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연지 정
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2014 노벨물리학상 백색 LED 및 Solid State Lighting 기술 DOI: 10.3938/PhiT.23.

AlGaN의 n-도핑,[5] 1992년 AlGaN/GaN 구조와 외 In this paper, in celebration of the 2014 Nobel Prize in 부양자효율 1.

열처리에 의한 Mg acceptor의 활성화,[8] 1992년 pects for white LEDs, solid-state lighting, and LED con- InGaN 층에 대한 p-doping,[9] 1993년 InGaN/GaN과 InGaN/ vergence technologies are reviewed.

1 2014 노벨물리학상 백색 LED 및 Solid State Lighting 기술 DOI: /PhiT 유 영 문 The White LED and Solid-state Lighting Technology 마노와 아카사키 교수 등의 연구 결과를 살펴보면, 1986년 높 은 결정품질과 광학특성을 내도록 하는 AlN 버퍼층의 발명,[2] 1988년과 1989년 Zn과 Mg을 이용한 p-도핑,[3,4] 1991년 Si Young Moon YU 을 이용한 AlGaN의 n-도핑,[5] 1992년 AlGaN/GaN 구조와 외 In this paper, in celebration of the 2014 Nobel Prize in 부양자효율 1.5%의 개발[6] 등이 있고, 당시 니치아(주)에서 연 Physics for the invention of the blue LED, which allows a 구원으로 근무하던 나카무라 교수는 1991년 GaN 버퍼의 개 white-light source, the current status and the future pros- 발,[7] 1992년 열처리에 의한 Mg acceptor의 활성화,[8] 1992년 pects for white LEDs, solid-state lighting, and LED con- InGaN 층에 대한 p-doping,[9] 1993년 InGaN/GaN과 InGaN/ vergence technologies are reviewed. Principles, current man- AlGaN을 이용한 이종접합 및 다중양자우물 구조의 개발,[10] ufacturing technologies, and future prospects for white 1994년 InGaN/AlGaN 이중 이종접합 구조를 이용한 2.7%의 LEDs, current technical challenges and future prospects for 외부양자효율 개발[11] 등이 있다. LED system lighting, and technical challenges concerning 2014년 노벨물리학상 수상자들의 기여로 인해 반도체에 의 the agri- and aqua-culture, shipbuilding and marine plants, 한 백색 광원은 물론 빛의 3원색(RGB)을 이용한 full color 응 automotive IT, and medical applications in the area of LED 용의 solid state lighting 시대가 앞당겨 도래되었다. 수상자들 convergence technology were discussed in detail. 서 론 우리나라 LED 전문가들과 오랜 과학기술적 친분 관계를 맺 어온 일본의 아카사키 이사무 교수, 아마노 히로시 교수, 나카 무라 슈지 교수가 2014년 노벨 물리학상 수상자로 선정되었 다. 이번의 LED에 대한 노벨 물리학상 선정은 LED 분야에 종사하는 전문가들에게 큰 기쁨과 자부심, 21세기를 향한 희 망을 가져다준 역사적 사건이 되었다. 수상자들이 노벨상을 받게 된 주요 업적은 밝고 에너지 절 약의 백색 광원을 가능하게 하는 효율 좋은 청색 LED 발명 으로 보고되었다.[1] GaN LED 개발 초기에 발표된 대표적 업 적들을 간략히 정리하면 다음과 같다. 우선 나고야 대학의 아 저자약력 유영문 교수는 고려대학교(재료공학과)에서 박사학위를 취득하였으며, 2010 년부터 현재까지 부경대학교 LED-해양융합기술연구센터 센터장과 과학기술전 문대학원 LED융합공학 전공주임으로 근무하고 있다. 한국화학연구원 책임연 구원, 일본 도호쿠대학 금속재료연구소 객원연구원, 한국광기술원 LED사업단 장, LED 반도체조명학회 회장을 역임하였다. (ymyu@pknu.ac.kr) 24 물리학과 첨단기술 DECEMBER [1] /. [2] H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986). [3] H. Amano, I. Akasaki, T. Kozawa, K. Hiramatsu, N. Sawaki, K. Ikeda and Y. Ishii, J. Lumin. 40 & 41, 121 (1988). [4] H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys. 28, L2112 (1989). [5] H. Murakami, T. Asahi, H. Amano, K. Hiramatsu, N. Sawaki and I. Akasaki, J. Crystal Growth 115, 648 (1991). [6] I. Akasaki, H. Amano, K. Itoh, N. Koide and K. Manabe, Int. Phys. Conf. Ser. 129, 851 (1992). [7] S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 (1991); S. Nakamura, M. Senoh and T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1998 (1991). [8] S. Nakamura, N. Iwasa, M. Senoh and T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 31, 1258 (1992); S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh and N. Iwasa, Jpn. J. Appl. Phys. 31, L139 (1992). [9] S. Nakamura and T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 31, L1457 (1992). [10] S. Nakamura, M. Senoh and T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 32, L8 (1993); S. Nakamura et al., J. Appl. Phys. 74, 3911 (1993). [11] S. Nakamura, T. Mukai and M. Senoh, Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994).

[12] 의기여로청색 LED의실용화가능성이확인된이후세계각국에서상용화를위한연구개발투자와특허, 표준경쟁이촉발되었고, 그결과그림 1에보이는바와같이 GaN 기반의청색 LED를비롯한 RGB 및백색 LED의성능과가격에있어비약적인발전이이루어졌다.

