백열전구대체 방전등대체 저용량독립형 LED 조명 대용량계통연계형 LED 조명 의료 / 환경 / 농업조명 가시광통신 / 자동조명제어 최적의열적설계와사용목적에맞는광학설계에따른컴팩트화 고효율 / 온도보상구동장치개발 대전력구동장치개발 다기능단일칩 IC 개발 Multi Chip 혼합패키징기술과LED의특성에적합한조명기구개발 17

19 LED 조명기술개발동향 고출력대용량화 태양광시스템 ( 풍력 ) 결합 신개념조명기구 다기능화 ( 색온도제어 / 고연색성 )/ 컴팩트화 멀티칩패키징화 / 저가격화 One Module/Multi Luminaires 18

20 조명기구설계 ( 방열 / 광학 / 회로 / 시스템설계 ) 고효율구동회로설계 제어알고리즘및시스템설계 고효율, 소형화 광색 / 색온도제어, DMX 제어등 목표배광을위한광학계설계 (Photopia) 통합 Module 구조설계 양산시소형화, 저가격화 광학배치, 렌즈 / 반사판설계 신뢰성확보를위한열설계 (ICEPAK) 고출력화 대용량화 조명설계 (Lighting Design) 에너지절감 LED 특성고려인간친화실현 19

21 LED 조명기구기술적당면과제 반도체조명제품기술적변수의상호관계 광학방열회로조명디자인 고효율화대용량화소형화고신뢰성화신개념디자인다기능화 * Source : LED Magazine 20

22 생산및양산시당면과제 Lighting 방열및기구설계 D RI 고효율 장수명신뢰성 환경적친화 보급화 설 계 광학및조명설계 회로및시스템설계 신개념디자인설계 V E R S C H AL 기술복합투자비용인프라 시 장 저가격화기술 공동브렌드화 기업집접화 L E N G ES 고비용 광품질저하 열관리 표준화 산 생 반도체공정기술 금형및사출기술 신뢰성확보기술 Semiconductor 측정및표준화기술 21

23 LED 조명특성및신뢰성평가 Averaged LED Intensity d Photometer Total Luminous Flux Photometer Integrating Sphere Mechanical Axis D LED under test D<10 mm LED 조명평가항목 ( 미국 DOE) - Electrical - Photometic - Colorimetric - Thermal characteristics - Lumen maintenance - Life performance - In-situ performance Circular Aperture A=100 mm 2 Standard LED (lm) ENERGY STAR Criteria for SSL - ANSI C Specifications for Chromaticity of SSL Products - IESNA LM-79-XX Electrical and Photometric Measurements - IESNA LM-80-XX Nomenclature/Definitions for Illuminating Engineers - ANSI C82.XX1 Power Supply - UL Outline of Investigation 22

24 Ⅲ. LED 조명기술개발전략 23

25 LED 의조명침투전략 반도체조명제품 제품성능신뢰성공급자본투자기술협력 LED칩제품요소기술, 공정기술품질 Form Factor 기능성 Lm/PKG Lm/W Lm/mm 2 lm 유지성 ( 색, 광속 ) 참수명제조시스템분석양산능력특허 ( 원천, 독자 ) 미래수요대응능력공급적기대응능력윈윈전략 고기능성 침투조건 고부가치 고효율 조명설계 회로및제어 전원 조명상황에따른기구 / 조명설계 연색성, 색온도등 LED 는아직불완전한비싼조명 배광, 등기구, 조명디자인 LED 동특성 ( 온도안정성등 ) 구현제어회로및시스템의효율성조명콘텐츠 인간감성, 생리현상연구 동물, 식물광반응연구 DC? AC? 신재생에너지? 반도체조명제품보급 에너지절감정량적제시상품신뢰성제품효율을넘어건물효율, 시스템효율제시조명품질에뛰어난장점이있어야고가구매가능개척자적기술개발, 양산능력, IP전략필요 상보적인프라 ( 표준, 제도 ) 필요 24

26 세계기술개발및보급사업현황 기술개발현황 일본 미국 대만 중국 비고 사업명 최종목표 기간 1단계 : Light for the 21 st century 2단계 : LED 의료혁신지적창성클러스터 120 lm/w light source 개발 1 단계 : 98~ 03 2 단계 : 04~ 08 Next generation lighting initiative (NGLI) 200 lm/w light source 개발 ( 최종년도 : 20 년 ) 1 단계 : 단계 : 11~ 20 Next generation illumination light source project 기반구축및개발 1 단계 : 단계 : 02~ 04 3 단계 : 04~ 08 1 단계 : 중국과학기술성 National Plan on Semiconductor Lighting 추진 2 단계 : 중국경제개발 5 개년계획발표 (LED 및반도체조명산업육성대규모국책투자 ) 1 단계 : 단계 : 05~ 10 유럽 : Aixtron, Philips Lighting, Osram 및대학등이 LED 컨소시엄구성 한국 : 광주지역진흥사업에서 LED 분야기술개발지원 (300 억원 /5 년 ) 보급사업현황 -미국 : 켈리포니아에너지효율조례신주주택조명 50% 이상 40lm/W 조명기구사용의무화 -일본 : 에너지수급구조개혁촉진세제개정고효율에너지절약조명장치설비취득가격 30%, 중소기업 7% 세금공제 -중국 : 도시조명을위한에너지절약법규 ( 도시및도로조명조례 ), 4개지역 2010년까지조명을 LED로 50% 교체 -한국 : LED 조명 15/30 보급프로젝트 2015년까지조며을 LED로 30% 보급추진, 1조6천억원절감효과예상 25

