IT 기획시리즈 주간기술동향통권 1283 호 2007. 2. 14. 세계일류 IT 기술 8 LED 백라이트최신기술개발동향 백승욱 ( 주 ) 옵토메카부설연구소기술이사 swbaek@optomecha.com 1. 기술개요 2. 직하방식 LED 백라이트기술개발동향 3. 측면발광 LED 백라이트기술개발동향 4. LED 백라이트용핵심부품개발동향 1. 기술개요최근들어 LED 를기존의램프조명을대신하는용도로채용하는사례가점차증가하고있다. 이는 LED 자체의고휘도화, 장수명화, 고색순도화등성능향상에힘입은바도크지만, CCFL 과같은램프조명을통해서는장치의고품위및경박단소화에한계가있기때문이다. LED 의채용이두드러질것으로보여지는분야로는자동차, 일반조명등의상당히고휘도에해당하는제품시장도있지만, 디지털평판 TV 의주력으로자리매김을하고있는 LCD TV 용백라이트시장또한무시할수없는거대시장으로떠오르고있다. 시장조사기관의보고에따르면 2010 년 LCD BLU 용 LED 의전체 LED 시장에서의점유율은약 14% 에이를것으로전망하고있다 [1]. 기존에는 LCD Monitor 및 LCD TV 에는주로 CCFL 이사용되어왔지만최근수은등환경유해물질의규제가심각해짐에따라친환경적인소재부품인 LED 로의전환이대세로굳어지고있다. 환경문제와더불어 LED 를 LCD 의백라이트광원으로사용하게되면여러가지이점을얻을수있다. 대표적으로수명이거의 10 만시간에가까우며, 소비전력또한백라이트전체기준으로보면 CCFL 대비절반정도로낮다. 또한 LED 를채용하게되면제품의박형화가가능하다. 이는평판디스플레이의가장큰세일즈포인트가될수있다. 그다음으로는풍부한색재현성또는연색성과높은명암비를얻을수있다는장점을들수있다. 기존 CCFL 을사용한경우 NTSC 기준으로 70% 에불과하던 Color Gamut 이 RGB 3 색을혼합하여백색을구현하는경우에는 100% 이상에달하여현존하는모든디스플레이를통틀어가장우수한색재현성을얻 * 본컬럼은옵토메카에서작성한내용입니다. 본내용과관련된사항은옵토메카백승욱연구소장 ( 02-2107-7707) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. - 24 -
IT 기획시리즈 - 세계일류 IT 기술 8 (v ) 0.7 0.6 0.5 NTSC CCFL 0.4 0.3 0.2 0.1 EBU LED 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (u ) ( 그림 1) CIE 좌표계와제품별 Color Gamut( 연색성 ) 비교 을수있다 (CRT TV 85~90%, CCFL 방식 LCD TV 70% 수준 ). 이밖에 LED 의빠른응답성을이용하면보다효과적인화질제어가가능하여현재보다더욱탁월한 LED BLU 의구현가능성이높다. 이러한많은성능상의장점이외에도 CCFL 을 LED 로대체함으로써얻게되는경제적인효과또한무시할수없다. 노트북 PC 에주로쓰이는 15 인치급 LCD 패널의경우 CCFL 이적용된백라이트가차지하는전체 LCD 에대한원가비중은약 23% 에해당하는데 30 인치급이되게되면그비중이 38% 로 1.6 배정도증가하게되어대형화에따른비용증가를감당하기어려운상황이다. 따라서 LED 이외에도 EEFL, CNT, 면광원등을이용한여러가지대체광원을개발하려는요구가커지고있는실정이며이러한대체기 ( 그림 2) LCD 패널에서대형화에따른 BLU 의가격비율증가 [2] - 25 -
주간기술동향통권 1283 호 2007. 2. 14. ( 단위 : 천엔 ) 70 60 50 CCFL BLU LED( 시나리오 2) LED( 시나리오 1) 40 30 20 10 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 ( 연도 ) * 시나리오 1 : 청색 LED 가격하락율적용. 시나리오 2: LED 연평균가격하락율 15% 적용 ( 그림 3) 32 인치기준 CCFL vs LED 백라이트가격변화예상추이 [3] 술들의개발과함께 CCFL 의저가격화에의한백라이트가격하락세가급격히이루어지고있어 LED 가얼마나빨리가격경쟁력을확보하느냐가 LED 백라이트성공의관건이될것으로보인다. 