2 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Fig. 1. (upper) Historical evolution of the performance (lm/w) of commercial red, green, blue and phosphor-converted white LEDs. (lower) Historical evolution of the performance (lm/package) and cost ($/lm) for commercially available red and phosphor-converted (PC) white LEDs. Reproduced with permission. [12] 의기여로청색 LED의실용화가능성이확인된이후세계각국에서상용화를위한연구개발투자와특허, 표준경쟁이촉발되었고, 그결과그림 1에보이는바와같이 GaN 기반의청색 LED를비롯한 RGB 및백색 LED의성능과가격에있어비약적인발전이이루어졌다. [12] 청색 LED 효율이향상되면서황색형광체를이용한백색 LED가개발되어휴대전화, LCD Back Light 시장에상용화되었고, 녹 황 적색형광체를활용한고연색성, 온백색 (warm white) 의백색 LED가개발되어일반조명영역에서주류의위치를점유해가고있다. 2014년 3월 Cree사는실험실수준에서 303 lm/w의효율을실현했다고발표했으며, [13] Philips는 lm/w 효율의상업용 LED 형광등을개발하였다. 이러한발전에도불구하고 LED 광소자자체에대한과학기술과 LED를이용한조명기술, 융합과학기술, 새로운시장의창조는아직도긴여정이남아있다. 현재 LED는조명의영역에진입을시작한초기단계이기때문에조명분야에서요구하는조건에충분히대응하지못하고있는분야가남아있으며, 반도체소자만의장점을활용하여기존조명광원들로는실현할수없었던새로운응용과학기술을창조해야할과제가남아있다. 인간의생활과활동을지원하는조명이외에도 LED는인류의중요과제로남아있는여러가지문제, 예를들면건강, 식량, 안전, 에너지, 삶의품질, 환경등의문제를해결하는데기여하는방향으로나아가고있다. 이를위하여 RGB LED 이외에도 UV LED 와 IR LED, 청록색, 앰버등특수파장 LED의개발이필요하다. 또한이미개발된 LED를활용하여농생명, 수해양바이오, 의료, 해양 원자력 중화학플랜트, 교통및수송기기, 정보가전, 정보통신, 군사과학, 여가및엔터테인먼트등다양한영역에서의융합기술에대한관심이크 Fig. 2. Schematic diagram for the principles of white LED preparation. 게높아지고있다. 본기고에서는청색 LED 발명에대한노벨상수상을맞이하여, 백색 LED와 solid state lighting 기술의현황을살펴보고, 향후의 LED 과학기술과 LED융합의새로운전개에대해전망해보고자한다. 다만여기에서는 LED 광소자개발의역사와광소자기술개발및기술이슈등에대해서는다루지않으며, LED 조명기술과융합기술, 시장전망과정부정책등에대하여고찰한다. 고연색성고효율백색 LED 의제조기술 백색 LED의제조방법은여러가지가있는데, 대표적인방법을그림 2에요약하였다. 백색광원을만드는기본원리는가장일반적인방법으로 RGB 빛의 3원색을혼합하거나, 보색관계에있는색, 예를들면청색과황색을혼합하여만드는것이다. 그림 2(a) 는청색 LED에황색형광체를사용하여백색광원이만들어진다. 이경우녹색과적색광의강도는약하므로연색지수 (color rendering index, CRI) 가낮아져형광등빛과비슷한냉백색 (cool white) 이만들어진다. 설계작업이나전시, 색채작업등의환경에서는색의재현성이좋은광원이필요하다. 연색성지수를높이기위하여그림 2(b) 와 2(c) 와같이적색과녹색 [12] J. Y. Tsao, M. H. Crawford, M. E. Coltrin, A. J. Fischer, D. D. Koleske, G. S. Subramania, G. T. Wang, J. J. Wierer and R. F. Karlicek Jr., Adv. Opt. Mater. 2, 809 (2014). [13] leases/2014/march/300lpw-led-barrier. 물리학과첨단기술 DECEMBER

2014 노벨물리학상 일반조명분야에서의 LED 의기술적과제및전망 Fig. 3. Trend of commercial and R&D performance of white LED. 형광체를황색형광체와함께사용하는기술이개발되었으며, 이경우적색광과녹색광의강도가높아진분광스펙트럼이만들어지므로 CRI가 90 이상으로향상될수있게된다.

