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1 LED (Light Emitting Diode) 기술동향분석보고서 한국과학기술정보연구원

2 < 제목차례 > Ⅰ 서론 1 Ⅱ LED 기술동향분석 2 1. LED 개요 2 가. LED의특징 3 나. LED 제조공정 6 2. 연구개발동향 8 가. 기판 8 나. 에피성장 (Epitaxy) 10 (1) LED 기본성장구조 10 (2) InAlGaN 4성분계에피층의성장 11 (3) InN 에피층의성장 13 (4) 양자점 (Quantum dot) 구조성장 13 (5) 수평에피성장 14 (6) Patterned sapphire를이용한에피성장 17 나. 칩제조공정 (Fabrication) 18 (1) 전극의배치 19 (2) 투명전극 19 (3) 플립 (flip chip) 칩공정 21 (4) 추출효율개선공정 22 다. 패키징 (Packaging) 25 Ⅲ 특허정보분석 분석의범위및방법 전체특허동향 31 가. 전체특허출원동향 31 나. 기술별특허출원현황 32 다. 출원인별특허출원동향 국내특허동향 해외특허동향 39 가. 일본의특허동향 39 - ii -

3 나. 미국의특허동향 비교분석 45 가. 한국의정성적기술분석 46 나. 일본의정성적기술분석 50 다. 미국의정성적기술분석 53 Ⅳ 시장동향분석 고휘도 LED 시장 제품별시장동향 58 가. 휴대가전제품 (Mobile appliance) 58 나. 신호등 59 다. 전광판 60 라. 자동차 61 마. 중대형 LCD 백라이트 향후시장전망 64 Ⅴ 결론 65 참고문헌 66 - iii -

4 < 표차례 > < 표 2-1> LED 개발역사와응용분야의전개 4 < 표 2-2> LED 제품의기술적, 경제 / 사회적측면의특징 5 < 표 2-3> 여러가지질화물계 LED용기판의특성비교 9 < 표 2-4> ZnO 투명전극과 ITO 투명전극, Ni-Au계전극의특성비교 20 < 표 3-1> 특허 / 실용검색범위및검색식 30 < 표 3-2> 한국특허목록 49 < 표 3-3> 일본특허목록 51 < 표 3-4> 미국특허목록 54 < 그림차례 > < 그림 2-1> LED 기본회로구성과에너지띠이론으로설명되는발광원리 2 < 그림 2-2> 일반조명등과비교한 LED 광속효율변천사 3 < 그림 2-3> LED 제품사슬 6 < 그림 2-4> Ammonothermal 방법에의한 GaN 결정성장 8 < 그림 2-5> LED 에피기본구조 10 < 그림 2-6> AlGaN/GaN MQW에서 piezoelectric field에의한파동함수분리모형 12 < 그림 2-7> Si(111) 위에성장된 GaN/AlN 양자점의상온 PL 14 < 그림 2-8> ELO의원리를보여주는 schematic diagram 15 < 그림 2-9> Pendeo Epitaxy의원리를보여주는 schematic diagram 16 < 그림 2-10> CE 기판위에성장된 GaN 층의 SEM 단면 17 < 그림 2-11> PSS 위에성장된 GaN 층의 TEM 단면 17 < 그림 2-12> 질화물계 LED 칩제작공정 18 < 그림 2-13> 제작된질화물계 LED 칩구조 18 < 그림 2-14> 각사에서제작되고있는질화물계 LED 의전극배치도 19 < 그림 2-15> 투명전극의투과스펙트럼비교 20 < 그림 2-16> LED 플립칩구조 21 < 그림 2-17> 칩내부에서광자의전반사현상 22 < 그림 2-18> 추출효율향상을위한여러가지칩의 shape 23 - iv -

5 < 그림 2-19> 대면적칩의전극디자인 23 < 그림 2-20> 두꺼운 window 층에의한추출효율개선 24 < 그림 2-22> 여러가지형태의 LED 패키지 25 < 그림 2-23> LED와백열전구의방출에너지분포 26 < 그림 2-24> 온도상승에의한 LED 특성의변화 27 < 그림 2-25> Luxeon 구조단면도 (Lumileds) 27 < 그림 2-26> 형광체의도포방법과이에따른색균일도의분포비교 28 < 그림 3-1> 국가별연도별출원동향 31 < 그림 3-2> 전체국가통합대상 ; IPC별특허출원현황 32 < 그림 3-3> 기술분류별특허출원현황 33 < 그림 3-4> 전체국가통합대상 ; 주요출원인별특허출원동향 34 < 그림 3-5> 한국의연도별출원동향및출원대비등록률비교 35 < 그림 3-6> 국내 IPC별특허점유율 36 < 그림 3-7> 국내출원인국적별특허점유율 37 < 그림 3-8> 한국의주요출원인의특허출원동향 38 < 그림 3-9> 일본의연도별출원동향 39 < 그림 3-10> 일본 IPC별특허점유율 40 < 그림 3-11> 일본의주요출원인의특허출원동향 41 < 그림 3-12> 미국의연도별출원동향 42 < 그림 3-13> 미국 IPC별특허점유율 43 < 그림 3-14> 미국의출원인국적별특허출원동향 44 < 그림 3-15> 미국의주요출원인의특허출원동향 45 < 그림 4-1> 반도체부품의산업성장률 56 < 그림 4-2> 응용제품별고휘도 LED 시장분포 (2004) 57 < 그림 4-3> 재료별 LED 시장점유율 58 < 그림 4-4> 각국의카메라플래쉬폰시장침투율 (2003) 59 < 그림 4-5> 전광판용 LED 세계시장 60 < 그림 4-6> 자동차용 LED 61 < 그림 4-7> 2004년디트로이트모터쇼에출품된 LED 헤드라이트 62 < 그림 4-8> 자동차용 LED 세계시장 62 < 그림 4-9> LCD 백라이트유닛용 LED 시장전망 63 < 그림 4-10> 고휘도 LED 세계시장전망 64 - v -

6 Ⅰ 서론 LED (Light Emitting Diode) 는처음개발된이후 40여년이흘렀지만지금처럼많은사람들의관심을끌기시작한건그리오래된일이아니다 년대초 InGaAlP를이용한고휘도적색 LED 개발과질화물계 (nitride) 청색 LED의출현이오늘의 LED 붐을조성하는결정적인역할을하였다고볼수있으며연이어개발된녹색, 백색, UV LED에의해 LED는이제인간의생활속에깊이자리잡기시작하였다. 특히에너지절감및친환경적인측면에서이상적인광원이라는사실은응용시장의팽창을가속화시키고있으며일반가정이나사무실에서사용되는조명영역에까지침범할수있는 21세기차세대조명용광원으로평가받고있다. 이러한급속한응용분야의확대와시장의팽창은각기업으로하여금 LED 제조설비투자및확대를촉진하게하고있으나기술선진기업들에의한특허소송및기술동맹에의한쇄국정책, 그리고중국, 대만의저가공세등은우리나라 LED 기업들이극복해야할장벽들이다. 아직도 LED 기술은가야할길이멀고 LCD BLU, 자동차, 조명등큰잠재시장을앞에두고있는시점에서기술후발국인우리나라는전략적인차원에서기술개발을모색해야할때이다

7 Ⅱ LED 기술동향분석 1. LED 개요 LED (Light Emitting Diode) 는전기에너지를빛에너지로변환시켜주는발광반도체소자로서 < 그림 2-1> 과같이정공을소수캐리어로갖는 p형반도체와전자를소수캐리어로갖는 n형반도체의이종접합구조를가진다. 소수캐리어는인가된전압에의해서로반대방향으로이동하는과정에서활성층 (QW) 에서만나재결합을하며갖고있던여기에너지를광자의형태로방출하는데이때방출되는광자의파장은활성층이갖는고유의에너지갭에의해결정되어진다. < 그림 2-1> LED 기본회로구성과에너지띠이론으로설명되는발광원리 일반적으로는직접에너지대를갖는화합물반도체에서발광현상을관찰할수있는데최초로반도체에서발광현상이관찰된것은 1923년간접에너지대를갖는 SiC 재료에서였다. 그러나간접에너지대를갖는 SiC는효율이매우낮아겨우발광현상만을관찰할수있을정도였으며실용적인최초의 LED 는 1962년 GE에서개발된 GaAsP를사용한적색 LED 이고 Monsanto 사에의해 1969년부터본격적으로양산이시작되었다. 1980년대에는 AlGaAs 재료를이용한고휘도적색 LED가개발되면서표시기수준에머물렀던 LED 응용범위가 sign, signal, display 분야로확장되기시작하였고 1992년 InGaAlP 재료를이용한초고휘도적색 LED가개발되면서응용영역이넓어지기시작 - 2 -

8 하였다. 질화물계반도체는 1986년아가사키교수가저온 AlN 버퍼를이용한 GaN MIS 구조에서발광현상을발표하였으며 1993년일본니치아화학공업주식회사의슈지나카무라에의해저온 GaN 버퍼를이용한청색 LED 가비로소개발되었다. 이후녹색, 백색, UV LED 가연이어개발되면서총천연색구현에따른새로운전기를마련한다. 2000년을전후로 RGB 및백색 LED의효율과출력이빠른속도로증가하면서 (< 그림 2-2>) 휴대용단말기 LCD 백라이트, 자동차, 전광판, 특수조명분야등응용범위가급속히팽창하기시작하였는데미국의 Lumileds사에서대면적칩을이용한 5W급 120 lumen/pkg을방출하는고출력백색 LED가개발되면서 21세기반도체조명시대를예견하기에이른다. < 그림 2-2> 일반조명등과비교한 LED 광속효율변천사 가. LED 의특징 LED 제품의특징은반도체가갖는고유의물성특성에기인하는데 LED 가 갖는기술적, 경제 / 사회적측면의특징을 < 표 2-2> 에요약하였다

9 < 표 2-1> LED 개발역사와응용분야의전개 LED 태동기 (1962 ~ 1989) 고휘도 LED 팽창기 (1990 ~ 2002) 고휘도 LED 성숙기 (2002 ~ ) 기계장치표시기, 회로점등, 숫자및문자디스플레이 1962 GaAsP 적색 LED 개발 (GE) 1969 GaAsP LED 상용제품출시 (Monsanto) 1980 ~ AlGaAs/GaAs 고휘도 LED 출시 (Fairchild) 1986 AlN 버퍼를이용한질화물계 MIS 구조발광 ( 아가사키 ) 교통신호등, 전광판, 자동차내외장램프, 소형 LCD 백라이트, 간접조명 1992 InGaAlP 계적색 LED (HP) 1993 Nitride 계청색 LED 발표 ( 니치아 ) 1995 Nitride 계녹색 LED 발표 ( 니치아 ) 1996 Blue + YAG:Ce 백색 LED 발표 ( 니치아 ) lm/w 급 TIP 적색 LED 발표 (Agilent) 중대형 LCD 백라이트, 자동차헤드램프, 일반조명 2002 고출력백색 LED 발표 120 lm/pkg (Lumileds) 2002 외부양자효율 43% N-UV LED 발표 (21 세기빛프로젝트 ) 2004 외부양자효율 47% SiC 기반 GaN 청색 LED 발표 (Cree) lm/w 급백색 LED 발표 (Cree, Lumileds, Nichia) 우선기술적인측면에서보면반도체는전기전도성이그다지좋지않고발광층이흡수층의역할을동시에하기때문에칩크기에제약을받는다. 현재상용화된 LED 칩의경우보통 0.3~1 mm 정도의크기만을갖는데이처럼칩사이즈가작고지향성광원이기때문에부품및모듈의슬림화가가능하여디자인의유연성이매우높다. 이런장점은자동차, 건축, 인테리어등디자인을중요시하는산업에서빠른속도로기존의전구형광원을대치 - 4 -