이부분에있어서 LED 업계들에따르면 LED Chip Wafer 프로세스가점차인치수를높여감에따라제조원가가많이떨어질수있을것으로낙관하고있다. 이렇게되면 LED 백라이트의가격은매우드라마틱하게떨어져원가면에서상당히경쟁력을갖출것으로보이며, 이러한경향은광원의원가비중이큰 40 인치이상대형 LCD TV 에서더크게작용할것으로보인다. 이와함께전면적에걸쳐휘도와색의균일성을얻어내야한다는광학설계상의어려움과필요에따른색의조합을위한 LED 인가전류의순간적인제어기술의장벽을뛰어넘어야하는것또한제품설계측면에서노력해야할중요한과제이다. LED 백라이트는 LED 배치와도광판의형태등구조상관점에서직하방식과측면발광방식으로대별할수있는데, 직하방식은 40 인치이상대형 LCD TV 를타깃으로하여개발이진행되었고측면발광방식은직하방식의경제적, 기술적문제점들을해결할수있는방안으로서도입되어 20~30 인치급모니터겸용 LCD TV 나중형급 LCD TV 를대상으로하여개발이진행되고있다. 2. 직하방식 LED 백라이트기술개발동향 이방식은 LED 가백라이트전면에배치되어있는형태로서사용되는 LED 의개수가너무 - 26 -
IT 기획시리즈 - 세계일류 IT 기술 8 많아 Cost 가올라가는것이최대의문제점이다. 또한이에따른소비전력의증가또한무시할수없다. 하지만이러한문제점을해결하고슬림화만이루어낼수있다면색재현성측면에서는가장뛰어난제품을구현할수있다. 직하방식의시초는 LumiLeds 에의해발표된 Side-emitting 방식이었다. 이회사는 LED 에특수한렌즈를부가함으로써광이직접 LCD 패널배면으로나가는것을억제하면서도광판내에서충분히전반사킴으로써 LED 배치에따른휘도및색분균일성을상당부분해소시키는방법을동원하였다. 하지만도광판내에서상당히긴광경로를유지하는데에따른광손실이증가하는단점도있는것으로알려져있다. 따라서 LCD TV 용으로는 Direct emitting 방식이적합한것으로판명되고있다. ( 그림 4) Lumileds 의광학렌즈개념및이를채용한백라이트구조 Sony 는이러한 Direct emitting 방식으로 46 인치급 LCD TV 인 Qualia005 를발표하였다. 이제품은기존어떠한디스플레이제품과도비교불가한뛰어난화질을보여준데다가직하방식이라는개념으로서만존재하던기술을최초로제품으로구현한것이기에매우획기적이기는했지만, LumiLeds 사의 High power LED 가 400 개나장착되었고복잡한방열시스템을구비한관계로두께가두껍고가격또한미화 15,000 달러에육박하여그이상의주목을받지는못하였다. 백라이트가격만도 CCFL 방식의 5 배에달한것으로알려져있다. 또한오스람은 2005 년에 82 인치급의 LCD 에 1,120 개의 Power LED 를채용하여시제품을발표한바있다. Direct emitting 방식에있어서는 RGB 각색의혼색이가장큰이슈이다. 따라서 LED 상에광의지향특성을바꾸어주는렌즈가부가되는경우가많은데이경우파장별로렌즈를통과하는광의지향각이달라져색분리현상이발생하고이로인해백색균일도가떨어지는문제를해결하는것이관건이다. 이경우고휘도 Power LED 대신에일반 LED 를다수밀집시켜배열함 - 27 -
주간기술동향통권 1283 호 2007. 2. 14. 으로써휘도및색불균일문제를극복하고고가의 Power LED 채용으로인한원간상승문제를해소하는방법도동원되고있다. 국내에서도대기업들의시제품발표가줄을이었는데, 삼성전자는독자기술로설계한렌즈를부가한 Xmitter 를 2005 년 SID 에발표한이후이를통해 High-end 급 LCD TV 시장을선점하는전략을세웠다. 삼성전자가구현한방식은 LumiLeds 사의 Side-emitting 방식의문제점인낮은광효율, 휘도가높을수밖에없는 LED 중심부의 Hot sopt 발생등을독자적인렌즈설계로보완한방식으로, Side-emitting 방식대비광효율및소비전력면에서 40% 가까이성능향상을이룬것으로평가되고있다. 따라서이를통해 LED 개수의저감도함께이루어원가절감효과도얻었으며성능측면에서는 NTSC 기준으로 Color Gamut 107% 를달성하였고 LCD 패널을통과한후의휘도로 500nits 를달성한것으로알려져있다. Color Gamut 은 LED 백라이트가갖는성능상의최대장점으로서이수치가높아짐에따라일반모니터와는달리풍부한색감을구사하여야하는 TV 에의요건을 LCD 가갖출수있게된매우중요한전기라고할수있다. ( 그림 3) 은삼성전자가밝힌경쟁사대비자사의 40 인치 LED 백라이트가모든지표면에서경쟁력이있음을보여주고있다. 