3 2014 노벨물리학상 일반조명분야에서의 LED 의기술적과제및전망 Fig. 3. Trend of commercial and R&D performance of white LED. 형광체를황색형광체와함께사용하는기술이개발되었으며, 이경우적색광과녹색광의강도가높아진분광스펙트럼이만들어지므로 CRI가 90 이상으로향상될수있게된다. 조명용광원의상관색온도 (correlated color temperature, CCT) 또한중요한데, 이는 Planckian locus 를따라높은온도의백색에서는차가운느낌, 낮은온도에서는따뜻한느낌을주는조명환경이만들어지기때문이다. 높은효율, 높은 CRI, 낮은 CCT를제조하는경우고효율청색 LED는물론녹 황 적색형광체, 형광체조합, 분산등의기술이패키징공정에서사용된다. 형광체를사용하는백색 LED는기존조명을대체하기위한목적으로색제어를할필요가없는경우에사용되고있다. 형광체를사용하는기술은광색이고정되어색변화제어를할수없게된다. 따라서색변화를요구하는경우에는그림 2(e) 와같이 RGB LED 를구성하여백색을재현할수있으며, 1600만개의색재현을해낼수있는장점이있어서전광판, 건축조명, 미디어파사드, 광고간판, 경관조명등에서사용되고있다. 적색형광체를구할수없거나효율이낮아사용하기어려운경우에는그림 2(d) 와같이적색 LED를사용하는경우도있다. 그림 2(f) 는 405 nm의 UV LED 를사용하고 RGB 형광체를사용하여백색광원을제조하는경우로서고연색성이필요한경우에해당한다. 백색 LED 성능변천을그림 3에요약하여나타내었다. 2014년미국 DOE 발표에의하면백색 LED 로드맵은냉백색의경우 2013년 166 lm/w로부터 2020년 231 lm/w, 온백색의경우 135 lm/w로부터 225 lm/w의상용화를제시하고있다. [14] 현재미국 Cree사와 Philips Lumileds가 lm/w 의패키지를생산하며, 오스람옵토와필립스루미레즈는조명제품에서최대 200 lm/w 의높은성능을보고하고있고, 니치아는 150 lm/w 급고신뢰성대면적패키지를상용화하고있다. 우리나라는 lm/w를생산하고있으며, 중국은 GaN/Sapphire 구조의경우 160 lm/w, GaN/Si의경우는 130 lm/w(small chip의경우 190 lm/w) 정도의성능에도달하여우리나라를위협하고있다. [15] 조명이란광 ( 光 ) 을시환경확보 ( 물체와그주변을잘보이도록광을비추는것 ) 와공간이미지형성 ( 사람의감정, 기분에작용하도록분위기조성 ) 을통해사람의생활과활동에이용할것을목적으로인공광원을이용하는것을말한다. 조명기술은사람의시각능력을증강시켜시각정보를잘획득하도록하는기술이며, 빛에의해사람의심리, 생리, 의료적특성이작용하므로사람의생활, 활동과관련된안전과쾌적한생활을영위할수있도록빛을이용하는기술이다. 조명환경에따라사람의피로도와작업능률이달라지며, 나이 성별 작업강도에따라조명조건이달라지고, 안전사고나범죄발생에도영향을미친다. 좋은조명을형성하기위한조건으로실내조명인경우에는 (1) 적절한조도 ( 권장조도 ) 또는휘도, (2) 휘도분포, (3) 휘도대비, (4) 광원의색온도와연색성, (5) 음영, (6) 불쾌 불능 반사글레어 ( 분부심 ) 방지, (7) 경제성, (8) 미적효과등이있다. 옥외조명의경우에는이에더하여안전, 주변환경과의조화, 조명장소별조명요건등이부가된다. 좋은조명조건을만들어내기위하여 LED기술은단순광소자로부터, 조명기구, 제어통신, 설치, 운영관리등의기술과결합되어 LED조명시스템으로재탄생하게된다. 따라서다음과같은기술적과제가 LED 조명응용의영역에서나타나고있다. (1) LED 소자의고효율화기술, 저가격화기술, 고신뢰성화 ( 긴수명, 사용환경적합성 ) 기술, 고출력화에따른방열기술, 배광제어를위한광학기술, 등기구화를위한표준모듈화 ( 광학엔진 ) 기술등 (2) 조명기구에서조명설계 ( 조명목적및기준설계, 조도 / 휘도, 글레어제어, 배광, 균제도, 연색성등 ) 기술, 이차광학부품설계기술, 방열재료및설계기술, 기구재료및설계기술, 조명기구의특성및신뢰성 ( 수명, 광학 광도, 전기안전, 전자파적합성, 환경내구성 ) 평가기술, 조명기구경량화기술, 시제품및양산제조공정기술등 (3) 전원및제어통신에서전원 회로설계기술, Zigbee PLC Blue Tooth 기술, 센싱기술, 정보통신기술, 조명장소및조명목적별조명디자인및제어컨텐츠기술, 능동디밍및입력정보분석에따른 LED-ICT 융합시스템연동제어기술, 각부품및시스템제조및신뢰성평가기술등 (4) 그밖에조명제품보급을위한외적환경으로서국내외표 [14] DOE, Multi-Year Program Plan 2014, ttp://apps1.eere.energy. gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_mypp2014_web.pdf. [15] Jianlin Cao, Open Innovation Integration, China SSL 2014, Gwangzhou Convention Center, 6, Nov. (2014). 26 물리학과첨단기술 DECEMBER 2014

Fig. 6. Example of LED system lighting. 재 가장 활발하게 대체되고 있는 제품이다. 2015년경부터 LED형광등이 조명 수요의 주류를 이루면서 2019년경 포화에 Fig. 4. Paradigm change of lighting. 이르기까지 제품의 저가격화와 수요 수량의 급성장 등 LED산 업의 주요 동력이 될 것으로 전망된다.

LED 시스템조명은 ICT와 LED조명이 융합되어 지능형, 스 마트 기능을 갖는 조명으로 다수의 조명을 조명컨텐츠에 따라 디지털 제어 및 동작시키는 조명으로서 기존의 조명 광원으로 는 실현할 수 없는 조명환경을 제공하는 능동형 조명 시스템 을 의미한다.