10 해가고있는실정이다. 전기신호에대한응답성도매우뛰어나수십나노 (~10-8) 초단위의고속응답속도를가지므로 on-off 스위칭이기존램프에비해훨씬빠르다. 이러한특성은전광판의스피디한동영상을가능하게하거나 LCD 백라이트로채택할경우 blurring현상을없애주는장점으로작용한다. 또한공진층을주어스펙트럼선폭을좁게함으로서초단거리통신용광원으로사용되기도한다. LED는뜨겁지않은냉광원이므로오염물질및유해가스열분해에의한일산화탄소발생이전혀없고무수은광원이므로폐기물처리가간편한환경친화적광원이다. < 표 2-2> LED 제품의기술적, 경제 / 사회적측면의특징 기술적측면 제품의소형화, 슬림화가능칩사이즈 0.3~1 mm 고속응답 ~ 10-8 초 on-off 스위칭 ( 백열등 = 0.15 초 ) 장수명 5 만 ~100 만시간 (@30% degradation) 고효율 Up to 55% 외부양자효율 변조가능 Up to 500 Mbps (w/ GI nm) 온도에따른광특성변화 ( 주로적색 LED) 저전력소자백열등대비 15% 소비전력 Cold light : No Infrared radiation 경제 / 사회적측면 한국이강점을갖는전방위산업에응용 ( 자동차, 휴대용가전제품, LCD 모니터..) 친환경산업 ( 무수은, 무폐기유리 ) 좋은색순도에의해깔끔한거리미관조성 고성장산업 (GAGR 47%) 높은초기구매가격 $200/klm ( 형광등 $2/klm) 표준화규격이전무하여제품의규격이매우다양함 산업의팽창에따른잦은특허분쟁 각국의주요국가전략사업 LED의가장큰장점은무엇보다도고효율에의한저전력소자라는점이며이로인해발생되는전기에너지절감, 장수명등의특징은기존일반조명등과매우차별되는장점이기도하다. 그러나반도체의특성상온도변화와전기충격에매우민감하여제품이설치되는환경에따라온도보상회로와내정전회로를추가해야하는등구동회로가다소복잡하다는특징도있다. 이러한 - 5 -

11 여러가지장점들로인해각국에서는국가정책적으로대응하고있는상황이며국가간, 기업간의기술보안이매우심하고특허분쟁이종종일어나고있는실정이다. 그리고표준화된규격이보편적으로보급되지않아기술선진업체의제품이표준화를선도하고있으나일본, 미국을비롯하여우리나라에서도조직적으로표준화를선점하기위한활동이매우활발하게진행되고있다. 우리나라는자동차, 휴대단말기, LCD 등 LED 가많이활용되는전방위산업에매우강하기때문에충분한내수시장이확보되어있다고볼수있으며이는국내 LED 기업에있어서큰매력이기때문에국내시장을선점당하지않기위해서는해외업체에뒤지지않는기술력을시급히보유해야할필요가있다. 나. LED 제조공정 < 그림 2-3> 에나타낸 LED 제품사슬에서각각의단계는매우다른성격의기술을필요로하며일반적으로에피, 칩, 패키징, 모듈 / 시스템업종으로분류할수있다. 그러나최근가격경쟁력을확보하고기술적노하우를보호하는차원에서전후단계의제품영역까지확장하는경향을보여주고있는실정이다. < 그림 2-3> LED 제품사슬 - 6 -

12 현재상용 LED 제작에사용되는기판에는질화물계 LED ( 청색, 녹색, UV) 용으로 sapphire 와 SiC가있으며 InGaAlP 또는 AlGaAs ( 적색, IR) 계 LED용으로 GaAs 기판이있는데국내에서는거의전량수입중이다. 질화물계 LED 용으로이상적인 GaN 호모기판은결정성장법으로성장하기어려우며현재는기상증착법으로성장한후분리하는방식 (lift-off) 으로제작되기때문에생산성이떨어지고가격이매우고가이기때문에 LED 용으로사용하지는않는다. 에피성장 (epitaxy 또는 epitaxial growth) 은기판위에 LED 구조 (p-n 접합구조 ) 를갖는박막을성장하는방법이며구조의결함, 계면, 도핑등박막품질을제어하는단계로서 LED 성능을근본적으로좌우하는중요한단계이다. 에피성장법으로는대부분 MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) 방법을사용하는데이방식은개스상태의원료를고온에서화학반응시켜박막을성장하는방법으로서 monolayer 수준으로이종계면을제어할수있는매우정교한기술이다. 에피성장이끝난에피웨이퍼는노광 (photolithography), 식각 (etching), 금속전극증착 (metallization), 후면가공 (lapping/polishing), 칩절단 (scribing/breaking) 등의공정을통해 0.3 ~ 1mm 크기의개별칩으로분리할수있다. 칩공정기술은내부에서생성된광자를최대한많이칩밖으로추출하는것이핵심기술이며오믹전극기술, 칩 shaping, 기판본딩기술, 광자결정기술, 투명전극기술등이다양하게적용되고있다. 칩공정기술은특허회피를위한아이디어가필수적이기때문에디자인기술이라고해도과언이아니다. 분리된칩은개별패키징공정을거친후구동회로및광학기구와조립되어모듈및시스템으로제작된다. 패키징단계는칩을외부로부터기계적, 환경적, 전기적위험요소로부터보호하는역할을하며광의제어및활용도개선을위해광학설계가가미된다. 패키징에서가장주목받는기술은방열기술로서패키징재료또는형광체의내열성뿐만아니라전문설계에의한배치기술이필수적이다

13 2. 연구개발동향 가. 기판 GaAs 기반 LED와달리질화물계 LED에서문제가되는것중하나는적절한기판의부재이다. 현재질화물계 LED용으로가장많이사용되는사파이어와 SiC 기판의경우에피층과의격자상수차와열팽창계수차이로인하여생성되는에피결함을제거하는것이가장큰기술적이슈였다. 현재까지도내부양자효율이최고 50% 대에머물러있기때문에 LED 기술적 breakthrough를위해서는저가형호모기판이불가피한것으로보이며기존의 HVPE(hidride vapor phase epitaxy) 법에의한 free-standing 기판은가격이나생산성측면에서한계가있어보인다. 이러한문제를해결하기위해일본의동북대학 (Tohoku University) 의 Fukuda 교수실험실에서는 < 그림 2-4> 와같은 ammonothermal 방법에의한결정성장법이시도되고있는데아직은결정사이즈가작고성장시간이길다. < 그림 2-4> Ammonothermal 방법에의한 GaN 결정성장 1) 기판에관련한또다른움직임은기존의사파이어및 SiC 기반 LED 가갖 1) Inset 은성장된 ingot 형태 - 8 -

14 고있는특허에의한기술적봉쇄를타개하기위해서대체기판을모색하거나가격경쟁력이뛰어난저가형기판을이용한 LED 개발이다. < 표 2-3> 은현재사용되고있거나개발중인 LED 기판의특성을보여주고있는데특히 Si 기판은저가형대형기판이라는것과우수한물성특성외에 Si 만이가지는집적회로기술과결합될경우또다른시장을창출할수있는유망한기판으로평가되나에피층과의너무큰열팽창계수를극복하지못하고있는실정이다. 최근 GaN/Si 기술은일본의나고야대학과 Sanken Electric에서좋은결과를보여주고있으며시제품으로제작된램프형청색 LED의경우 3mW 이상의출력을보여주어가능성이매우높아진상태이다. < 표 2-3> 여러가지질화물계 LED 용기판의특성비교 기판 격자부정합 (%) 열팽창계수차 (%) 특성 전기전도성열전도성가격크기 wet etching Sapphire x x 2~4 x SiC Si GaN - - x 2 x ZnO β-ga 2 O 3 Monoclinic 한편, 부도체인사파이어기판대신유사구조의 ZnO, β-ga 2 O 3,γ-LiGaO 2 등이시도되고있는데이들기판들은사파이어에비해격자상수차가적거나도전성기판이라는장점을갖고있으며특허회피기술이라는매력도갖고있다. 그러나아직은연구초기단계로서상용화된기판마저없는실정이다. (ZnO 는 1인치기판이상용화되었다 ) - 9 -

15 나. 에피성장 (Epitaxy) (1) LED 기본성장구조 1장에서설명한것처럼 LED는기본적으로 p-n 접합구조를가지며접합면에발광층으로작용하는양자우물 (QW) 층이삽입된이종구조를가진다. GaAs 기판을이용한 InGaAlP계 LED는격자정합구조이므로결함의생성이문제시되지않지만 sapphire 기판과질화물계에피층의격자부정합도는매우커서 (16%) 근본적으로결함없는에피층의성장이불가능하여내부양자효율이매우낮은편이다. 그리고 sapphire 기판은부도체이기때문에에피층에서 p, n 전극을모두해결해야하며 p층의저항이매우높기때문에결과적으로질화물계 LED는 GaAs 기반 LED 와는조금다른에피설계가필요하다. < 그림 2-5> LED 에피기본구조 2) (a) 사파이어기반질화물계 LED (b)gaas 기반 InGaAlP 계 LED < 그림 2-5> 에 LED 일반적인에피구조를나타내었다. 질화물계 LED 에서 전위 (dislocation) 같은결함의생성을최소화하고결함의전파를억제하기위 2) TS: Transparent substrate, AS: Absorbent substrate. TS substrate 를사용하는경우성장에사용된기판은제거되고 wafer bonding 법으로 carrier 기판이부착된다

16 해기본적으로적용하는기술은저온버퍼층성장기술로서, 500 부근의저온에서 AlxGa1-xN(0 x 1) 핵생성층 (nucleation layer) 을얇게 (20-30 nm) 형성한후온도를올려스스로합체화시키는방법을보편적으로적용하고있다. 버퍼층위에순차적으로 n-층, 활성층, p-층의구조를성장시킨다. 활성층으로는효율을높이기위해일반적으로다중양자우물구조 (muliple quantum well, MQW) 를삽입하는데우물층과장벽층의조성및두께를제어하여원하는파장을얻는다. 도핑원료로는 n-형의경우 Si이가장많이사용되며 p-형의경우 InGaAlP 계재료에서는 Zn 또는 Te, 질화물계에서는 Mg이사용되는데 Mg의활성화가충분치않아 p층저항이높은문제가있다. 이는성장분위기중의수소가억셉터도핑물질인 Mg과결합하여 Mg-H 복합체를형성하며전기적으로 compensation된결정이성장되기때문인데 Mg-H 결합을끊어주기위해아카사키교수에의해 LEEBI(low-energy electron beam irradiation) 방법이처음시도됐었고후에나카무라박사에의해시도된고온열처리방법으로도큰효과를보게된다. 그러나이마저도 p 저항을낮추기위해서는충분치않아보통 10 nm 미만의얇은금속박막을올리거나 300 nm 내외의비금속산화물을증착하여전류확산을원활하게위한투명전극을활용한다. AlGaN 계열의재료는기판과의큰격자부정합도이외에열팽창계수의상이함으로인해높은 Al 조성및두꺼운박막층을성장할경우 crack이발생할수있으므로임계두께의제어가필요하고부득이하게초격자구조를중간층으로넣어스트레스를억제하는기술을사용하기도한다. 기존의 sapphire 기판표면에마이크로단위의패턴을형성한 patterned sapphire 기판을적용한결과추출효율면에서좋은결과를보여주고있다. (2) InAlGaN 4 성분계에피층의성장 조명용백색 LED 펌핑광원으로최근 UV LED에 RGB 형광체를조합한광원이유망한것으로평가되고있는데 UV 영역의활성층으로사용되는 AlGaN/GaN 계열의재료는큰격자부정합으로인한응력때문에활성층내부에강한 piezoelectric field가발생하고, < 그림 2-6> 과같이전자-홀파동함

