국내외LED 조명기술개발현황 -...

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국내외 LED 조명 기술개발 현황국내외 LED 조명 기술개발 현황

송 상 빈[[email protected]]

(062-605-9370)

한국광기술원/반도체조명팀

1LED조명 기술개발 전략수립(KETEP)

발 표 순 서

I LED LED 조명조명 기술기술 개요개요

II LED LED 조명조명 기술기술 개발개발 현황현황

IV LED LED 조명조명 기술기술 개발개발 전략전략


Ⅰ. LED 조명 기술 개요


조명 및 광원 기술의 역사

1920 1940 1960 1980 2000 2020

0

50

100

150

200

ElectricalDischarge Lamps

Incandescents

Fluorescent

High-PressureSodium

Metal Halide

Indicator LED

Mercury Vapor

Shaped Reflectors

Tungsten-Halogen

Conventional Incandescent

Year

Lum

inous E

ffic

iency

(lm

/W)

Eletrodeless Discharge lamp(PLS)

Solid State Lighting

Light Emitting Diodes

Light Emitting Diodes

광원의 발전• 고연색성

• 소형화

• 저출력화

• 장수명화

• 고효율화

• 저가격화

• 친환경

Quality

Quantity

기구/시스템 발전• 소형,박형화/일체화

• 고품격 디자인

• 감성 및 생리 제어

• 첨단기술 융합


LED 조명 기술 개발 필요성

조명 제어의 유용성

- 감성 및 웰빙조명 구현 : 광색/색온도/광출력 인공지능 제어

- 신개념 조명기구/조명설계 : 단순 조명에서 기능조명으로

첨단기술과의 융합 ⇒ 미래의 조명(Smart Lighting)- 디지털 컨버전스와의 융합 : 조명통신(VLC), 미래 에너지원과의 결합 : PV(PhotoVoltaic) Lighting System

에너지절감 효과

-’15년 국내조명 30% 교체 연간 1.4조원/년 [16억 kWH] 절감, 대형 원자력발전소 [274 KWH] 2기 발전량 절감

- 태양광발전시스템 및 밧데리 기술과의 결합에 의한 에너지절감 극대화 가능

친환경 효과

- CO2 발생량 절감: 680 만톤/년 저감 효과 [교또기후협약 규제회피]- 무수은 광원 [RoHS, WEEE 규제 회피]

고효율/친환경 조명의 필요성

백열등, 형광등 등 기존 조명은 전력소비와 환경오염의 문제 내포

- 세계조명기구 연간 소비전력 2조 1천억 kWh, 전체전력 12~15%, 연간 17억톤 CO2 를 배출

- 매우 낮은 광 이용 효율, 수은 및 중금속 물질(방전등) 사용, 짧은 수명으로 인한 환경오염 유발

조명효율 25% 향상시키면, 연간 2,500억 kWh 전력절감, 1억 5천톤 CO2 절감 가능

LED 조명(미래조명 트랜드)


광원모듈

LED조명시스템

LED광소자

기판 (웨이퍼)Sapphire, GaN, SiC, Si, GaAs

에피웨이퍼(In,Al)GaN (청, 녹, UV), InAlGaP(적, 황), AlGaAs (적, IR)

LED 칩

RGBOY 형광체

전원, 광학기구, 시스템제어, H/W, S/W

Discrete PKG백색, RGB, UV

LED 모듈/시스템자동차, BLU, 디스플레이, 일반⋅간접조명

패키징

에피성장 (Epitaxy)

칩공정(Fabrication)

Array PKG3 in 1, 고출력

GaN/sapphire GaN/SiC

LED 조명이란 ?

정의: LED 조명산업은『LED』 반도체광원을 이용하여 『조명제품』을 만드는 산업

반도

체기

술조

명기

술


LED와 일반 광원의 비교

○ 기존 광원에 비해 고효율화, 저전력화

(백열전구의 10분의 1, 형광등의 2분의 1)

○ 환경친화성(no Hg, CO2 발생 감소)

○ 광색이 뚜렷하고 색재현성이 높음

○ 광원 및 시스템의 소형화, 박형화, 경량화

○ 장수명이고 충격에 강하여 내구성이 좋음 (약 10만시간의 수명시간)