인간 에게 적, 녹, 청의 파장을 인식하는 원추세포가 있어서 눈으로 준, 국내외 인증, 보급을 위한 현장 신뢰성 실증, 고장분석, 입사되는 파장의 강도에 따라 빛을 인식하므로 눈을 향해 빛 빛공해 방지법에 따른 설계, 설치환경 및 설치 공사 기술, 이 직접 조사되는 디스플레이 응용에서는 빛의 3원색인 R, G, 노화 오염 대처 등 유지관리 등이 있다.

또한 주문자가 요구하는 조명 환경에 사할 수 있으며, 따라서 인공 광원의 조건은 태양광 스펙트럼 맞추어 조명제품이 설치되는 경우도 많으므로 고객 요구사항 에 가까운 것이 바람직하다.

4 Fig. 6. Example of LED system lighting. 재 가장 활발하게 대체되고 있는 제품이다. 2015년경부터 LED형광등이 조명 수요의 주류를 이루면서 2019년경 포화에 Fig. 4. Paradigm change of lighting. 이르기까지 제품의 저가격화와 수요 수량의 급성장 등 LED산 업의 주요 동력이 될 것으로 전망된다. 그러나 중장기적인 관 점에서 볼 때 기존 조명의 대체를 목적으로 탄생한 LED전구, 형광등 등의 조명기구는 2018년경부터 LED 고유의 장점을 극 대화한 LED시스템조명으로 재탄생하게 될 전망이다. LED 시스템조명은 ICT와 LED조명이 융합되어 지능형, 스 마트 기능을 갖는 조명으로 다수의 조명을 조명컨텐츠에 따라 디지털 제어 및 동작시키는 조명으로서 기존의 조명 광원으로 는 실현할 수 없는 조명환경을 제공하는 능동형 조명 시스템 을 의미한다. 태양이 만드는 조명환경을 실내에 재현하여 교 육, 주거 공간 등에서 인간의 건강과 생활 패턴에 맞게 스스로 Fig. 5. Global commercial lighting revenue forecast, [14,16] 구동하는 LED시스템조명의 사례를 그림 6에 나타내었다. 인간 에게 적, 녹, 청의 파장을 인식하는 원추세포가 있어서 눈으로 준, 국내외 인증, 보급을 위한 현장 신뢰성 실증, 고장분석, 입사되는 파장의 강도에 따라 빛을 인식하므로 눈을 향해 빛 빛공해 방지법에 따른 설계, 설치환경 및 설치 공사 기술, 이 직접 조사되는 디스플레이 응용에서는 빛의 3원색인 R, G, 노화 오염 대처 등 유지관리 등이 있다. B LED로 총천연색을 구현할 수 있으나, 물체에 빛이 조사되 조명은 각 국가별로 문화역사적 배경에 따라 조명문화가 다 는 조명의 경우에는 물체의 색은 광원이 가진 스펙트럼에 의 르고 유통 경로, 전력 및 설치 방법, 조명에 대한 정부 정책과 존하여 달라지므로 태양광 하에서와는 다른 분포의 파장을 방 국가 표준 등이 다르다. 또한 주문자가 요구하는 조명 환경에 사할 수 있으며, 따라서 인공 광원의 조건은 태양광 스펙트럼 맞추어 조명제품이 설치되는 경우도 많으므로 고객 요구사항 에 가까운 것이 바람직하다. 등 LED조명 제품 개발과 시장 개척에 있어서 많은 고려사항 그림 6의 LED시스템조명은 태양광 스펙트럼의 재현 능력을 보유한 LED광학엔진을 이용하여 태양에 의해 조성되는 야외의 이 존재한다. 조명의 패러다임은 그림 4에 나타낸 바와 같이 천연재료를 빛환경을 주거 공간 내에서 재현하거나, 주거공간의 각 공간별 태워 빛을 얻었던 1세대, 전구의 2세대, 방전램프의 3세대를 조명 목적과 주거인의 성 연령 작업/행위에 따라 적합한 조명 거쳐 4세대인 LED 조명으로 변천해왔다. 향후 조명시장에서 환경을 제공하거나, 각 교과목별 특성에 맞추어 집중 또는 교 [14,16] 각 광원별 시장점유율 전망은 그림 5와 같다. 현재 LED 전구의 개발로 인해 저효율 조명인 백열전구는 사용 및 제조 의 금지가 전 세계적으로 확산되고 있으며, LED전구로 전량 [16] Energy efficient lighting for commercial market, prepared by Navigant Research, 2Q (2013). 대체되고 있다. LED형광등은 2012년부터 시장에 진입하여 현 물리학과 첨단기술 DECEMBER

조명시스템은원격조명제어, 원격의료정보통신, 원격모니터링등의목적을위해필요한경우유비쿼터스제어망과연결되거나전력의효율적이용을위해스마트그리드와연결될수있다. LED시스템조명의핵심기술은 LED광학엔진의성능, 공간및이용자라이프스타일특성에맞는조명컨텐츠, 관련정보를센싱하고분석하여조명목적에따라다수의광학엔진을동작시키는 ICT 제어시스템등이다.