17 수가분리되어발광효율이저하된다는문제가발생한다. < 그림 2-6> AlGaN/GaN MQW 에서 piezoelectric field 에의한파동함수 분리모형 특히이러한내부전기장은활성층에사용되는 Al 조성및다중양자우물구조에서의우물층개수의제한을유발하여, 최종적인발광소자의출력을제한한다. 이러한문제점을극복하기위해 4성분계 InAlGaN 박막을활성층에사용하는연구가진행되고있는데 4성분계재료는격자상수와밴드갭에너지의크기를독립적으로변화시킬수있기때문에이종구조형성시원하는발광파장을변형률에무관하게조절할수있다는장점을갖는다. 또한, InGaN 박막에서의 In segregation에의한 carrier localization effect를 InAlGaN 박막에서도역시얻을수있게되어, 하부질화물층의높은전위밀도에도불구하고 InAlGaN 박막에서의발광효율증대효과를기대할수있다. InAlGaN 재료는성장온도가낮은 InGaN와높은 AlGaN층의화합물이므로 InAlGaN 성장에있어 In 인입을증가시키는동시에막의결정성을높이기위한적절한성장온도선택이매우중요하다. 현재까지 AlGaN 층으로의 In 유입기구에대한연구는미흡한상태이며, 10% 이상의높은 In 조성을갖는 InAlGaN 박막을얻기가힘든실정이다. 박막의결정성을높이기위해 PMOCVD(Pulsed Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 PALE(Pused Atomic Layer Epitaxy) 법을이용하여기존의 MOCVD법보다

18 200~300 낮은성장온도에서양질의 InAlGaN 박막을얻을수는있으나연 속적으로모든층을성장하기위해서는여전히 MOCVD 법을이용한최적 성장조건을찾는것이필요하다. (3) InN 에피층의성장 최근의연구결과 InN의에너지밴드갭이지금까지보고된값인 1.9 ev (650 nm) 와는달리 0.7 ev (1,771 nm) 의매우작은값을갖는다는것이밝혀진바있다.[5] 이는 InxGa1-xN(0 x 1) 의에너지갭이적외선영역에서자외선영역을모두포함한다는것을의미하며양질의 InN 성장이가능할경우질화물반도체만으로모든파장에서발광하는 LED 제작이가능하다는것을뜻한다. 그러나 GaN에서 In 의인입이많아질수록또는 InN에서 Ga의인입이많을수록상분리현상이심하며이를해결하기위해성장온도를높이게되면 In dissociation 현상이커지게되어양질의막을얻기가매우어려운실정이다. (4) 양자점 (Quantum dot) 구조성장 GaN/AlN 양자점의경우이들의격자상수차이는 3% 정도로서그동안 III-V 화합물반도체의양자점연구에서의격자상수차이와유사하기때문에많은그룹에서연구되어왔다. 반면 InGaN 양자점의경우양자점에의한효과라기보다는 InGaN 구조자체가상분리및 In 조성불균일성으로인해생기는 carrier localization 때문에발광효율이증가한다는견해가우세하다. 균일한양자점구조의성장이가능할경우양자점의크기를조절하여발광파장의제어가가능하기때문에 RGB에서모두발광하는양자점을다중구조로성장할수있는데실제로이를이용하여백색광을냈다는보고도있다

19 < 그림 2-7> Si(111) 위에성장된 GaN/AlN 양자점의상온 PL 3) (5) 수평에피성장 Epitaxial lateral overgrowth (ELO) 기술은 1980년대초기이후에 integrated circuits (IC) 제조를위한 Si의 ELO 기술에서부터시작되었다. 1980년대후반부터 opto-electric integrated circuits (OEIC) 제조를위해 LPE, MOCVD, MBE 등을이용한 GaAs, GaP, InP 등의 ELO 기술이발달하게되었고, 1990년대중반이후에단파장 LED, LD 및고출력, 고주파전기소자제조를위해 MOCVD, HVPE 등을이용한 GaN의 ELO 기술이개발되었다. 질화물반도체에는 1997년 North Carolina State University의 R. Davis group에서 GaN/SiC의결정성향상을위해처음적용되었다. 이기술에선 GaN 박막이 sapphire, Si, SiC등의이종물질기판위에서마스크및기판의패턴에따라서선택적으로수직, 수평성장하고, 수평성장영역에서 threading dislocation (TD) 은 bending 되거나 mask에의해차단됨으로써표면으로의침투가억제되는효과를가져온다. 3) (a), (b), (c) 는각각 7, 10, 12 monolayer 로성장된단일층. (d) 는 3 개의양자점이적층된다중양자점에서의발광. 색좌표상에서백색은각각 (a), (b), (c) 그리고흑색은 (d) 를나타낸다

20 < 그림 2-8> ELO의원리를보여주는 schematic diagram Dislocations SiO 2 SiO 2 SiO 2 GaN Substrate 이런특성을이용하여, SiO 2 를 PECVD로증착한후 mask를 patterning하고그위에 GaN을성장하면 window 영역 (open 영역 ) 으로부터성장되는 GaN 는 SiO 2 mask 쪽으로수평성장하고 SiO 2 mask 상의 GaN는전위를거의포함하지않는고품위의결정성을가질수있다. Wing 영역에서의 TD density 는대략 ~106 cm -2 의값을가지는데이는 window 부분에비해 10,000배정도감소한수치이다. Pendeo-epitaxy (PE), cantilever epitaxy (CE), lateral epitaxy on patterned sapphire (LEPS) 등의기술도모두수평성장을통하여 TD 표면침투를억제시키는기술로 ELO 기술에서변형된것들이다. Pendeo epitaxy는 maskless ELO라고도불리우며, 2001년 R. F. Davis 그룹에서처음연구결과를보고하였다. GaN을 sapphire 기판위에성장한후, 기판까지건식식각하여기판을 patterning하고그위에다시 GaN을성장하면, 노출된기판위에는성장이되지않고 GaN 위의성장이우세하게된다. 성장변수를조절하여측면성장속도를수직성장속도의 2배이상까지증가시킬수있으며, SiO 2 등의 mask를사용하지않는특징이있다

21 < 그림 2-9> Pendeo Epitaxy 의원리를보여주는 schematic diagram D islo c a tio n S u b s t r a t e S u b s t r a t e S u b s t r a t e University of California at Santa Barbara의 Steve Den Baars 그룹에서는 2001년 ELO 기술에서부터응용되어개발된 cantilever epitaxy (CE) 기술을이용하여 SiC 기판과 Si 기판위에 GaN 박막을선택적으로수직, 수평성장하는기술을발표하였다. CE 기술이 ELO 기술과다른점은패턴공정전에 GaN seed 층을성장하지않는다는것인데이기술에서는 SiC 기판이나 Si 기판을 stripe 패턴으로수 μm까지에칭한다음기판 stripe의 top plane에서수직성장된 GaN를기판의 trench 위로수평성장시키는방법이다. 기판 stripe의 top plane에서 GaN 박막이성장될때 trench에서도 GaN이성장되는데기판 trench에서성장된 GaN는 stripe의높이까지도달하기전에 stripe 의 top plane에서성장된 GaN의수평성장에의해덮이게된다. AFM image에서나타나는 dark pit density를계산한결과 stripe의 trench 영역에서 CE GaN/SiC의경우 cm -2 을보고하였고, CE GaN/Si(111) 의경우 cm-2였으나 wing 영역에서는두경우모두 dark pit이관찰되지않았다. 4) 4) 전위밀도는약 105~106 cm -2 정도로추정

22 < 그림 2-10> CE 기판위에성장된 GaN 층의 SEM 단면 (a) 6H-SiC, (b) Si(111) (6) Patterned sapphire 를이용한에피성장 질화물계 LED 성장용으로사용되는 sapphire 기판표면에일정한형태의패턴을제작한후그위에 GaN을에피성장하면편평한기판위에성장되는 GaN 구조에비해 TD 감소와소자의출력향상의효과를볼수있다. Mukai 등이발표한보고에따르면 patterned sapphire substrate(pss) 위에성장한 LED의출력이편평한기판위에성장한 LED보다 29% 출력향상을가져온다는보고가있는데이는 TD의감소보다는기판표면의불규칙성에의한방출광의산란으로추출효율이향상되는것으로보고있다. PSS에의한효율개선은패턴의모양과밀접한관계가있어서다양한패턴의 PSS 성장법이시도되고있다. < 그림 2-11> PSS 위에성장된 GaN 층의 TEM 단면

23 나. 칩제조공정 (Fabrication) LED 칩을제작하기위해서는노광공정 (photolithography), 식각 (etching) 공정, 금속전극증착 (metallization) 공정, passivation, lapping/polishing 등의단위공정을거치는데 < 그림 2-12> 는부도체인 sapphire 기판위에성장된질화물계 LED의칩제적공정을나타내고 < 그림 2-13> 은이렇게제작된칩의구조를나타낸다. < 그림 2-12> 질화물계 LED 칩제작공정 < 그림 2-13> 제작된질화물계 LED 칩구조 Light transmitting p-electrode Ni/Au, Pt p-pad electrode Ni/Au p-gan MQW-InGaN n-electrode Ti/Al n-gan Sapphire substrate

24 (1) 전극의배치 GaAs를사용하는 InGaAlP 계 LED 의경우는기판이전도성이므로전극은 top-bottom의형태로제작되지만 sapphire 기판을사용하는경우, n-gan을일부식각하여 top-top 형태로전극을배치한다. 일반적으로이러한형태의전극을배치하기위해서는칩표면의대각선방향으로 p, n 전극을배치시키는것이가장좋은효율을보여주는데이방식은니치아에의해특허등록되어있는방식으로서이를회피하기위해각사에서제작되는칩의전극형태는 < 그림 2-14> 와같이다양하게제작되고있다. < 그림 2-14> 각사에서제작되고있는질화물계 LED 의전극배치도 (a) 니치아사 (b) 도요다고세 (c)epi Sta (d)uec (e)formosa (2) 투명전극 p-gan 층은저항이높고전류가층안에서충분히확산되지않는다는점에서소자전면적에균일하게전류를흘러보내기위해서는전류확산층을투명하게하고면적을 p-gan층과같은정도로넓히는것이필요하다. 이를위해현재일반적으로사용되고있는 Au/Ni계투명전극은높은전도도를가지고두께를얇게함으로써투과성을어느정도보장하고 p형질화물반도체에오믹접합을할수있어수년간 LED 전극으로사용되어왔다. 그러나이러한방법은열처리과정등을거치면서 Au/Ni 투명전극에 Ni 산하물이형성되어전기전도도가저하되는결과로인해투명전극에서의전류의확산이저하되어 LED의발광효율이한계를가지며, 특히대면적 LED에적용시전류확산에있어매우심각한문제점을가지고있다. 또한 Au/Ni 투명전극은가시및근자외영역에서약 70% 미만의투과도를가질뿐이다. 이러한

25 문제를해결하기위해대만의 Epistar에서 LCD 및 PDP 등의투명배선에사용되는 ITO (Indium Tin oxide) 를 LED 투명적극에적용한 LED를개발하였다. ITO 투명전극산화물은 Au/Ni 투명전극에비해투과도가높아추출효율이 30% 향상이된다고보고되고있다. 그러나 ITO의경우구성원소인 In ( 인듐 ) 의매장량이적은데다고가이고신뢰성에문제가있다고보고되고있다. 한편최근주목을받고있는 ZnO 투명전극은 ITO와마찬가지로가시및근자외영역에서 90% 이상의투과성을가지며저항률도낮기때문에 LED의투명전극으로응용할수있는데 ZnO의원료인 Zn( 아연 ) 은 In에비해매장량이매우많고저렴하다는장점을가진다. < 표 2-4> ZnO 투명전극과 ITO 투명전극, Ni-Au 계전극의특성비교 전극재료 ZnO ITO Ni-Au 계 투과율 (%) 저항률 (Ωcm) kg당원료가격 ( 엔 ) 직경 5인치의소결체가격 ( 엔 ) 전극형성후의열처리 Zn : 110 순도 99.99% 의 Zn : 3 만 In : 6 만 5000 순도 99.99% 의 In : 15 만 Ni : 1730 Au : 138 만 만 17 만 - 불필요요요 < 그림 2-15> 투명전극의투과스펙트럼비교