이기술은계열사인삼성전기에일부이양되어삼성전기는올해세계최초로직하방식 LED 백라이트의양산착수에돌입하였다. LG 필립스역시같은해 5 월에직하형 LED 백라이트를채용한 47 인치급 LCD 를통해 110% 이상의색재현율과최고 10,000 대 1 의명암비를달성하였다고발표하였다. 이는 CCFL 방식의 LCD 의명암비가통상적으로 500~800 대 1 이고최고가능한정도가 2,000 대 1 수준 40 LED BLU 40 CCFL BLU ( 그림 5) 삼성전기에서발표한 40 인치 LED 백라이트의 CCFL 방식과의화질비교 < 표 1> 삼성전자 Xmitter 와경쟁사동급모델의성능지표비교 LED 개수 방열 Fan 백라이트두께 소비전력 삼성전자 Xmitter 200 개 없음 40mm 185W 기존경쟁사모델 350 개 5 개 100mm 380W - 28 -
IT 기획시리즈 - 세계일류 IT 기술 8 인것에비하면엄청난수준이라고볼수있다. 이러한명암비는여태까지 PC Monitor 용으로만많이쓰였던 LCD 패널에서와는달리 LCD TV 에서는어두운화면에서도인물이나사물의디테일이살아움직여야한다는점에서매우중요한수치이다. 일본의 TAMA Fine Optics 사는 Omron 사의 Flat LED 를채용한기술을소개하였는데, 광원으로서 RGB 칩을하나로패키징한후 Fresnel 형태의광학미러와발광프로파일제어소자를통해광의진행경로를수직방향으로바꾸어줌으로써원하는휘도와색상의균일성을얻고자하였으나상용화를위해서는아직해결해야할문제가잔존하는것으로알려져있다. ( 그림 6) TAMA Fine Optics 사의 FLAT LED 한편국내 LED 전문업체들을통한개발도성과를보이고있는데이들업체들은모바일용 LED 시장의뒤를이을새로운수익원으로 LED 백라이트를제일먼저꼽고있다. LED 업체들입장에서보면백색 LED 보다저가이고특허공세에서자유로우며수율면에서도안정적인 RGB LED 를이용한솔류션이채택된것이유리하게작용하고있다. 이들업체들은 LCD TV 세트업체와의협력하에제품을개발하고있는데, LG 이노텍은 30 인치기준으로 120W 의소비전력과 300nits 의밝기를구현하였으며, 루미마이크로사는 32 인치기준으로약 1,792 개의엄청나게많은 LED 를사용하여확산판통과후휘도 500nits 를달성하였다고발표한바있다. 또한알티전자는 40 인치급에서 150W 의소비전력을내는제품을선보였다. 이상에서살펴본바와같이 LED 를이용한직하방식백라이트를이용한 LCD TV 는뛰어난색재현성을무기로평판디스플레이시장에새로운강자로떠오르고있지만아직까지는해결해야할당면과제들도많이남아있는상황이다. 가장큰문제로서제조원가상승을들수있다. 하지만이문제에있어서는관건이되는핵심부품을공급하고자하는 LED 업체들과기존의백라이트생산업체들이현재의부족한수익모델과기존제품의수익성하락으로부터벗어나새로운돌파구로서이시장을노리고있어완제품업체와의공조하에전략적으로문제를해결해나갈것으로기대하고있다. 또한 LCD TV 의메이저급인국내대기업들입장에서도 LED 백라이 - 29 -
주간기술동향통권 1283 호 2007. 2. 14. 트를채용한제품은기술적으로나원가경쟁력확보측면에서군소후발업체들에게진입장벽을높일수있는전략제품이될수있으므로이를통해차별화된프리미엄급고가 TV 시장을형성하여지속가능한수익모델을영유할수있어제조원가상승에따른부담에서비교적여유로울것으로예상된다. 기술적인측면에서는점광원을면광원으로바꾸는데에따른균일한휘도를확보하는것과 RGB 각각의 LED 의파장별지향특성이다른데에따른균일한색분포를구현하는것이가장어려운문제로대두되어있어대부분의개발업체들은이부분의개선에총력을기울이고있으며이를타업체와의성능적우열을강조하는바로미터로삼고있다. 휘도대비소비전력을더욱떨어뜨려야하는문제와그에따른방열문제, 그리고보다박형화된설계를이끌어내는노력도필요한상황이다. 3. 측면발광 LED 백라이트기술개발동향이방식은 LumiLeds 사가가장먼저 RGB-Luxeon Emitter Array 라는개념으로선보였는데 BLU 의양측면에 RGB 3 색의 LED 를어레이로장착하고도광판을통해빛을전면으로끌어내는방식으로직하방식에비해백라이트전체의두께가상대적으로얇아진다. 