5 2014 노벨물리학상 Fig. 7. Example of LED system lighting. 육효과가높아지도록하는조명환경을능동적으로제공한다. 이를위해태양광의시간대별빛환경을센싱, 실내공간의위치별조도센싱, 사람의위치와이동상황을센싱하고, 실내공간별조명목적과주이용자의주요작업 / 행위, 선호하는빛환경취향등의정보를입력하면조명시스템의제어장치가이를분석하여요구되는패턴의조명컨텐츠에따라자동또는반자동으로다수의 LED조명엔진이작동하도록하는것이다. 조명시스템은원격조명제어, 원격의료정보통신, 원격모니터링등의목적을위해필요한경우유비쿼터스제어망과연결되거나전력의효율적이용을위해스마트그리드와연결될수있다. LED시스템조명의핵심기술은 LED광학엔진의성능, 공간및이용자라이프스타일특성에맞는조명컨텐츠, 관련정보를센싱하고분석하여조명목적에따라다수의광학엔진을동작시키는 ICT 제어시스템등이다. 그림 7에사용자라이프스타일에따른맞춤형침실조명컨텐츠의예시를나타내었다. LED 도로조명시스템의경우, 가로등을네트워크로연결하고, 주광센싱, 이동센싱, 속도와방향센싱, 광량센싱, 자기진단센싱등으로정보를실시간분석하고, 작동상태 고장예측등의정보를중앙제어실에전송하여원격제어및유지관리하는시스템이개발중이다. 사무공간, 창고등에서의조명시스템은재실감지기능으로에너지절감극대화, 상점조명시스템은날씨에따른조명제어와전시물품의종류에따른색온도제어등이개발되고있다. 향후일반조명분야에서는 LED의시스템조명화가주류로부상하면서 (1) LED 광학엔진의고효율화, 고기능화, 저가격화, 고신뢰성화, (2) 인간의감성과조명요구조건에관한이해를바탕으로다양한종류의공간별, 사용자의성별 나이별 작업 / 행위별조명조건을만족시킬수있는표준화된시스템 ( 각종센싱, 능동디밍, 배광제어, 색온도및광색제어, 통신제어등 ), (3) 조명용부품소재와통신방식의표준화, (4) 다양한종류의조명컨텐츠어플리케이션개발등이요구되고있다. 융합분야에서의 LED의기술적과제및전망 LED조명은사물에빛을조사하여사람의주거생활과야간활동에이용하는것을목적으로하는반면, LED융합은동식물 Fig. 8. Present and emerging market of LED lighting and convergence technology. 을대상으로하거나공산품등제조물에사용되어인간에게편익을주는발광장치및시스템으로 LED 과학기술과타분야과학기술이융합하여새롭게창조된신기술로정의할수있다. LED융합의범주에는그림 8에서보는바와같이수송기기 ( 해양조선, 자동차, 항공, 철도등 ), architainment( 건축조명, 미디어파사드, 공연조명 ), 농생명 ( 식물생장, 동물제어, 해충방제 ), 해양 ( 해양엔지니어링, 수해양생물생산, 항만 / 도시조명, 수해양환경등 ), 의료 ( 테라피, 진단, 치료등 ), 가시광통신 ( 신호, 정보등 ), 군사과학 ( 병영조명, 함정조명, 계측등 ) 등다양한융합분야가존재한다. 그림 9에 LED산업의공급체인을나타내었다. 그림 8과 9에서휴대전화, LCD back light, 건설분야일반조명, 도로조명, 사인등의응용은현재우리나라 LED산업에서주력시장을형성하고있는분야이며, 자동차, 조선해양과 LED융합분야는유망성과미래성장성을보유하고있는신산업분야이다. 우리나라의주력산업인휴대전화, LCD용 LED back light 시장이포화됨에따라 LED조명시장이주력시장으로떠오르고있지만, 지난 3년간우리나라정부정책이 LED조명분야를중소기업적합업종으로규정함에따라 LED산업이성장동력을잃고 LED조명분야기술경쟁력이정체상태에빠짐으로써중국등과의기술격차가크게좁혀진상태에있다. 이에비해 LED융합은새로운과학기술을창조하는기술개발및시장진입초기단계를진행하고있다. LED융합분야에는많은다양성이존재하지만가장빨리부상하고있는분야는국가산업육성정책에따라부양되고있는 (1) 조선해양, 수산등바다와관련되는 LED- 해양융합기술, (2) LED 식물공장등 LED-농생명융합기술, (3) 지능형전조등등 LED-IT 융합기술이며, (4) LED- 의료융합기술, (5) UV LED를이용하는 LED- 환경융합기술, (6) LED- 국방융합기술, (7) LED-MICE 관광융합기술, (8) LED- 한방약학 28 물리학과첨단기술 DECEMBER 2014

Fig. 10. Phototherapy dependence on wavelength in skin disease. [20] Fig. 9. Supply chain of LED industry. 기술, (9) LED- 가시광통신융합기술등이지금부터서서히싹을내리면서 2020년경시장성장기에도달할것으로전망된다.

예를들면, LED- 해양과 LED- 농생명융합분야는농업및수산업, 생물생태학, 식물학, 축산학, 어업과양식, 조선과해양플랜트등의과학기술을흡수융합하여야하고, LED- 의료융합분야는피부과, 안과, 치과, 내과, 신경과등의의료과학기술과융합하여야신제품의개발과시장진입이가능해진다.