26 (3) 플립 (flip chip) 칩공정 LED 칩내부의활성층에서발생하는빛의탈출경로를살펴보면, 사방으로랜덤하게진행하는광자들은활성층자체에서흡수되기도하고칩의표면이나전극패드에막혀서일부또는전부가칩내부로되돌아나가기도한다. 이러한손실들을모두합산해보면 80% 이상의광자가탈출하지못하고내부에서소멸되어열로전환되는것을알수있다. 이를개선하기위해 < 그림 2-16> 과같은플립칩 (flip-chip) 방식의발광소자가개발되었다. 플립칩방식을이용한발광소자는칩을뒤집어서기판인 sapphire를통해빛이방출되게설계된칩이다. 플립칩방식에서는 sapphire 쪽으로빛을나오게함으로써전극패드에서의손실을없앨수있으며 p층에반사막을증착하여아래로진행되는광자의경로를위쪽으로바꿈으로서추출효율의향상시키고전류확산을개선시켜낮은순방향전압을제공한다. 또한, 고출력발광소자의경우주입전류가커질때많은열이발생하게되는데열발생지역인활성층으로부터 heat sink 거리가가까우므로방열이용이하고좋은방열재료를이용하여열저항을크게감소시킬수있기때문에대면적칩과같은고출력소자에서는대부분플립칩방식을채용하고있다. < 그림 2-16> LED 플립칩구조 Sapphire GaN LED str. n p N-electrode Reflective p-electrode Solder Bump Si with Zener diode

27 (4) 추출효율개선공정 칩내부에서발생한광자는밖으로빠져나오는동안결함에잡혀열에너지로변환되기도하고전반사 (internal total reflection) 에의해내부에서무한 travelling 하다가소멸되는손실이크기때문에공정을통하여이를최소화할필요가있다. 전반사현상은칩의구조학상 < 그림 2-17> 과같은직육면체칩내부의굴절율과외부환경의굴절율차이가있을때칩과외부매질사이의경계면에서반사가생기는데특정한반사각이상에서는 100% 반사되는현상이다. 이러한현상은상당히심각하여일반 LED 의광추출효율을계산해보면불과 10% 정도로계산된다. < 그림 2-17> 칩내부에서광자의전반사현상 표면에서의전반사를줄이는방법들이 < 그림 2-18> 과같이다양하게시도되고있다. 표면에도달한광자가랜덤하게 scattering 되도록표면패턴을형성하는방법 (fixture), 칩의모양을절두형역피라미드형으로제작하는방법 (TIP, truncated inverted pyramid 또는 ATON과그의플립칩 NOTA), 들이있으며최근에는특정파장의광자만선택적으로투과또는반사시키도록 LED 표면에광자결정 (photonic crystal) 을패터닝하는방법이시도되고있는데기판을떼어내고열전도율이좋은금속기판으로재부착하는방법 (ThinGaN) 이추출효율 72% 로현재는가장좋은추출효율을보여주고있다

28 < 그림 2-18> 추출효율향상을위한여러가지칩의 shape Texture TIP ATON NOTA ThinGaN Photonic Crystal 자료출처 : Lumileds Lighting, Osram Opto-semiconductor web page 대면적칩은보통 1 x 1 mm 이상의칩을말하는데칩의크기가증가하면전극간의거리가멀어지면서 p-층정공의확산이어려워지는현상이생기므로전극배치를 < 그림 2-19> 처럼다양하게배열하여 (finger cell 또는 multi parallel cell 등 ) 전극간거리를줄임과동시에전극에의해가려지는부위를최소화하는디자인이필요하다. < 그림 2-19> 대면적칩의전극디자인 Top-top Top-top Top-bottom InGaAlP 계적색 LED처럼전극이위아래 (top-bottom) 로배열되는칩에서는 window층의두께를두껍게증착함으로써추출효율을개선할수있다. < 그림 2-20> (b) 처럼두꺼운 window층을성장시켜주면전극에의해가려지는활성층부위가줄어들뿐만아니라측면으로방사되는광자의탈출확률을높여줌으로써결과적으로추출효율을개선할수있다. 계산에의하면표준형사이즈의칩 (0.3 mm내외 ) 의경우약 50 마이크론의두께정도면최대효과를볼수있는데이정도의두께를에피성장하기위해서는별도의빠른에피방법이필요하므로보통재성장을통해서적층해야하는번거로움이있다. 한편, 대면적칩의경우는 window 층두께에의한변화는그리크지않아 2 마이크론이내의두께로도충분히효과를볼수있다

29 < 그림 2-20> 두꺼운 window 층에의한추출효율개선 (a) 얇은 window 층을갖는칩 (b) 두꺼운 window 층을갖는칩 내부양자효율과광추출효율을곱한외부양자효율 ( 전류주입효율은무시 ) 값은 LED 성능을평가하는가장좋은수단이며현재선진 LED 사에서발표한값을살펴보면 < 그림 2-21> 과같다. 질화물계 LED의경우를보면근자외선영역에서가장좋은효율을보여주고있는데이는 In localization에의한효율상승보다 In 증가에따른상분리현상이우세하여 In 이많은청색 LED의효율이근자외선 LED 보다낮다고설명되어진다. 한편 InGaAlP 계 LED 의경우는적색에서황색으로파장이짧아질수록 Al 함유량이많아지면서효율이감소하는것으로해석된다

30 < 그림 2-21> LED 외부양자효율수준 다. 패키징 (Packaging) 패키징과정은광학적설계와방열설계가가미되어제품에맞게칩을포장하는마무리단계로서칩의성능을한단계업그레이드시켜줄수있는매우중요한과정이다. 응용제품이다양하고표준규격이없기때문에다양한종류의패키지형태가있는데대표적으로램프형, SMD(surface mount device), COB (chip on board), BLU(backlight unit) 형의패키징종류를들수있으며고출력을요하는제품을위해서특별한디자인의패키징이각사마다개발되고있다. < 그림 2-22> 여러가지형태의 LED 패키지

31 패키지기술의방향은응용제품에따라초박형화 (side view BLU), 소형화 (top view BLU), 고출력화 ( 중대형 BLU, 자동차, 조명 ) 로진행되고있는데특히고출력패키지의중요성이심화되고있다. 고출력패키징에서중요하게고려되어야할사항은방열설계로서칩에서발생되는열이누적되지않도록패키징재료의선택과배치가적절히이루어져야할필요가있다. 그림 2-23 은 LED와백열전구에서발생되는에너지분포를나타내는그림으로서백열전구의경우대부분의에너지가 IR로방출되는데비해 LED는대부분열로발생되는것을알수있다. 이것은작은사이즈의 LED 칩을통해흐르는전류에의한주울열로서단위면적당전류의크기가매우크기때문에발생하는현상으로서필연적인현상이며고온에약한반도체의특성상원활한방열설계가이루어져야만제성능을유지할수있다. < 그림 2-23> LED 와백열전구의방출에너지분포 반도체는 < 그림 2-24> 에서처럼고온에서몇가지특성변화를볼수있다. 우선온도가상승하면밴드갭이작아지기때문에방출파장이길어짐을관찰할수있다. 이러한현상은열에너지에의한캐리어의산란손실과활성층에서의 overflow 현상때문이며질화물반도체보다는 InGaAlP 계 LED에서심각하여 junction온도가 80도만되어도출력이 50% 정도감소되는결과를가져온다

32 < 그림 2-24> 온도상승에의한 LED 특성의변화 칩의온도상승은칩의수명과패키징재료의내구성에영향을미치기때문에반듯이억제되어야할사안으로서 sub mount의열전도성, 에폭시레진의내열성, 내자외성등을고려한다각적인패키징설계가필요하다. Lumileds 사에서발표한 Luxeon series 는이러한조건을잘만족시켜주는대표적인제품으로서열저항 8 /W를가지며 5W의인가전력에서도구동이가능하도록설계되어있다. < 그림 2-25> Luxeon 구조단면도 (Lumileds)

33 패키징재료에서중요한재료중하나는형광체로서형광체는칩에서발생되는광에너지여기에의해자체발광을하는데형광체의흡수강도가패키징제품의출력을결정하는중요한요인이라고한다면형광체도포방법은방출광의색균일도를결정하는중요한과정이다. 도포방식에있어서기존의전통적인방법인 slurry 주입법에서 conformal coating 법이도입되고있으며이방식에의해제작된백색 LED 의색온도분포가훨씬균일한것으로측정됨을알수있다. < 그림 2-26> 형광체의도포방법과이에따른색균일도의분포비교

34 Ⅲ 특허정보분석 본장에서는고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 에대한전반적인특허동향을통해전체적인특허맵핑 (Patent Mapping) 을행하여기술발전동향을알아보는동시에최근에이슈화되고있고개발중에있는기술에관련된특허를집중적으로분석정리해국내관련업체가기술발전동향과새로운기술에관한정보를제공하고경쟁력있는향후기술개발방향을세울수있도록한다. 또한경쟁사의국내 외특허를조사분석하여이의기술흐름의추이와최근의기술동향분석을통한기술의우위현황및기술의주요분포도등국가및기술분야별등으로세분화및체계화하여다각적으로분석함으로써도식화된그래프를이용하여특허의동향을분석하고, 이를통해경쟁사의연구개발동향을파악하고대응기술 경영전략을올바르게수립할수있도록한다. 1. 분석의범위및방법 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의특허정보분석을위하여 ( 주 ) 윕스에서제공하는특허정보데이터베이스 (www2.wips.co.kr) 를활용하였으며, 특허검색의분석대상국가는한국, 미국, 일본, 유럽으로하고, 이의검색범위는 1985년부터 2005년사이에출원된특허를대상으로하였다. 이들의주요 IPC는 H01L( 반도체장치 ), H01S( 유도방출을이용한장치 ), G09F( 표시 ; 광고 ; 사인 ; 라벨또는명찰 ; 시일 ) 및 G02F( 광의강도, 색, 위상, 편광또는방향의제어를위한장치또는배치 ) 와같다. 단, 2003년이후의특허는특허출원이조기공개신청을하지않는한통상적으로출원을한후 18개월이경과한때에일반에게공개되기때문에, 미공개된 2003년과 2004년의출원특허는분석대상에반영되지못함을밝혀둔다. 이러한방법으로조사된고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 관련특허정보의총검색건은 4,251건으로이들특허들을대상으로아래 < 표 3-1> 와같은검색식을사용하여본특허분석을실시하였다

35 < 표 3-1> 특허 / 실용검색범위및검색식 한국일본미국 EP 기간구분 공개특허 공개실용 등록특허 등록실용 특허 / 실용공개 특허 / 실용등록 일본특허영문초록 (PAJ) 공개특허 등록특허 EP-A( 공개 ) EP-B( 등록 ) PCT 검색식 한글 영문 (( 발광다이오드 * ^ 발광다이오드 ^ 엘이디 * (( 발광 * emit* 에미 * 에밋 *) near2 ( 다이오드 * diode*)) LED*) and ( 자외선 * 단파 * 적외선 * 적색 * 노랑색 * 녹색 * ultraviolet* red* yellow* green*) not ( 백색 * 흰색 * white* 화이트 * 자외선 * 단파 * 적외선 * 적색 * 노랑색 * 녹색 * ultraviolet* red* yellow* green*) ((emit* and diode*) LED) and (GaAs* GaAsP* AlGaAs* GaP* InGaP* InAlGaP* blue* GaN* AlGaN* AlGaInN* AllnGaN* white* violet* UV* ultraviolet* (short and wavelength*) (full and coland fluorescent and phosphor))