○ 점·소등 속도가 매우 빠름(수 10-9초) -> 가시광통신

○ 고반복, 펄스 동작이 가능하며 시신경의 피로 감소

○ RGB LED 조합에 따른 색온도 및 연색성 조절, 다이나믹한 제어 가능

(인텔리전트 조명 광원으로 사용 가능)

○ 단점 : 높은 휘도(눈부심), 열에 민감, 좁은 배광, 높은 가격


조명시장 규모의 변화

Global market share 10yr forecast for lighting

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

SSL devicesIncand/OtherFL

0

50

100

150

200

250

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

$ B

illion

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

PE

RC

EN

T [%

]

의료/농업조명자동차조명디스플레이일반조명LED 침투율

134145

156168

179

192205

218

반도체조명반도체조명 확보확보 가능가능 시장시장 조명시장조명시장 광원별광원별 점유율점유율 변화변화

2000년 이후 건설경기 향상으로 일반조명 시장 6.2% 성장(오스람, GE 필립스 등 약 70% 차지)

조명시장은 2012년 약 2천억불 시장을 형성 -> LED가 20% 침투(약 4백억불 시장 예상)

LED의 고효율에 따른 기존 광원 교체로 조명 시장 확대 예상(미국 2025년 조명기구 50% 대체)

최근 OIDA에서는 2015년에 기존 전통조명을 30% LED 조명으로 교체 예정

관련근거 : global Information, Inc. “조명기구 전망”(2005), OIDA(2007) 등


세계 LED 조명시장

조명 및 자동차 시장 성장으로 06년 시장 규모 4조 3천억 전망

약 85% 정도 아시아에서 소비

일본 니치아사가 세계시장의 ¼를 차지

(세계 Big 5- 니치아, 도요다고세이, 오스람, 루미레드, 크리사)

Sources: SIL Proceedings 2007, Strategies unlimited


반도체조명관련 기업 변화

- 기존 전통 거대 조명기업이 반도체 기업 인수합병으로 반도체조명시장 선점 강화

(Philips의 TIR System, Color Kinetics 인수, Gelcore가 GE Lumination으로 전환)

- LED Chip 전문업체(Cree 등)이 다양한 조명기구 업체와 협력관계 모색

(Cree+Zumtobel, Cree+Beta LED, …)

- 전문 LED 조명업체 출현 및 시장 점유(특허 보유) -> Color Kinetics, Neo-Neon 등

- 중국 조명산업의 급부상과 세계 유명 조명 산업단지 및 LED City 확대

- LED 소자, PKG, 응용 관련 기업 M&A 및 사업 분야 확대(세계) -> 타종 업종 전환 심화(국내)

- 삼성전기+남영전구+고이즈미조명, LG이노텍+국내조명회사, 루미마이크로+화우테크놀로지…

GE Lumination


LED 조명 산업분야

실내조명분야

실외조명분야

특수조명분야

- 의료/농업/환경 조명

- 백색가전 조명

- 가시광통신 조명

- 엘리베이터/무대 등 조명

- 신재생에너지 발전 조명

- Wall washer 및 장식조명

- 정원등 및 보도등

- PV(Photovoltaic) 조명

- 가로등 및 다리조명

- 경기장조명 및 투광기

- MR16조명 및 국부조명

- 전구 및 탁상조명

- 면발광 조명/색온도 제어

- Art 조명/Hybride 조명

일반조명 분야

- 자동차/기차 조명

: 독서등, 지시등, 실내등, 전조등

- 선박항공조명

: 항공장애등, 소형등명기, 탐조등

수송기기조명

디스플레이

LCD BLU

- 소형 LCD BLU

: Mobile Phone 등

- 대형 LCD BLU

: 모니터, TV 등

- LED 전광판

- Sign 조명

: LED Strip, 채널레터 등


제품 단계별 업체 분포

하이쏠라, 포스포대주, 루시미아(26)

LED 부품소재 삼성전기, LGIT, 에피밸리, 에피플러스, 서울옵토디바

이스, 더레즈(13)

LED 칩

삼성전기, LGIT, 우영, 태산LCD(40)

LED BLU

삼성전기, LGIT, 서울반도체, 루미마이크로, 알티전

자, 럭스피아(35)

LED PKG

금호전지, LED라이텍, 럭스맥스, KDT, 아토디스플

레이, 알에프텍(313)

LED 조명

금호, 우리ETI, 필룩스

전통 조명

알토조명, 이상C&C(10)