6 Fig. 10. Phototherapy dependence on wavelength in skin disease. [20] Fig. 9. Supply chain of LED industry. 기술, (9) LED- 가시광통신융합기술등이지금부터서서히싹을내리면서 2020년경시장성장기에도달할것으로전망된다. 융합기술은두개의독립적인과학기술분야의기술이화학적으로융합하여새로운과학기술을창조하는특성을가지는기술이므로, LED융합기술은융합하고자하는대상분야의과학기술에정통한지식과기술을겸비해야하는어려움을극복해야한다. 예를들면, LED- 해양과 LED- 농생명융합분야는농업및수산업, 생물생태학, 식물학, 축산학, 어업과양식, 조선과해양플랜트등의과학기술을흡수융합하여야하고, LED- 의료융합분야는피부과, 안과, 치과, 내과, 신경과등의의료과학기술과융합하여야신제품의개발과시장진입이가능해진다. 현재 LED- 농생명융합분야는친환경농산물및종자개량, 식품기능성및안정성원료생산, 의약품소재생산에 LED를응용하는융합기술창조를목적으로농업, 축산업, 분자농업등의기술분야와융합을추진하고있다. 무농약, 저세균, 무세척의식재료생산, 종자산업, 미네랄, 비타민등의영양강화작물, 해충방제등의시장에선진입하고, 한약재및식품등고기능성작물생산, 유용미생물응용, 경구백신단백질의약품등을중장기적으로산업화하는방향으로연구개발이진행중이다. [17] 육상식물은지구의역사속에서태양광과기후에적응하여진화해왔으며, 광합성을통해탄소화합물을합성하여지상의동물에게영양을제공한다. 식물에서빛의역할은광합성을위한에너지원이며, 형태형성을위한신호로작용한다. 빛과엽록소의명반응에의해빛에너지를화학에너지 (NADPH2, ATP) 로변환하며, 암반응에의해생성된화합물을포도당으로합성한다. 빛은식물의꽃봉오리발현, 성장, 개화시간, 식물형태등을제어하므로, LED- 농생명융합기술은 LED 식물공장을통해작물재배에필수적인빛, 수분, 영양분, 온도등의요소를인공적으로공급하여신선, 안전, 고영양식물을수확하는첨단농업기술이다. 식물공장의핵심기술은작물생장에필요한양분의함량조절과양분공급의자동제어기술, 온 습도자동제어기술, LED조명설계와적절한스펙트럼의빛의조사, 병충해로부터의보호환경제공등이다. LED 식물공장은잎들깨 국화 딸기등의전조재배, 장미 양란류의시설화훼보광재배, 멜론 파프리카 고추등의품질향상을위한시설과채류보광재배, 상추 청겨자등쌈채류의시설엽채류친환경재배, 포도 복숭아 열대과수 노지밀감 사과 배등의과수생산성증대및품질향상, 인삼등의약용작물기능성증진및수량증대, 유채 참깨 콩등노지작물의생산성증대및품질향상, 화훼류의생육조절등많은분야에서성과를거두고있다. LED- 자동차융합조명은수동형안전편의, 진보된안전운전, 충돌방지, 운전자동화등을목적으로빛을통한지능형자동차를탐구한다. 자동차는감성 (emotional), 미 (aesthetic), 기능 (functional) 이향후의트렌드이다. [18] 따라서 LED광원의성능향상과함께자동차와사람이교감할수있는인지과학적감성조명, 차체디자인과조화를이루는매력적인스타일의 LED조명기구, 사용자의편의성 시인성 안전성을극대화한차별화된지능형 LED조명시스템이필요하다. 이를위하여자동차전용의기능성 LED광원, 광학, 방열, 제어, 센싱및인식을위한 IT 기술이 LED- 자동차융합조명시스템의핵심기술이다. 현재차내감성을위한 LED조명기술로서움직이는빛을통한감성전달, 순차점등, 고품격점등이미지형성등리어램프의디자인을통한감성의차별화, LED램프적용을통한자동차조명의구조슬림화, 기능통합단순화, 독창적인조명기구디자인으로자동차외관의미적차별화개발이진행중이다. 또한 LED램프의 ADB(Adaptive Driving Beam), matrix lamp, AFS (Adaptive Front Lighting System) 등의기술을통해도로및주행환경인지, 주행환경과의통신, 충돌방지등의지능형 LED램프를구현하고자하는노력이확대되고있다. LED- 의료 / 헬스융합조명분야에서는광의료치료기기, 광의료진단기기, 광융합의료기기등으로많은연구개발과실용화가이루어지고있다. 개발된 LED의료기기로는내시경용카메 [17] C. H. Hong, Current Status on LED-Agribio Convergence Technology, Seminar on LED Convergence Technology, Conference Hall of The Korean Federation of Science and Technology Societies, 14th Nov. (2014). [18] C. G. Kang, Automotive LED Lighting Technology and its Market Prospect, LED Forum, Chunma Arts Center (60th Anniversary Hall) at Youngnam University, 29th Oct. (2014). 물리학과첨단기술 DECEMBER