36 2. 전체특허동향 가. 전체특허출원동향 < 그림 3-1> 국가별연도별출원동향 일본, 2763, 65.00% 한국, 381, 8.96% 미국, 861, 20.25% 유럽, 246, 5.79% 한국일본미국유럽계 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의국가별연도별특허출원동향을보면 < 그림 3-1> 과같다. 연도는출원연도를기준으로하였고최근 2003 년은아직공개되지않은건이있어실제데이터수는현재집계된특허수보다많을수있다. 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 는위차트에서보는바와같이일본에서가장많은출원수 (2,763건) 을보이며, 65% 의점유율을나타내고있다. 출원이시작된 1985년부터현재까지약간의증감은있으나지속적인증가세를보이고있어주도적인위치에있다고할수있겠다. 다음으로전체출원의 20.25% 를점유하고있는미국에의출원동향을살펴보면, 1985년에출원이시작되어 1990년대초반까지는그명맥을유지하는수준이다가 1990년대후반에들어서면서점차증가하는추세에있음을알수있다. 1985년부터출원이시작되었으나 1990년대까지는이렇다할움직임이없다가 2000년대에들어서면서부터폭발적인증가세를보이고있는한국

37 은최근디스플레이분야등에서두각을드러내고있어그발전이기대되며, 이를이룩하기위해서는세계시장선도를위해기술개발에힘쓰는한편원천특허를보유한기업들과의라이센싱및기술제휴에도노력을경주해야할것이다. 전술한바와같이 2003년에급격히줄어든이유는특허출원은조기공개신청을하지않는한통상적으로출원을한후 18개월이경과한때에일반에게공개되기때문으로, 본특허분석을이해하는데있어서 2003년도이후조사된특허출원분은당해년도의전체적인정보를반영하지못하므로특허분석에있어크게유의성을가지지못한다. 나. 기술별특허출원현황 < 그림 3-2> 전체국가통합대상 ; IPC 별특허출원현황 전체국가통합대상 ; 주요 IPC 현황 F21S, 127, 2.99% H01J, 153, 3.60% G02F, 206, 4.85% C09K, 74, 1.74% G09F, 248, 5.83% H01S, 328, 7.72% F21V, 71, 1.67% H04N, 55, 1.29% G02B, 54, 1.27% 기타, 439, 10.33% H01L, 2496, 58.72% 전체국가통합대상 ; 세부 IPC 현황 F21V-008/00 H01L-031/12 H01J-001/62 G02F-001/1335 G02F-001/13357 H01L-021/00 G09F-009/33 H01L-027/15 H01S-003/18 H01L-033/

38 < 그림 3-2> 의전체국가통합대상 IPC별점유율을살펴보면반도체장치와관련된 H01L IPC의출원건수가 2,496건으로전체 IPC 중 59% 로절반이상의큰부분을차지하고있으며, 그뒤를이어유도방출을이용한장치와관련한 H01S가 7.7%, 표시 ; 광고 ; 사인 ; 라벨또는명찰 ; 시일에관계된 G09F가 5.8%, 광의강도, 색, 위상, 편광또는방향의제어를위한장치또는배치G02F가 4.9% 를차지하고있다. 이중세부 IPC별출원건수를알아보면 LED 분야와필연적인광과관련된 H01L-033/00이 1,783건으로독보적으로가장많았고그다음으로의세부 IPC들의비중은극히낮은것으로나타나전체특허출원성향이 H01L의 IPC에집중되어있음을알수있다. < 그림 3-3> 기술분류별특허출원현황 61 백색, 970, 22.82% 유럽 한국 그외, 3281, 77.18% 미국 일본 백색 그외 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의기술분류별특허출원동향을개략적으로살펴보면, < 그림 3-3> 과같다. 백색 LED의특허출원비율이전체의 22.8% 로개발은늦게시작되었으나, 비중있는연구가진행되고있음을알수있다

39 다. 출원인별특허출원동향 < 그림 3-4> 전체국가통합대상 ; 주요출원인별특허출원동향 FUJITSU SUMITOMO SONY LUMILEDS HITACHI SANYO NICHIA CHEM IND NEC HITACHI CABLE TOSHIBA SHARP MATSUSHITA TOYODA GOSEI ~88 89~92 93~96 97~00 01~04 < 그림 3-4> 는전체국가통합대상으로본고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원인별특허출원동향으로, 개인출원을제외한기업을기준으로하였다. TOYODA GOSEI가 189건으로가장많고, MATSUSHITA 가 183건, SHARP가 166건, TOSHIBA가 162건으로그뒤를잇고있다. 이를살펴보면, 주요출원인중의대부분이일본의기업인것을알수있다. 백색 LED를연구개발하여 LED 업계에서중요원천특허를보유하고있는 NICHIA CHEM IND가 109건, LUMILEDS가 65건을차지하고있는것으로나타났고, 한국의경우에는기업보다개인출원인의경우가 90건정도의다수로집계되었으며, 그래프에는포함하지않았다

40 3. 국내특허동향 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원동향을국가별로분석해보면전체 4,251건중에한국이 381건으로약 9% 를차지한다. 이처럼한국의특허출원이전체고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원동향과어떠한연관성이있는지알아보고한국의출원동향을통해국내특허의흐름과앞으로의발전방향에대해알아보고자한다. < 그림 3-5> 한국의연도별출원동향및출원대비등록률비교 건수 누적 등록 42.78% 출원 57.22% 출원 등록 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의한국의연도별특허출원동향을보면 < 그림 3-5> 와같다. 위차트에서보는바와같이 1980년대중반부터출원이시작되었으며, 1990년대초반까지는그명맥만을유지하다가 1990년대후반에들어서면서부터본격적인출원활동이시작된것으로보인다. 이

41 후 2000년대에서부터는출원이폭발적으로증가하여특허출원의대부분이 2000년대에집중되어있음을알수있다. 이는최근고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의연구개발이활발하게이루어지고있음을나타내며, 2003년도데이터는미공개건이있음을감안할때향후데이터가증가될것은자명한일이다. 등록률을살펴보면, 1980년대중반까지는등록이나타나지않고있다가 1988년에첫등록특허가출현한이래 1990년대말에서 2000년대에나타나는출원건수의증가와더불어등록율이꾸준히상승하여전체등록율은약 57% 에이르렀다. < 그림 3-6> 국내 IPC 별특허점유율 국내주요 IPC 현황 국내상세 IPC 현황 C09K, 26, 6.82% F21S, 31, 8.14% G02F, 53, 13.91% 기타, 14, 3.67% G09F, 76, 19.95% H01L, 181, 47.51% G09F-013/22 5 C09K-011/78 6 C09K-011/80 7 G02F-001/ G09F-009/33 12 G09F-013/20 12 G09F-009/00 14 F21S-002/00 18 G02F-001/ H01L-033/ < 그림 3-6> 의한국의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 관련특허의 IPC별점유율을살펴보면반도체장치에관한 H01L이 181건 (48%) 으로매우높은비율을차지하고있으며, 그중에서도광, 예. 적외선광방출에적합한적어도하나의전위장벽또는표면장벽이있는반도체장치 ; 그들장치또는그들부품의제조또는처리에특유한방법또는장비 ; 그들의세부와관련된 H01L-033/00 IPC의출원건수가전체 IPC 중 43.6% 를차지하고있다. 그다음으로는표시 ; 광고 ; 사인 ; 라벨또는명찰 ; 시일에관련한 G09F가 76건으로 20% 에달하며, 광의강도, 색, 위상, 편광또는방향의제어를위한장치또는배치와관련된 G02F도 14% 를차지하고있는것으로나타났지만, 전체적으로 H01L IPC에집중되어있는것을알수있다

42 위에서보는바와같이한국은광, 예. 적외선광방출에적합한적어도하나의전위장벽또는표면장벽이있는반도체장치 ; 그들장치또는그들부품의제조또는처리에특유한방법또는장비 ; 그들의세부에관련된반도체장치의연구개발에주력하고있음을알수있다. < 그림 3-7> 국내출원인국적별특허점유율 KR, 278, 72.97% JP, 33, 8.66% CN, 1, 0.26% US, 30, 7.87% DE, 16, 4.20% TW, 11, 2.89% NL, 8, 2.10% GB, 3, 0.79% FR, 1, 0.26% 한국 외국 한국의주요출원인의국적별출원동향에서는한국에출원된특허중자국국적의출원인이 73% 로가장많았으며, 전반적으로해외출원인에의한특허출원이적은편이지만, 일본의국적을가진출원인에의한특허가 8.7%(33 건 ), 미국의국적을가진출원인에의한특허가 7.9%(30건 ) 로그중가장많았다. 그밖에다른국적을가진출원인으로는독일이 16건, 대만이 11건, 네덜란드 8건, 영국 3건, 프랑스와중국이각 1건등으로모두 5% 에도미치지못하는것으로나타났다

43 < 그림 3-8> 한국의주요출원인의특허출원동향 럭스피아 LG 전자광주과학기술원지멘스악티엔게젤샤프트코닌클리즈케필립스 LUMILEDS LG. PHILIPS LCD 삼성전자서울반도체개인 < 그림 3-8> 은한국의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원인별특허출원동향으로개인출원인이 89건으로가장많고그뒤를이어서울반도체가 32건, 삼성전자가 13건, LG. PHILIPS LCD가 13건, LUMILEDS 가 10건으로개인의출원이두드러졌으며, 상위 2위부터 10위권기업의출원을모두합한것보다개인출원인이많은것으로보아해당분야의연구는개인및연구소에서주도적으로연구개발하고있는것으로판단된다. 이처럼 한국의 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 분야의연구개발에있 어개인이주도적인것으로보아상업성, 시장성에중점을두는응용기술분 야보다는학문적영향이큰기반기술에서활발한연구가이루어지고있는 것으로보인다

44 4. 해외특허동향 가. 일본의특허동향 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원동향을국가별로분석해보면전체 4,251건중에일본이 2,220건으로 65% 를차지한다. 따라서전체출원중가장많은점유율을차지하는일본의특허출원이전체고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원동향과어떠한연관성이있는지알아보고일본의출원동향을통해전반적인특허의흐름을알아보고자한다. < 그림 3-9> 일본의연도별출원동향 합계 누적 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의일본의연도별특허출원동향을보면 < 그림 3-9> 과같다. 위차트에서보는바와같이 1980년대초반부터높은출원율을보이며, 이는 2000년대까지지속적으로출원이이루어지고있다. 이는일본은일찍이고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 에대한연구를시작하였고, 이에따라특허출원역시꾸준한지속추세를보여세계시장을선점하고있는것으로판단된다. 전체국가통합대상으로본연도별출원동향과일본의연도별출원동향을비교하여보면, 일본의특허출원비