조명 디자인

삼성전기, LGIT, SSC, 루멘즈

Key Pad

희성전자, 우영

LCD 판넬

SLC, 인희라이팅, 현대모비스

자동차 조명

대양전기, STX조선, 오진산업, 파나시아, 태양엔지

니어링

조선용 조명

현대건설, 삼성건설, GS자이, 대우건설

건설

현대중공업, 대우조선해양, 삼성중공업

조선

현대, 대우, 기아, 삼성

자동차

삼성전자, LPL

LCD

삼성전자, LG전자

휴대전화

주성엔지니어링, 플러스텍, 시스넥스(20)

LED 장비

금호

전기 설비*LED조명산업지역혁신클러스터활성화를위한 산학연 워크숍, 2008


Ⅱ. LED 조명 기술 개발 현황


LED 조명 기술 개발 요소

양산 실용화 기술 인프라/마케팅

Array형광체

패키징 재료

광학설계

Epi 성장

패키지

열설계

광원모듈

조명기기

시스템

기구설계 조명설계

제어설계

전원설계

구동회로

디자인

컨버전스

광소자

봉지 재료QW설계

전극설계

칩구조설계


고휘도 LED 기술개발 동향 – 특허 공세

외부양자효율(external quantum efficiency)

방열설계광학설계패키지 재료(내열, 투과율, 연성, 고굴절율)형광체 (RGBOY 양자효율, 산란손실, 내열)

Micro/Nano structurePatterned substrateLateral overgrowthHomo epitaxyNon-polar epi

p-GaN rougheningChip shaping LED on patterned sapphire substrateVertical chipPhotonic crystal

칩(추출효율), Extraction efficiency

에피(내부양자효율),Internal quantum efficiency

패키징/모듈(적출효율), PKG efficiency

고효율 LED

= ηinjection · ηinternal · ηextraction · ηPKGLED 효율

에피기술

국내 LED 칩, 패키지 핵심기술 미국, 일본, 대만 등에 의존

- 조명 판가에서 LED 칩, 패키지 비율 통상 40~50% 점유

- 최근 니치아, 토요타고세이 등 특허 분쟁 확대 가능성 확대


LED Chip 및 Package 종류LED Chip 및 Package 종류

Reflective p-electrodeSi with Zener diode

Solder Bump

N-electrode

Sapphire

GaN LED str. np

• 포탄형 LED • Flip Chip LED • Vertical LED

• Multi-Chip Array LED

LED

Top Electrode

Bottom ElectrodeZener Diode

• Wafer Level Package

저가격화

대용량화

고효율화

대량생산


백색 LED 기술 개발 동향 및 전망

White LED

2000 2005 2010 2015

250

200

150

100

50

0

Effic

acy

(lm/W

)

Nichia

5 year

15mW(Korea)

□ : ‘21st century Lighting’ in Japan : 70lm/W(2005), 120 lm/W(2010)△ : OIDA : Optoelectronics Industry Development Association, Sep. 2002

Lumileds

R&D record

Cree

Korea, ProductNichia, Product

Nichia, ProductNichia, R&D

21stC Lightingin Japan

Korea, Product

OIDA

Product record

Small chip @ 20 mALarge chip @ 350 mA

Korea, NTRM Change ?Product

Osram

Osram, LabKorea, Lab

LumiledsCree

우리수준

세계수준

- Cree : PAR 38 659 lm 5.8W, CRI 91.2(2760K)

· Xlamp : 790lm(cool), 606lm(warm), 9.8W

- Nichia (2006. 12.) 특허 공세 강화

· 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)


LED 조명 제품 기술 개발 전망

기술개발과제

LED 응용

태양광발전 LED 조명

실외조명

실내조명

Relamp

Retrofit

Relamp

Retrofit

시장

Target

2012201120102009200820072006

투광기 보안 가로등

전구형 다운라이트 형광램프 매입형 조명기구

백열전구 대체 형광램프 대체

백열전구 대체 방전등 대체

저용량 독립형 LED 조명 대용량 계통연계형 LED 조명

최적의 열적 설계와 사용목적에 맞는 광학 설계에 따른 컴팩트화

고효율/온도보상 구동장치 개발

다기능 단일칩 IC 개발

대전력 구동장치 개발

Multi Chip 혼합 패키징 기술과 LED의 특성에 적합한 조명기구 개발

’02 ’04 ’06 ’08 ’10 ’12진입 성장 정착 보급

15 lm/W 60 lm/W 80 lm/W 100 lm/W 120 lm/W 150 lm/W

할로겐, 백열전구 대체 형광등 대체 모든 광원 대체

반도체조명사회진입

의료/환경/농업 조명 가시광통신/자동조명제어

도로 가로등, 고광도 투광기


LED 조명 기술 개발 동향

고출력 대용량화

멀티칩 패키징화/저가격화– One Module/Multi Luminaires

신개념 조명기구

태양광시스템(풍력) 결합

다기능화(색온도제어/고연색성)/컴팩트화


조명기구 설계(방열/광학/회로/시스템 설계)