7 2014 노벨물리학상 Table 1. Reliability requirements of LED-Marine convergence products. [21] 항목 방염, 방습 방풍, 방진 ( 振 ) 방수, 방진 ( 塵 ) 방유, 방폭 EMS 내고수압 내극저온 해양환경 부식가속화 내충격, 진동노화 수분, 분진 유적, 폭발, 화재 항해안전 > 300기압 신뢰성시험 염수분무, 항온항습, 고온고습, 온도사이클 구조안전, 진동, 파괴강도 IP 등급방폭전자파내성내고수압극저온 라조명, 수술용고글과무영등조명, 병원과의료복지병실용환자쾌유빛환경조명, 수면 therapy, 광 therapy, 신생아황달치료기, 통증치료기등이있다. 치과분야에서는치과용무영등과 LED조명을부착한핸드피스, 광중합기, 구강카메라광원, 치아미백기, 치아색조감별기, 치과용 LED라이트미러, 치아우식진단장치, 하악운동측정기등이개발되어특허등록되었다. 피부과분야에서는 1903년 Niels Ryberg Finsen [19] 이탄소아크램프를이용하여낭창등피부병치료법을개발한공로로노벨의학상을받아 phototherapy의유효성이오래전에입증된바있다. 인간의피부에대한빛의침투는 870 nm를최대침투깊이로하여 810, 870 nm 파장은하피층 (hypodermis) 까지깊이침투하며, 그후단파장과장파장이될수록침투깊이가감소하여 590, 630, 660, 970 nm는진피층 (dermis) 까지, 300 nm와 400 nm은표피층 (epidermis) 까지침투한다. 그림 10에 LED파장별피부병치료법과의관계를나타내었다. 현재피부과및정신과분야에서는정신장애, 기분장애, 생리장애, 빛결핍장애, 우울증, 거동장애, 인지장애, 탈모치료, 비듬, 지루성피부염, 어루러기, 여드름, 아토피, 피부노화치료, 피부기저세포암, 광선각화증, Extramammary Paget s disease(empd) 등의치료를위한 LED 광치료기기, 피부미용분야에서는검버섯, 눈보호및눈주름개선용광치료기등이개발되어특허등록되었다. 빛은박테리아, 곰팡이류에대한살균효과가있고면역조절효과가있어백반증, 아토피, 포도당검출기등이개발중에있으며, UV LED가개발되는경우 LED살균시스템등으로살균, 소독분야에많은신제품들이나올것으로예견되어이에대한많은투자가이루어지고있다. LED- 해양융합기술은 바다환경에서 LED를사용할때발생될수있는제반의문제들을해결하기위한과학기술 로정의된다. [21] 바다환경에서 LED를사용한다는것은바다의영향이미치는지역내에서의 LED응용을의미하며, 海上, 海中, 海邊의 3가지환경을상정한다. 첫째로해상에서는일반선박과해양플랜트, LNG운반선, 크루즈선, 해군함정과같은고부가가치특수선박이남극과북극의극저온환경과적도의고온지역을운항하며, 항로표지등해상안전시설물등이설치되어있다. 둘째로해중환경에서는수중생물의포획 양식 재배, 수중작업과해양설치물, 해양플랜트의 Subsea 시설등이있으 며, 셋째로해변에는해양도시가형성되어바닷바람의영향을받는주거 상업 산업단지, 항만부두, 해안도로및해양대교등이시설되어있다. 따라서이러한해양환경에서사용되는 LED 제품의성능과신뢰성이 LED- 해양융합기술의고려대상이된다. 바다는바다에적응하려는인간에게가혹한환경을부여한다. 따라서해양으로진출하기위해서는육상에서획득된 LED 조명및 LED융합기술에부가하여바다가요구하는특성을별도로해결해야한다. 해양환경이요구하는신뢰성항목을표 1에정리하여나타내었다. 현재 LED- 해양융합기술은해양환경부합고신뢰성제조에필요한과학기술을중심으로하여조선해양엔지니어링, 수해양생물생산, 해양조명도시의 3개방향으로특화한개발이진행되고있다. LED- 해양융합제품은조도 / 휘도, 균제도, 눈부심방지, 조명컨텐츠와 ICT 제어등통상의조명으로서갖추어야할조건에더하여염수부식과진동열화에대한높은신뢰성보유가기본적인설계조건이며, 다음으로사용목적과환경이요구하는특정한성능과긴수명을요구받고있다. 예를들면, 해양플랜트에서는원유채굴, 보관, 정제, 운반등을수행하므로상시또는간헐적으로화재 폭발위험환경이발생된다. 따라서조명을비롯한모든전기전자제품은어떠한의도되지않은제품고장하에서도점화원이될수있는불꽃이발생되지않아야하며기기표면온도가제한온도이상의고온으로올라가지않도록설계 제작하는방폭설계기술이필요하며, IECEx, ATEX 국제인증을받아야제품으로서해양플랜트시장에진입될수있다. Zone 0ㆍ1ㆍ 2의위험장소등급에따라조명및전기전자기기의보호등급과방폭구조가달라진다. 또다른예로서, 안전항해를위해선박의자기위치를타선박에알려주는기능을하는항해등은 6해리 (9.6 km) 의광달거리를확보해야하며, 국제항로의등대는 46 km의원거리를 [19] /index.html. [20] J. B. Lee, Photo-therapy using LED (Current Status in Medical Application), the 8th Conference of LED ㆍ Solid State Lighting Society, Korea Polytechnic University, 13~14th Aug. (2013); [21] Y. M. Yu, Journal of LEDs and Solid State Lighting 5(1), 1 (2013). 30 물리학과첨단기술 DECEMBER 2014