45 율이높기때문에일본의특허출원동향에따라전체적인특허출원동향이변하는것을볼수있다. 다시말하면, 일본이고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의연구개발에선진기술및원천특허를확보하고있을것으로보인다. < 그림 3-10> 일본 IPC 별특허점유율 G09F, 160, 6.71% H01L, 1629, 68.36% 일본의주요 IPC 현황 F21S, 80, 3.36% G02F, 119, 4.99% H01S, 150, 6.29% F21V, 66, 2.77% H01J, 49, 2.06% H04N, 48, 2.01% G02B, 42, 1.76% B41J, 40, 1.68% 일본의상세 IPC 현황 G02F-001/ G02F-001/ G02F-001/ F21S-002/00 30 G09F-009/00 31 H01L-031/12 39 H01L-021/ F21V-008/00 50 G09F-009/33 52 H01S-003/18 91 H01L-033/ < 그림 3-10> 의일본의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 관련특허의 IPC별점유율을살펴보면반도체장치와관련된 H01L이 68.4% 로매우높은비율을차지하고있으며, 그중에서도광, 예. 적외선광방출에적합한적어도하나의전위장벽또는표면장벽이있는반도체장치 ; 그들장치또는그들부품의제조또는처리에특유한방법또는장비 ; 그들의세부와관련된 H01L-033/00 IPC의출원건수가전체 IPC 중 45.3% 를차지하고있다. 또한, 레이저 (lasers), 즉유도방출을이용한적외선, 가시광또는자외선의발생, 증폭변조, 복조또는주파수변환을위한장치와관련한 H01S-003/18이 2 위를차지하고있지만 91건으로, 가장많은 H01L-033/00 IPC와의격차가많은것으로나타나고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의연구개발이한분야에집중되어있음을알수있다

46 < 그림 3-11> 일본의주요출원인의특허출원동향 FUJITSU HITACHI SANYO ELECTRIC NICHIA CHEM IND NEC HITACHI CABLE TOSHIBA SHARP MATSUSHITA ELECTRIC IND TOYODA GOSEI ~88 89~92 93~96 97~00 01~04 < 그림 3-11> 은일본의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원인별특허출원동향으로 TOYODA GOSEI가 162건으로가장많고, Matsushita Electric이 159건, SHARP가 136건, TOSHIBA와 HITACHI CABLE이각 128건으로그뒤를잇고있다. 또한, 백색 LED를개발하여고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 주요출원인으로부상한 NICHIA CHEM IND는 93건을출원하여상위출원인에는속하지않지만비중있는출원활동을펼친것으로나타났다. 상위출원인을보면대부분기업에서주도적으로연구개발이이루어지고있으며, 특히대기업의출원활동이활발함을알수있다. 나. 미국의특허동향 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원동향을국가별로분석해 보면전체 4,251 건중에미국이 861 건으로 20.3% 를차지한다. 미국의출원 동향을통해전반적인특허의흐름을알아보고, 한국과비교하여어떤특징

47 이있으며전체고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원동향과 는어떠한연관성이있는지알아보고자한다. < 그림 3-12> 미국의연도별출원동향 건수 누적 고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의미국의연도별특허출원동향을보면 < 그림 3-12> 와같다. 위차트에서보는바와같이미국은 1980년대중반부터출원이시작되어이후꾸준한증가세를보여, 1990년대중반이후부터본격적으로고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의다양한기술분야에서의출원이활성화되었음을알수있다. 미국은일본이나한국과달리 2000년이후에공개제도가도입되어미국의대부분의건들이등록건임을감안할때타국가에비해핵심기술보유확률이높을수있으나, 대부분의건들이일본의 Family 건일가능성을배제할수없다

48 < 그림 3-13> 미국 IPC 별특허점유율 미국의주요 IPC 현황 미국의상세 IPC 현황 G02F, 27, 3.24% H01J, 94, 11.27% H01S, 145, 17.39% H01L, 517, 61.99% F21S, 12, 1.44% B01D, 9, 1.08% G09F, 9, 1.08% G02B, 9, 1.08% C09K, 7, 0.84% H04N, 5, 0.60% G02F-001/1335 H01S-003/091 H01S-003/10 H01L-029/06 H01L-021/20 H01S-005/00 H01S-003/19 H01J-001/62 H01L-021/00 H01L-027/15 H01L-033/ < 그림 3-13> 의미국의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 관련특허의 IPC별점유율을살펴보면미국은반도체장치와관련된 H01L이 62% 로매우높은비율을차지하고있으며, 그중에서도광, 예. 적외선광방출에적합한적어도하나의전위장벽또는표면장벽이있는반도체장치 ; 그들장치또는그들부품의제조또는처리에특유한방법또는장비 ; 그들의세부와관련된 H01L-033/00 IPC의출원건수가전체 IPC 중 27.2% 를차지하고있다. 또한, 적어도하나의단위장벽또는표면장벽을가지고광방출에사용되는반도체구성부품을포함하는것과관련한 H01L-027/15가 60건, 반도체장치고체장치혹은그들부품에대한제조또는처리에적합한방법이나장비에관한 H01L-021/00이 60건을차지하고있어 H01L이대부분을차지하고있는것으로나타났다

49 < 그림 3-14> 미국의출원인국적별특허출원동향 GB ~88 89~92 93~96 97~00 01~04 NL 5 KR DE TW JP US < 그림 3-14> 는미국의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원인국적별특허출원동향으로, 미국이 355건, 일본이 258건이며대만이 107건으로일본과대만의 family 특허가상당부분을차지하고있음이드러났다. 이는해외에서미국시장을주요시장으로파악하고있기때문이라고사료된다

50 < 그림 3-15> 미국의주요출원인의특허출원동향 GB ~88 89~92 93~96 97~00 01~04 NL 5 KR DE TW JP US < 그림 3-15> 는미국의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의출원인별특허출원동향으로 GNENRAL ELECTRIC이 33건으로가장많고, TOSHIBA가 28건, LUMILEDS LIGHTING US와 SHARP가각각 24 건으로그뒤를잇고있다. 위의출원인국적에서보았다시피일본과미국기업이대부분이며, 미국도일본과마찬가지로상위출원인을보면대부분기업에서주도적으로연구개발이이루어지고있는것으로판단된다. 5. 비교분석 이상에서한국, 미국, 일본및유럽 (EP) 을중심으로한고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의특허동향을분석하였다. 국가별특허비중은일본 > 한국 = 미국 > 유럽의순이며, 국내특허는약 24% 정도의점유율을보이고있다. 또한특허출원및등록추이를살펴보면, 일본은 1980년대에이미출원이상당히많이이루어져 1990년대초반에최고조에이른뒤감소하는경향을보이고있다. 이는이미일본은고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 에관련한특허가포화상태임을알수있다. 한국과미국의경우, 1980년대중반에특허출원이시작되어지속적으로증가하다가 1990년대중

51 반이후로기하급수적인증가세를보이는비슷한양상임을알수있으나, LG. Philips LCD, 삼성전자등의주요출원인이특허시장을이끌고있는한국에비해일본과한국등타국의 Family 특허가주를이루고있는미국과는기술력에있어서차이를있다고할수있다. 각국의주요출원인을살펴보면, 일본은 SEMICONDUCTOR ENERGY LABORATORY와 SEIKO EPSON, MATSUSHITA ELECT$RIC이있으며, 미국의경우자국기업뿐아니라세계적인각국의기업들이다수출원한것으로보아해외다수의기업들이미국시장을적극적으로보고해외시장진출을목적으로많은출원한것으로사료된다. 한국은 LG. Philips LCD 및삼성전자가국내뿐아니라해외출원도활발히이루어지고있지만여러국가가각축전을벌이고있는세계시장을선도하기위해서는기업및국내연구기관들의많은투자가요망된다고할것이다. 한국, 미국, 일본및유럽의기술분야별개발동향을비교해보면, 모두유사한세부기술분야에 R&D가이루어지고있음을알수있으나, 근본적으로원천기술의확보면에서는각국별로큰차이가있을것으로판단된다. 최근국내업체들의연구개발이늘고는있지만아직미미한수준이며, 급변하는세계시장을선도하기위하여신기술연구및개발에힘써야할것이다. 다음은고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 에관한각국별주요출원인의최근주요특허목록이다. 이를통해본기술분야에대한출원경향을살펴보고자한다. 가. 한국의정성적기술분석 한국의경우고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 에관한기술개발이 LG Philips LCD, 삼성전자, 삼성전기, 엘지전자등의대기업위주로출원이이루어지고있는데, 이중가장최근에출원된삼성전자의공개특허제 호는질화갈륨 (GaN) 반도체를이용한청 녹색및자외선을내는단파장발광다이오드 (light emitting diode: LED) 와레이저다이오드 (laser diode: LD) 제작의핵심기술중하나인양질의오믹접촉 (Ohmic Contact) 형성에관한것으로서, p형질화갈륨반도체상부층에 p형열전산

52 화물박막 (p-type thermoelectric oxide thin film; PTE) 을형성하는합금또는고용체 (alloys or solid solutions) 를증착한다음, 열처리공정을통해서 p 형질화갈륨과 p형열전산화물간의에너지밴드갭조절과표면부위에실효캐리어농도의증가를통해서질화갈륨과의계면에서의쇼트키장벽의높이및폭을각각감소시켜우수한전류-전압특성과낮은비접촉저항값을갖으면서동시에단파장영역에서높은투과도를지닌고품위오믹접촉시스템을제공하는것을특징으로하는것이다. 동사의공개특허제 호는본발명은질화갈륨 (GaN) 반도체를이용한청 녹색및자외선을내는단파장발광다이오드 (light emitting diode: LED) 와레이저다이오드 (laser diode: LD) 제작의핵심기술중하나인양질의오믹접촉 (Ohmic Contact) 형성에관한것이다.; 본발명은 p형질화갈륨반도체상부에니켈계고용체 (Ni-based Solid Solution) 를박막증착시킴으로써질화갈륨표면부위에실효캐리어농도를증가시켜우수한전류-전압특성과낮은비접촉저항값을갖으면서동시에단파장영역에서높은투과도 (transmittance) 를지닌고품위오믹접촉시스템을구현하였다. 이처럼삼성전자에서는주로고성능의질화갈륨계광소자구현을위한니켈계고용체를이용한오믹접촉형성을위한금속박막및그제조방법에관한특허를많이출원한것으로보인다. 삼성전기는공개특허제 호와같이형광체를이용하지않고백색광으로합성될수있는 2개또는 3개의파장대역의광을발산하는 2개의발광부를이용함으로써형광체에의한효율감소를방지하면서색감및광효율이우수한백색발광소자를제공할수있을뿐만아니라, 하나의도전성기판상에 2개의발광부를나란히형성하므로, 완성된여러개의 LED 소자를조립하는방식보다적은제조비용으로보다간소하게제조할수있는방법에관한특허를출원하였다. 또한, 동사에서출원한공개특허 에서는기판의상면에활성층을가지는반도체층을적층하여복수개의발광다이오드구조를형성하는제 1 단계와, 기판이상이한두께분포를가지도록기판의배면을식각하는제 2 단계와, 기판의배면에상이한두께분포로형광물질을형성하여형광층을형성하는제 3 단계및복수개의발광다이오드를각각분리하는제 4 단계를포함함으로써형광층의두께를조절하여

53 발광층에서생성되는광과이광이변화되어생성되는상이한파장대역의광의출사비율을조절하여균일한프로파일의백색광을발생시킬수있는방법을제시하고있다. 한편, 엘지전자에서는등록특허제 호의기판위에 GaAs계 Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체로이루어지고활성층을가진제 1 발광부와, 제 1 발광부의소정영역이노출되도록제 1 발광부위에 ZnSe계 Ⅱ-Ⅵ족화합물반도체로이루어지고활성층을가진제 2 발광부와, 기판과제 1 및제 2 발광부의소정영역에각각형성된전극으로구성되며, 기판위에 nm의파장영역을가지는 Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체와 nm의파장영역을가지는 Ⅱ- Ⅵ족화합물반도체를격자정합을이루어성장시킴으로써수명이길고백색및다양한가시광영역의파장대를실현하는발광다이오드를제작하는것을특징으로하는특허를출원하였다. 이처럼한국특허에서는주로형광체를이용하지않고백색광으로합성될수있는 2개혹은 3개의파장대역의광을발산하는 2개의발광부를이용함으로써형광체에의한효율감소를방지하면서색감및광효율이우수한백색발광소자를제공눈에띈다. 즉, 백색광의구현에있어서도여러광을합성하여백색광을구현하는기술을중심으로폭넓은개발이이루어지고있기때문에다색디스플레이및그응용분야의개발이활발히이루어질것으로보고있다