고효율, 소형화

■ 목표배광을 위한 광학계 설계 (Photopia)

양산시 소형화, 저가격화

■ 통합 Module 구조 설계

■ 고효율 구동회로 설계

광학 배치, 렌즈/반사판 설계

■ 신뢰성 확보를 위한 열 설계 (ICEPAK)

■ 제어 알고리즘 및 시스템 설계

광색/색온도 제어, DMX 제어 등

■ 조명설계(Lighting Design)고출력화

대용량화에너지 절감

LED 특성 고려

인간친화실현


LED 조명기구 기술적 당면과제

반도체조명 제품 기술적 변수의 상호 관계

* Source : LED Magazine

고효율화

대용량화

소형화

고신뢰성화

신개념 디자인

다기능화

광학

방열

회로

조명

디자인


생산 및 양산시 당면과제

방열 및 기구설계

광학 및 조명설계

회로 및 시스템 설계

DRIVERS

Lighting

Semiconductor

고효율

고비용

장수명신뢰성

광품질저하

환경적친화

열관리

보급화

표준화

CHALLENGES

기술복합투자비용인프라

신개념 디자인 설계

설계

시

장

생산

반도체 공정 기술

신뢰성 확보 기술

금형 및 사출 기술

측정 및 표준화 기술

저가격화 기술

기업 집접화

공동 브렌드화


LED 조명 특성 및 신뢰성 평가

LED 조명 평가 항목(미국 DOE)

- Electrical

- Photometic

- Colorimetric

- Thermal characteristics

- Lumen maintenance

- Life performance

- In-situ performance

ENERGY STAR Criteria for SSL- ANSI C78.377-2008 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

Standard LED (lm)

Integrating SpherePhotometer

Total Luminous FluxPhotometer

Mechanical Axis

d

D

A=100 mm2

LED under testD<10 mm Circular Aperture

Averaged LED Intensity


Ⅲ. LED 조명 기술 개발 전략


LED의 조명 침투 전략

윈윈 전략

미래수요 대응능력

공급적기 대응능력

제조시스템 분석

양산능력

특허 (원천, 독자)

lm 유지성 (색, 광속)

참 수명

Lm/PKG

Lm/W

Lm/mm2

요소기술, 공정기술

품질

Form Factor

기능성

기술협력

자본 투자

공급

신뢰성

성능

제품

LED칩 제품

에너지 절감 정량적 제시

상품 신뢰성

제품효율을 넘어 건물효율, 시스템효율 제시

조명품질에 뛰어난 장점이 있어야 고가구매 가능

개척자적 기술개발, 양산능력, IP전략 필요

상보적 인프라 (표준, 제도) 필요

반도체조명 제품 보급

반도체조명 제품

DC ? AC ? 신재생에너지 ? 전원

LED 동특성(온도 안정성등) 구현제어회로 및 시스템의 효율성조명 콘텐츠→인간감성, 생리 현상 연구→동물, 식물 광반응 연구

회로 및제어

조명상황에 따른 기구/조명 설계→ 연색성, 색온도 등LED는 아직 불완전한 비싼 조명→ 배광, 등기구, 조명디자인

조명설계

침투조건

고기능성

고효율

고부가치


1단계: 20022단계: ‘02~’043단계: ‘04~’08

기반구축 및 개발

“Next generation illumination light source project”

대만

유럽: Aixtron, Philips Lighting, Osram 및대학 등 이 LED 컨소시엄 구성

한국: 광주지역진흥사업에서LED분야 기술개발 지원 (300억원/5년)

비고

1단계: ’03.6.172단계: ‘05~’10

1단계: ’06-’11 2단계: ‘11~’20

1단계: ‘98~’032단계: ‘04~’08기간

200 lm/W light source 개발 (최종년도: ‘20년)