8 광신호로전송해야하는등해양에서는 2 50 km의원광달거리광전송기술을필요로한다. 컨테이너하역부두는높이 30 m의고공조명탑이설치되어반경 100 m의면적을높은균제도로조명한다. 이러한조명제품들은원광달거리도달을위한프레넬렌즈설계등고급광학설계및제조기술, 고광도조명광원설계기술을추가로요구한다. 크루즈선박에는객실, 식당, 공연장, 복도, 스포츠등 13 종류이상의조명공간이존재하며, 각각의공간에따라차별화된조명연출과그에따른종합적인조명기구가필요하다. 2013년세계인구는 71억명에기아인구 8.7억명이며, 2050년경인구가 100억명으로증가하면서 20억명이상의기아인구가발생될것으로전망되어세계식량위기가높아지고있다. 육상농업에서의식량증산은한계에도달하여해양에서의식량확보가불가피해지고있으나어업에의한생산량증대는기대할수없는상황이다. 따라서어업에서친환경양식기술로전환하여양식을통한고단백식품확보기술개발이시급하다. 현재일본에서는 LED의색온도제어로사계절의자연환경을실내에재현하여어류의호르몬을조절하고성성숙촉진, 산란, 부화, 생육촉진등의번식과증식기술을개발하고있으며, 자 치어의바이러스오염을빛으로감소시켜생존률향상과건강한어류양식기술을개발하고있다. 또한조개, 해조류, 사람에게피해를주는불가사리, 성게, 해파리등의유해 해적생물을 LED파장을이용하여유인제거하는기술, 유용성분을다량함유한식품 / 의약품 사료 첨가제 바이오오일용미세조류와해조류의대량생산조명기술개발노력이계속되고있다. 의료분야에서와마찬가지로경제성있는 UV LED가상용화되는경우수산과학분야에서도일대혁신을가져올것으로예견되고있다. 21세기중반에는 all solid state lighting city가실현되게될것으로예견된다. LED- 해양융합기술에서도시조명분야는중장기적으로해양환경에부합하면서고품격도시로서의좋은빛환경을조성하는기술을추구한다. 우리나라는 2013년부터빛공해방지법이발효되었기때문에빛의과다사용과오용을억제하기위해서울, 부산, 광주시에서빛공해영향평가가진행중이다. 한편으로는주거, 상업, 도로주변에서의조명을쾌적하게만들면서주변환경과어울리는랜드마크, 해안경관, 건축조명, 거리경관등의좋은빛환경을조성하기위한야간경관기본계획이각도시별로실행되고있다. 빛의오용과과다사용을방지하여나쁜빛환경을제거하고, 좋은빛환경을꾸준히조성하는노력을통하여고품격빛의도시가실현될것이며, 이를뒷받침하는기술로서해양환경부합고신뢰성, 고성능의 LED-ICT 융합조명기구와시스템의개발, 실증시험과품 질보증 ( 보급 ) 기술, 보급표준과표준측정등의기술이요구되고있다. 맺는글아카사키교수등의 2014년노벨물리학상수상을기념하여백색 LED와 LED 일반조명, LED 융합조명의기술현황과향후전망을고찰하였다. 20세기가전자, 컴퓨터의개발로지식기반사회를창조하였다면, 21세기는전자의기반위에 LED 를비롯한빛의산업이과학기술혁신을주도하는빛의세기가될것으로전망되고있다. 사람은 87% 의정보를시각을통해얻고있고, 생물학적으로태양빛에영향을받으며진화해왔기때문에빛은인간의판단과정서, 건강등에막대한영향을미치고있다. 따라서앞으로도 LED는빛을발생시키고응용하는산업을통해인류의과학기술과경제성장에주도적인기여를하게될것으로생각된다. 기존조명은백색광이대부분이므로청색 LED와황색형광체를이용하여청색과황색의보색관계를이용한백색 LED 가먼저상용화되게되었다. 그후태양빛과유사한광의재현을위하여적색과녹색형광체의사용량과조성비에따라색온도또한조절하는기술이대두되어차가운청백색을온백색으로바꾸고, 연색지수를 97까지높이는백색 LED 조명이구현되었다. 현재의 LED조명기술은눈부심방지, 후배광형성등빛공해를방지하는조명기구기술과 LED-ICT 융합을통한스마트시스템조명기술을향해나아가고있으며, all solid state lighting city 실현을위한기초를다져나가고있다. 한편으로는기존의조명으로는실현할수없었던새로운영역으로서농생명, 해양조선, 해양수산, 환경, 의료, 군사과학, 정보가전, 가시광통신등에서의 LED융합이이질적인학문분야의기술과융합하면서다음시대를여는새로운과학기술로대두되고있다. LED융합을위해서는고성능, 장수명을가진 UV LED, 청녹색을포함한가시광파장의 LED, IR LED 등의다양한광원의개발이요구된다. 또한 LED융합기술창출을위해서는타분야기술의적극적인흡수 융합, 신기술재창조를위한혁신적인사고, 새로운발상에의한융합기술탐구가적극적으로권장되어야할것이라생각된다. 후기이논문은 2014년도정부 ( 산업통상자원부 ) 의재원으로산업원천기술개발사업 ( 프로젝트번호 ) 의지원을받아수행된연구임. 물리학과첨단기술 DECEMBER

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