54 < 표 3-2> 한국특허목록 No 출원번호출원일출원인명칭 삼성전자광주과학기술원 고성능의질화갈륨계광소자구현을위한 p 형열전산화물을형성하는 2 원계및 3 원계합금또는고용체박막을이용한오믹접촉형성을위한박막전극및그제조방법 삼성전기백색발광소자및그제조방법 삼성전자광주과학기술원 고성능의질화갈륨계광소자구현을위한니켈계고용체를이용한오믹접촉형성을위한금속박막및그제조방법 광주과학기술원아연산화물반도체제조방법 엘지. 필립스엘시디 엘지. 필립스엘시디 액정표시장치의백라이트유닛 액정표시장치의백라이트유닛 삼성전기발광다이오드및그제조방법 개인 단파장산화아연발광소자및그제조방법 에피밸리주식회사 펌핑층이집적된다파장 AlGa InN계반도체LED 소자및그제조방법 개인백색발광다이오드의제조방법 엘지전자 백색발광다이오드소자및그제조방법

55 나. 일본의정성적기술분석 일본의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 관련건중에서도중요원천특허라고사료되는니치아화학의출원건들을중심으로살펴보기로하겠다. 가장최근에출원된공개특허제 호를살펴보면, 발광다이오드, 레이저다이오드등의발광소자또는태양전지, 광센서등의수광소자에사용되는질화물반도체에관한것으로, 지지기판상에질화물반도체를가지는질화물반도체기판이며, 상기질화물반도체층이지지기판표면의질화물반도체층상에설치되는, 단면이기둥모양의구조를가지는제 1 의질화물반도체층과, 그위를덮는제 2 의질화물반도체층을가짐에있어기둥모양의구조와상기기둥모양의구조로부터횡방향으로펴진우산모양의구조를구비함으로써질화물반도체로이루어지는기판의결정결함을감소시키고, 결정성이우수한질화물반도체기판의성장방법을제시하고있다. 또한, 동사의공개특허제 호에서는 Ca2Si5N7:Eu의기본구성원소에, B, Al, Cu, Mn, Mg 등을함유하는질화물형광체를포함함으로써약간붉은빛을띤난색계의백색의발광장치를제공하며, 청색 LED 등과조판합쳐서사용하는노랑으로부터적색영역에발광스펙트럼을가지는질화물형광체를제시하고있다. 공개특허제 호를살펴보면, 고휘도로장시간의사용에의해서도발광특성의열화가적은백색계의발광다이오드에관한것으로서, 발광층이질화물계화합물반도체인발광소자와, 발광된빛의일부를흡수하고, 흡수한빛의파장과다른파장을갖는빛을발광한포토루미네선스형광체를구비한발광장치에있어, 포토루미네선스형광체가 Y, Lu, Sc, La, Gd 및 Sm으로된군으로부터선택된적어도 1개의원소와, Al, Ga 및 In으로된군으로부터선택된적어도 1개의원소를포함하고된세륨으로부활된석류석계형광체를포함한것을특징으로한다. 공개특허제 호는기판과활성층사이에 n 전극이형성된층과 AlGaN로구성된층등복수의질화물반도체층을형성함으로써출력을향상시킨 LED,LD 등의질화물반도체발광소자에관한것이다. 이렇듯니치아화학에서는발광층이질화물화합물반도체인것에관한특허를주로출원하였음을알수있는데, 1990년대에출원된 In 및 Ga을함유한

56 질화물반도체로된활성층의양측또는그한편에 In 및 Ga을함유한질화물반도체로된클래드층을형성하는공개특허제 호와 p형불순물이도프된질화갈륨계화합물반도체표면에저항접촉용의전극으로서금속으로된투광성전극이형성된것을특징으로한질화갈륨계화합물반도체발광소자에관한제 호가대표적이다. 이외에도물리적인충격에강한측면발광반도체발광장치에관한 ROHM의공개특허제 호와, n형 GaAs 기판상에 n형 AlGaInP 하부클래드층, AlGaInP 활성층, p형 AlGaInP 상부클래드층, p형 AlGaInP 중간층, p형 AlGaInP 전류확산층을형성하여결정표면에서의결함을줄인 SHARP의공개특허제 호, 적외발광소자를제작하기위한에피택셜기판및발광소자를제시한 SHOWA DENKO KK의공개특허제 호, HITACHI CABLE의공개특허제 호및청색발광을보강한 3족질화물반도체발광소자에관한 TOYODA GOSEI의공개특허제 호등이있다. 이처럼일본에서는에피택셜기판에관한연구도활발하지만, 질화물화합물반도체들에대한연구가주로이루어지고있다고할수있겠다. < 표 3-3> 일본특허목록 No 출원번호출원일출원인명칭 NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND FUJI PHOTO FILM SHARP CORP ROHM NITRIDE SUBSTRATE SEMICONDUCTOR NITRIDE FLUOROPHOR AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME LASER DIODE PUMPED SOLID-STATE LASER SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT EDGE EMISSION SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

57 (< 표 3-3> 계속 ) No 출원번호출원일출원인명칭 SHOWA DENKO KK NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND NICHIA CHEM IND NISHIMA CHEM IND HITACHI CABLE TOYODA GOSEI TOYODA GOSEI NICHIA CHEM IND EPITAXIAL SUBSTRATE FOR SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT AND LIGHT EMITTING ELEMENT DISPLAY NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT NITRIDE ELEMENT SEMICONDUCTOR DISPLAY APPARATUS HAVING NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DIODES LIGHT EMITTING DIODE LIGHT-EMITTING DIODE LIGHT EMITTING DEVICE AND DISPLAY DEVICE NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE MANUFACTURE OF EPITAXIAL WAFER FOR LIGHT EMITTING DIODE GROUP III NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT III GROUP NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT GALLIUM NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT AND ELECTRODE FORMATION THEREOF

58 다. 미국의정성적기술분석 미국에출원등록된특허중 LUMILEDS LIGTING에서가장최근에출원된공개특허제 호는적어도적, 녹, 청의광원을각 1개씩을포함한컬러디스플레이용의백라이트를가진디바이스에있어서, 상기광원의적어도 1개는제 1 파장의빛을발하는발광다이오드와, 발광다이오드상에배치되는파장변환재료를포함하며, 상기파장변환재료는제 1 파장의빛을흡수하고제 2 파장의빛을방출하는것을특징으로하는파장변환발광디바이스를이용하는컬러 LCD의백라이트를제시하고있다. 또한, 동사의등록특허제 호도 LED에의해서방사된주된광을하나이상의파장의광으로변환하여특정색의광을생성하는하나이상의형광체박막을포함하는형광변환 LED 디바이스에관한것이다. 한편, 등록특허 호에서는금속과의옴접촉형성을위해 GaN계발광장치의 P- 형층을최적화하고있고, 등록특허 호에서는활성영역을포함하는반도체층을포함하는층의스택과, 상기스택의적어도일부주위에배치된실질적으로균일한두께를갖는형광물질을포함하는층을구비하는발광디바이스에관한것이다. 또, 에피택셜층을갖는 AlGaInN 베이스 LED에관한등록특허 호, 메사상에고반사유전피복이된반도체 LED 플립칩에관한등록특허 호및빛을집광하는렌즈로서도작용하는 LED 다이커버부재를구비함으로써캡슐밀봉재료의황변및감쇠를방지하는발광다이오드장치에관한등록특허 호, 등록특허 호등이있다. 미국은일본과대만등의타국기업의 Family 특허가상당부분을차지하고있어, Package 분야의대표적인기업인 LUMILEDS LIGTING을중심으로살펴보았다. 이처럼미국의고효율 고출력 LED(Light Emitting Diode) 에관한연구는제 1 파장의빛을흡수하고제 2 파장의빛을방출하는파장변환재료에관한연구및고반사유전피복이된반도체 LED 플립칩, LED 다이커버부재를구비한 PKG 분야의연구가활발한것으로보인다

59 < 표 3-4> 미국특허목록 No 출원번호출원일출원인명칭 Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Backlight for a color LCD using wavelength-converted light emitting devices Light emitting diode (LED) device that produces white light by performing phosphor conversion on all of the primary radiation emitted by the light emitting structure of the LED device Semiconductor LED flip-chip having low refractive index underfill Semiconductor LED flip-chip with high reflectivity dielectric coating on the mesa High stability optical encapsulation and packaging for light-emitting diodes in the green, blue, and near UV range Formation of ohmic contacts in III-nitride light emitting devices Stenciling phosphor layers on light emitting diodes Method of strain engineering and impurity control in III-V nitride semiconductor films and optoelectronic devices Aluminum indium gallium nitride-based LED having thick epitaxial layer for improved light extraction P-contact for GaN-based semiconductors utilizing a reverse-biased tunnel junction Light emitting diode device that emits white light Chirped multi-well active region LED Thin film phosphor-converted light emitting diode device Light emitting diode device comprising a luminescent substrate that performs phosphor conversion

60 (< 표 3-4> 계속 ) No 출원번호출원일출원인명칭 Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Lumileds Lighting Tri-color, white light LED lamps Non-incandescent lightbulb package using light emitting diodes AlGaInN-based LED having thick epitaxial layer for improved light extraction High stability optical encapsulation and packaging for light-emitting diodes in the green, blue, and near UV range

61 Ⅳ 시장동향분석 1. 고휘도 LED 시장 반도체부품시장에서고휘도 LED 산업이성장해온이력을살펴보면다른부품산업에비해놀라울정도의높은성장률을보이고있다. < 그림 4-1> 에서처럼고휘도 LED는지난 5년동안산업의규모가 4.5배커졌으며같은기간동안타반도체부품시장에비해두배이상의빠른속도로성장하고있는것을알수있다. 이는 2002년부터휴대폰에채택되기시작한키패드와 LCD 백라이트용 LED 광원이폭발적으로늘어나면서시장을선도한결과였으며전체 LED시장에서고휘도 LED 시장이범용 LED시장을추월하기시작한것도이때부터였다. < 그림 4-1> 반도체부품의산업성장률 5) 2004년고휘도 LED 시장을응용분야별로분석해보면총 37억불시장중여전히휴대가전제품에적용되는 LED 시장이전체시장의반이상을차지하는것을알수있으며전광판 (sign, display), 자동차가그뒤를잇고있다. 기업별시장점유율은니치아사가전체매출액의절반을점유하고있으며 5) 1999 년이후 5 년간의상대적성장률비교

62 도요다고세, 오스람, 루미레드, 크리순으로시장을점유하고있고대만과한 국의기업이그뒤를잇고있는데전체 LED 매출의약 70% 정도가아시아 에서발생하고있다. ( 중국은조사가불가능하여제외되었다 ) < 그림 4-2> 응용제품별고휘도 LED 시장분포 (2004) < 그림 4-3> 에나타낸재료별시장점유율을살펴보면질화물계 LED인청색 (B), 녹색 (G) 과백색 LED 가대부분을차지하고있는데전체 LED의절반을차지하고있는백색 LED는청색기반백색 LED 와 3 in 1 패키징된백색 LED 및 RGB 다색칩의비율이 3:2로서결과적으로질화물계 (InGaN) LED 와 InGaAlP 계열 LED의비율이 6:4 정도로조사되고있으며이는 7:3 비율을유지하던지난해에비해적색 LED 의수요가많이증가하고있음을알수있다. 한편최근, 인가전력 1W 급이상의고출력 LED 가시장에출시되기시작하였는데아직은전체 LED시장에서차지하는비율은미미하여전체시장에서약 6% 정도의점유율을보이고있는실정이다