또한광이 LCD 패널배면에서바로조사되지않고도광판내에서충분히전반사됨으로써 LED 각각의편차및조립위치편차에따른휘도및색불균일성을상당부분해소시킬수있다. 하지만대면적으로갈수록휘도부족문제에봉착하게되는문제점을안고있다. 이와는별도로삼성전자가측면발광방식으로최근내놓은제품에는각각의 LED 가 32 인치기준으로약 100 개씩소요된다. 이는앞에서다룬직하방식에비해 LED 의사용량을훨씬줄 Light Guide 180 Mirror Mixing Light Guide MC-PCB RGB-Luxeon Emitter Array ( 그림 7) LumiLeds 사의측면발광 LED 백라이트의구성도 - 30 -
IT 기획시리즈 - 세계일류 IT 기술 8 인것으로서 Cost 문제와방열문제를상당부분해결할수있다. 이경우도광판상면에서의휘도는약 13,000nits(cd/cm 2 ) 수준이며소비전력은같은휘도를내는 CCFL 제품대비 2/3 수준인 150W 에불과하다한다. 따라서이방식은초슬림, 저가형, 저소비전력을세일즈포인트로하여 21 인치부터 32 인치급까지의중형 LCD TV 및 Monitor 겸용 TV 에주로채용되어보급형시장을노릴것으로보인다. 삼성전자는이러한측면발광 LED 백라이트기술을이용하여최근두께 12mm 수준의백라이트를개발하고있으며이를이용해현재 8cm 수준인 LCD TV 의두께를 2007 년 1 분기까지지금의절반수준으로낮추는프로젝트를진행중에있다고한다. 이러한측면발광방식에채용된 LED 는 RGB 3 색칩이혼합된백색 LED 가대부분으로광효율이 30lm/W 수준에지나지않으며특히 Green LED 의출력이낮고 Red LED 는고온에서출력감소가심하여이를보상하기위해 RRGGB 의형태로배열된 LED 모듈을사용하고있다. 따라서이로인해 LED 소요량이많아지고소비전력이커져방열시스템이부가되어있다. 4. LED 백라이트핵심부품개발동향광원이 LED 로바뀜에따라백라이트를구성하는각종기능성광학부품특히도광판과시트류등의방식이최적성능을내기위해광원과함께바꾸어야할필요가발생하였고이에따라새로운기능성광학부품들이개발되고있다. 가. 도광판 Cost 를낮추는데있어가장확실한방법은 LED 의개수를줄이는것이데이경우휘도가떨어지지않도록보강해줄수있도록해주는것이도광판개발의핵심이다. 제일모직은삼성전자에서개발한측면발광 LED 백라이트용으로새로운개념의도광판을개발중이라고한다. 이도광판은투명아크릴수지의도광판소재표면에자외선경화성재료를이용하여특수표면패턴을새긴것으로알려져있다. 나. LED 현재가장보편적으로쓰이고있는효율 30lm/W 급의 LED 의효율을 50lm/W 까지안정적으로끌어올려 LED 의개수를줄임으로써 Cost 를낮출수있는방안과냉각장치가필요없는시스템을구현할수있도록하는것이 LED 측면에서해결해야할중대한과제이다. 더군다나출력이낮은 Green LED 의고출력화와 Red LED 의고온에서의안정성을높여백색구현을위한 LED 조합의개수를줄이는것또한 LED 자체와백라이트전체의경쟁력관점에서시급한 - 31 -
주간기술동향통권 1283 호 2007. 2. 14. 해결과제이다. LED 를이용해백라이트를설계하는데에있어가장어려운점중의하나가 RGB 각각의 LED 의시간에따른, 그리고발열에따른휘도감소율이제각기다르다는것과동일파장의 LED 간에도휘도및파장특성, 지향각특성의산포가크다는것이다. 이로인해현재는부위별로센서를배치하여지속적으로각각의파장별휘도변화를감지하면서 LED 에인가되는전류값을변화시킴으로써전체적인휘도및색상의균일도 (uniformity) 를유지하는방법을쓰고있다. 하지만이는결국 LED 백라이트전체의수율과제조원가상승, 신뢰성확보문제등에있어걸림돌로작용하므로 LED 측면에서근본적이고도획기적인성능개선이이루어져야할것으로보인다. < 참고문헌 > [1] 한국과학기술정보연구원, 2005 미래유망사업화아이템이슈분석 (LED), 2005. 11. pp.32. [2] Deutsch Bank Research, company data( 매일경제산업 / 기술세미나, BLU 의기술 / 시장분석, 2004. 10. 재인용 ) [3] LG 경제연구원, LG 주간경제산업정보, 2004. 12. 8. pp.30. - 32 -