27 해외 LED City 개요 정의 에너지를절감, 환경보호, 유지비감소, 시계확보와안정성을위해질좋은광 원을공급하기위해서도시기반시설전반에걸쳐 LED 조명기술을접목하고, 평가하고, 향상시키기위한정부와산업체의광범위한공동체형성 미국에너지국에따르면 20년후미국내 LED 조명교체후, 62% 에너지절감 과탄소방출 258백만톤감소, 133개의발전소절감, 1,150억달러재정절약이기대되어추진되고있음 기본현황및실태 참여지역 (5 개지역 ) - Raleigh(North carolina, USA) - Toronto(Ontario, Canada) - Ann Arbor( Michigan, USA) - Austin(Texas, USA), Tianjin, China 참여회사 : CREE, AMTECH, Beta LED 등 6 개사 적용분야 : 주차장조명, 도로조명, 경관조명, 실내조명, 휴대용조명등 26

28 LED 조명 15/30 프로젝트배경및기본방향 일정기간자금지원후최저효율제를통해시장기능에따라보급되도록추진 << 보급초기단계 >> 1 고효율에너지기자재인증 2 시범보급사업 << 시장육성단계 >> 1 장려금지원제도운영 2자금융자및세제지원등 << 시장성숙단계 >> 최저효율제시행 27

29 유도등 할로겐 / 백열등대체형광등 / 보안등대체가로등 / 채널간판대체 LED 조명 15/30 프로젝트보급시나리오 인증 시범보급 인증 09 시범보급 10 인증 ( 02), 시범보급 인증 인증 11 최저효율 장려금보조 시범보급 장려금보조 시범보급 최저효율최저효율 장려금보조 장려금보조 15 비고 구분자료 : 교통신호등 최저효율 ( 18) 최저효율 ( 20) 지식경제부에너지관리공단 28

30 LED 산업의발전비전 ( 지식경제부 ) 2012년수출 40억불생산 90억불고용 3만명 3 대정책 9 대세부과제의전략적추진 투자 ( 누적 ) 4 조원 기술 140lm/W 29

31 LED 조명핵심역량강화 ( 지식경제부 ) 분야별타켓기술의집중투자로 신핵심원천기술 선점 분야에피 / 칩 / 패키징소재 / 모듈어플리케이션 기술목표 12 년 160lm/W 급고출력고효율 LED 소자개발 新소재개발, 광학 열처리최적화, 광원모듈집적화 새로운 LED 제품상용화및디자인다양성확보 타켓기술 내부양자효율향상기술 Phosphorless white LED 에피성장 low cost 나노패터닝 나노기반 LED 설계 / 공정등 광원별新형광체 고열전도방열소재및방열설계 최적열 광학모듈 감성형실내조명디자인 형광등 가로등대체용 LED 조명기구 차량 의료용특수조명 국제표준선점및특허대응역량제고 - 세계 LED표준동향을기반으로, 국내외표준활동강화 - 국내외특허정보시스템구축및 특허풀 을통한특허공세공동대응 글로벌경쟁역량강화 - 세계 LED산업은 LED 칩에서조명어플리케이션까지수직계열화를통한 규모의경쟁구도 확산 - 이업종간전략적제휴를통한중소 LED기업의브랜드가치제고 국내 LED조명분야는영세중소기업이 End-Supplier, 극히취약한산업구조 30

LED 조명표준화로드맵 新고유가시대에대응한에너지절약과국내 LED조명기술개발수준에맞게품목별 LED 조명보급활성화로 2015년까지 LED 조명비중

Program 2010 2011 2012 주요표준화대상제품 공통대책 백색 LED 개발 일반조명광원효율 조명제품상용화 50 lm/w

(100lm/W) 규격작성백열전구가로등보안등할로겐전구문자형간판형광램프특수조명 140 lm/w 할로겐, 백열전구대체형광등대체특수조명대체 중거리조명

32 LED 조명표준화로드맵 新고유가시대에대응한에너지절약과국내 LED조명기술개발수준에맞게품목별 LED 조명보급활성화로 2015년까지 LED 조명비중 30% 달성을목표로추진 국내외배경 LED조명 15/30 보급프로젝트신 국가에너지전략 Energy Star Program 주요표준화대상제품 공통대책 백색 LED 개발 일반조명광원효율 조명제품상용화 50 lm/w CFL(45lm/W) 할로겐전구 (28lm/W) 백열전구 (13lm/W) 100 lm/w 메탈할라이드 (110lm/W) 형광램프 (100lm/W) 규격작성백열전구가로등보안등할로겐전구문자형간판형광램프특수조명 140 lm/w 할로겐, 백열전구대체형광등대체특수조명대체 중거리조명 고압나트륨램프 (132lm/W) 사업자지원보조금에따른초기수요창출 ( 고효율기자재보조금도입 ) 에너지절약투자사업가치평가의정리 활용 표준화 규격화로국제경쟁력의향상 장거리조명 31

33 감사합니다 32

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