63 < 그림 4-3> 재료별 LED 시장점유율 2. 제품별시장동향 고휘도 LED 가사용되는주요제품인휴대가전제품, 신호등, 전광판, 자동차 와최근새로운시장으로떠오르고있는중대형 LCD 백라이트에대한시장 동향을알아본다. 가. 휴대가전제품 (Mobile appliance) 휴대가전제품에사용되는 LED는대부분휴대폰키패드와 LCD 백라이트에사용되고있으며최근에는디지털카메라, 캠코더, PDA나차량용 navigator의 LCD 백라이트로채택이되기시작하였다. 지난 3년간휴대폰에사용되는 LED 시장이전체 LED 시장의절반을점유할정도로강세를보여왔으나최근 LED의가격하락으로인하여주춤한상태에서카메라플래쉬용 LED가장착된플래쉬폰의증가추세에힘입어여전히높은시장점유율을유지하고있다. < 그림 4-4> 에각국에서신규출하되는휴대폰중플래쉬폰의시장침투율을보여주고있는데일본과한국에서높은수준을보이고있으며향후 2년내에대부분의휴대폰에채택이될것으로보인다. 따라서휴대폰에채용되는 LED의시장점유율은당분간강세를유지하겠지만곧포화상태에

64 이를것으로보인다. 다만, 디자인이중요시되는추세에맞춰그동안청색 위주의키패드용 LED 가백색 LED 로대치될것으로보이며다양한색상의 ringer light 가채택될것으로보인다. < 그림 4-4> 각국의카메라플래쉬폰시장침투율 (2003) 나. 신호등 1992년미국필라델피아시에서적색 LED 신호등을시험적으로설치하여장시간평가한결과에너지절감, 긴수명으로인한유지보수비절감, 교통장애개선, 이산화탄소발생감소등의장점들이밝혀지면서 1990년대중반부터신호등구매권고기준안이제정되고본격적으로 LED 교통신호등교체가시작되었다. 신호등의가장큰장점은전구형신호등에비해서 85% 이상의전기료가절감되며수명이 10배이상길어서설치후 2-3년안에 3-4배정도비싼초기구입비용을상쇄하는것으로계산된다. 2002년기준으로세계적으로 2천5백만개로추산되는신호등의 LED 교체비율은약 5% (150만개) 정도인데미국이교체율에있어서가장앞서있어서약 120만개의 LED 신호등이설치되어있고연평균 4% 정도의비율로계속교체해나가고있다. 우리나라에서도 2002년 4월경찰청 LED 신호등구매지침이제정되었으며기

65 술표준원에의해 KS 규격이제정되고에너지기술연구원에의해인증시험이실시되는등본격적인 LED 신호등설치를위한제도적장치가준비되었다. 2002년월드컵개최도시와일산, 용인, 성남, 천안시등일부지자체에서시범사업으로설치되기시작했으며최근에는전국의모든거리에서신규또는교체신호등에서 LED 신호등이설치되는것을볼수있다. 우리나라의신호등개수는 2004년현재약 100만등 (4색등, 3색등, 보행등, 보조등, 경보등포함 ) 으로추정되며매년 10% 정도가신규설치되는걸감안하면새로신설되는신호등만연차적으로교체한다고가정하였을때매년 500억원정도의잠재시장이형성되어있다. 그러나, 최근신호등제작업체가다수생겨나가격경쟁이치열한상황이며 LED 자체의가격도많이하락하여실제시장규모는그리크지는않은것으로보인다. 다. 전광판 RGB LED를이용한다이나믹한응용제품중에하나가전광판이다. 전광판에소요되는 LED 세계시장은 2004년약 5.1억불로집계되었으며이중동영상용총천연색전광판이 70% 를차지하고있다. 성장률은그리높은편은아니어서연평균 5% 정도의성장률을보이고있다. 우리나라의전광판시장은세계시장의 6% 규모로추정되며 2002년월드컵이후소강상태를보이고있는실정이지만최근기술력의발달로수출비중이높아지고있다. < 그림 4-5> 전광판용 LED 세계시장

66 라. 자동차 자동차에 LED가처음장착되기시작한것은차량내부의계기및오디오등의표시등이었으나 LED 휘도가개선되면서계기판백라이트, 실내등, 외장램프등에응용되기시작하여현재는헤드램프를제외한모든램프가 LED 로대치가능하게되었으며우리나라에서도방향지시등이나브레이크등및계기판백라이트에 LED를장착한차량을심심지않게볼수있게되었다. 다만아직까지가격이높아서차량가격대비 LED 램프의가격이상대적으로작은고급차위주로 LED 제품을장착하는실정이다. 2004년자동차용 LED 램프세계시장은약 5천억원정도로추산되며이중 3/4이내장형램프로사용되고있다. 유럽과일본을중심으로 LED 대치율이급격히증가하고있으며특히내진동성이우수하여버스나트럭에장착되는비율이높아지고있다. < 그림 4-6> 자동차용 LED 자동차외장램프를 LED 로장착할경우몇가지장점을생각할수있는데 우선, LED 램프는기존전구형램프에비해슬림형으로제작이가능하여차 량의프레임에영향을주지않고장착이가능하다. 사이드미러나룸미러등

67 전구형램프에서는생각할수없었던곳에설치가가능하며불필요한트렁크공간의낭비를없앨수있다. 특히, 차량외관을리모델링할때프레임의변화없이외관을바꿀수있어프레임설계비용이절감된다. 그리고수명이전구형에비해 10배이상높아서산술적으로계산해보면자동차수명이다할때까지교체가불필요할지도모른다. 자동차에들어가는램프를 LED로모두교체한다면 200개이상소요될것으로생각되며모두부가가치가높은제품이고연간자동차생산대수 (2004년약 6천만대 ) 를감안하면휴대용가전제품못지않게큰시장으로부상할것으로예상된다. 고출력을요하는헤드램프의경우에는 LED 성능이 80 lm/w 정도가되는 2007년경에시장에될것으로생각되지만이미 2002년자동차모터쇼에 LED 헤드램프를장착한신모델들이선을보였기때문에그시기가앞당겨질가능성이크다. < 그림 4-7> 2004 년디트로이트모터쇼에출품된 LED 헤드라이트 < 그림 4-8> 자동차용 LED 세계시장

68 마. 중대형 LCD 백라이트 노트북이나 LCD TV등규모가큰 LCD 모니터에도 LED를채용한백라이트유닛이활용될것으로보인다. 현재열광원이나 CCFL (cold cathod fluorescent lamp) 을채용한백라이트유닛은모니터두께의슬림화에한계가있고특히국제환경법에의한수은사용규제는 CCFL 사용의미래를어둡게하기때문에대체광원으로 LED 백라이트가개발되고있다. LED 백라이트유닛은전력소모가작고휘도가균일하고신뢰성이높으며색재현성이높아향후 LCD 백라이트로서좋은후보광원으로평가받고있는데세계 LCD 시장의 40% 이상을한국제품이점유하고있다는사실은향후한국 LED 백라이트기술의성장을드라이브할좋은동기이기도하다. 최근, 소니, NEC, 삼성, LG 등에서잇달아 LED 백라이트유닛을채용한 30인치급이상의 LCD TV 시제품을선보였는데색대비가높고선명한색상과특히 blurring이없는또렷한화질은소비자로하여금구매의욕을당기게하지만아직낮은효율로인한방열문제가있고가격이높다는문제점도있다. 그러나 LED를이용한백라이트유닛의성장가능성은매우높으며향후 5년이내에자동차용 LED 시장과비슷한규모를형성할것으로예측되고있다. < 그림 4-9> LCD 백라이트유닛용 LED 시장전망

69 3. 향후시장전망 미국의광전자산업시장조사기관인 Strategies Unlimited 사에따르면시장조사를시작한 1995년이래지금까지고휘도 LED 시장은연평균 47% 성장율을보이고있으며향후에도 30% 이상의고성장율을기록하여 2009년에는 70 억불이상의시장을형성할것으로예측하고있다. 이러한예측이타당성을갖는것은 LCD 모니터와자동차그리고조명시장등향후거대시장에 LED 가활용될수있는가능성이명확하며뚜렷한경쟁광원이없기때문에기술개발진도에따라시기의차이만있을뿐시장이더욱확대될것은분명하기때문이다. 특히조명용 LED 가시장에진입할것으로보이는 2010년이후에는빛을필요로하는모든분야에서 LED가활용될것으로예상되어어느누구도시장규모를짐작할수없을것이다. < 그림 4-10> 고휘도 LED 세계시장전망

70 Ⅴ 결론 21세기최초의기술혁신일것이라고평가되는조명용 LED 산업의성장성을일찍부터인식한미국, 일본, 대만등선진국은국책프로그램으로 LED 산업을지원하고있으며우리나라도얼마전 10대미래성장동력산업중에 LED 가선정되어국가적차원의지원이이루어질전망이다. LED를이용한조명등을개발하기위해서는기존조명업체와의협력관계가필수적일것이라고생각되는데이미해외에서는유수의조명회사와반도체회사들이공동으로투자하여반도체조명회사들을설립하였으며이들회사들이현재 LED 기술과시장을선도하고있다는것은의미하는바가크다. 많은기업들이당면한문제중가장심각한문제로인식되는것은특허문제일것이다. 대만과같이국가가조직적으로특허를방어해주는정책도필요하겠지만고유의원천기술을개발하여대응무기로활용하는것이더중요하다고생각된다. LED 원천기술개발과함께고려되어야할점은응용시장이다. 소재부품기술은응용제품시장과운명을같이하기때문에새로운응용시장을창출하는것도기술개발의동기부여차원에서필요할것이다. LED 시장이커지고기술이발전할수록장애요소가많이나타날것으로생각되는데산학연관이유기적으로협력하여기반을구축하고전문인력을양성하여기술개발에정진할때우리나라도세계 LED 조명기술을선도할수있는위치를차지할수있을것이다

71 참고문헌 1. S. Watanabe, N. Yamada, M. Nagashima, Y. Ueki, C. Sasaki, Y, Yamada, T. Taguchi, K. Tadatomo, H. Okagawa, and H. Kudo, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) V.Adivarahan, A. Chitnis, J. P. Zhang, M. Shatalov, J. W. Yang, G. Simin, and M. Asif Khan, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) C. Chen, J. Yang, M. -Y. Ryu, J. Zhang, E. Kuokstis, G. Simin, and M. A. Khan, Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) J. P. Zhang, E. Kuokstis, Q. Fareed, H. M. Wang, J. W. Yang, G. Simin, M. A. Khan, G. Tamulaitis, G. Kurilcik, S. Jursennas, A. Zukauskas, R. Gaska, and M. Shur, Phys. Stat. Sol. (a), 188 (2001) J. Wu, W. Walukiewicz, K. M. Yu, W. Ager, E. E. Haller, H. Lu, and W. J. Schaff, Appl. Phys. Lett. 80 (2002) F. Widmann, J. Simon, B. Daudin, G. Feuillet, J. L. Rouviere, N. T. Pelekanos, Phys. Rev. B 58 (1998) R B. Damilano, N. Grandjean, F. Smond, J. Massies, M. Leroux, Appl. Phys. Lett. 75 (1999) Ok-Hyun Nam, Michael D. Bremser, Tsvetanka S. Zheleva, and Robert F. Davis, Appl. Phys. Lett. 71 (1997) Robert F. Davis, Thomas Gehrke, Kevin J. Linthicum, Edward Preble, Pradeep Rajagopal, Carsten Ronning, Christian Zorman, Mehran Mehregany, J. Cryst. Growth 231 (2001) T. M. Katona, M. D. Craven, P. T. Fini, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, Appl. Phys. Lett., 79 (2001) M. Yamada, T. Mitani, Y. Narukawa, S. Shioji, I. Niki, S. Sonobe, K. Deguchi, M. Sano and T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) L

72 자문위원 : 한국광기술원백종협