120 lm/W light source 개발

최종목표

1단계: 중국과학기술성National Plan on Semiconductor Lighting 추진2단계: 중국 경제개발5개년 계획 발표(LED 및 반도체조명산업육성 대규모 국책투자)

“Next generation lighting initiative”(NGLI)

1단계: “Light for the 21st century”2단계: “LED 의료혁신지적창성 클러스터”

사업명

중국미국일본

기술개발 현황

보급사업 현황

-미국 : 켈리포니아 에너지효율 조례

신주주택조명 50% 이상 40lm/W 조명기구 사용 의무화

-일본 : 에너지 수급 구조개혁 촉진 세제 개정

고효율 에너지절약 조명장치 설비취득가격 30%, 중소기업 7% 세금 공제

-중국 : 도시조명을 위한 에너지 절약 법규(도시 및도로조명조례), 4개지역

2010년까지 조명을 LED로 50% 교체

-한국 : LED 조명 15/30 보급 프로젝트

2015년까지 조며을 LED로 30% 보급 추진, 1조6천억원 절감 효과 예상

세계 기술개발 및 보급 사업 현황


해외 LED City 개요

정의정의

○ 에너지를 절감, 환경보호, 유지비 감소, 시계확보와 안정성을 위해 질좋은 광

원을 공급하기 위해서 도시 기반 시설 전반에 걸쳐 LED 조명 기술을 접목하고,

평가하고, 향상시키기 위한 정부와 산업체의 광범위한 공동체 형성

○ 미국 에너지국에 따르면 20년후 미국내 LED 조명 교체후, 62% 에너지 절감

과 탄소 방출 258백만톤 감소, 133개의 발전소 절감, 1,150억달러 재정 절약

이 기대되어 추진되고 있음

기본현황기본현황 및및 실태실태

○ 참여지역(5개지역)

- Raleigh(North carolina, USA)

- Toronto(Ontario, Canada)

- Ann Arbor( Michigan, USA)

- Austin(Texas, USA), Tianjin, China ○ 참여회사 : CREE, AMTECH, Beta LED 등 6개사

○ 적용분야 : 주차장 조명, 도로조명, 경관조명, 실내조명, 휴대용조명 등


LED 조명 15/30 프로젝트 배경 및 기본방향

일정기간 자금 지원 후 최저효율제를 통해 시장기능에 따라 보급 되도록 추진

<<보급초기단계>>

① 고효율에너지기자재 인증

② 시범보급사업

<<시장육성단계>>

① 장려금지원제도 운영

② 자금융자 및 세제지원 등

<<시장성숙단계>>

최저효율제 시행


LED 조명 15/30 프로젝트 보급 시나리오

장려금 보조시범

보급인증

최저

효율장려금 보조

시범

보급인증유도등

‘15

최저효율

(’20)

최저효율

(’18)

비고

인증

시범보급

‘10

인증(’02), 시범보급

’07 ‘08

인증

‘09

시범보급

최저

효율

‘11

장려금 보조가로등/채널간판

대체

장려금 보조형광등/보안등

대체

최저

효율

할로겐/백열등

대체

교통신호등

’14‘13‘12구 분 자료 : 지식경제부에너지관리공단


LED 산업의 발전 비전(지식경제부)

3대 정책 ․ 9대 세부과제의 전략적 추진

기술 140lm/W

투자(누적) 4조원

고용 3만명

생산 90억불

수출 40억불

2012년


LED 조명 핵심 역량 강화(지식경제부)

○ 분야별 타켓기술의 집중투자로 “신 핵심원천기술” 선점

․감성형 실내조명 디자인․형광등․가로등 대체용 LED조명기구․차량․의료용 특수조명

새로운 LED제품 상용화 및 디자인 다양성 확보어플리케이션

․광원별 新 형광체․고열전도 방열소재 및 방열 설계․최적 열․광학 모듈

新소재 개발, 광학․열처리 최적화, 광원모듈 집적화

소재/모듈

․내부 양자효율 향상 기술․Phosphorless white LED 에피성장․low cost 나노 패터닝․나노기반 LED설계/공정 등

‘12년 160lm/W급 고출력 고효율 LED소자 개발에피/칩/패키징

타켓 기술기술 목표분 야

○ 국제표준 선점 및 특허대응 역량 제고

- 세계 LED표준 동향을 기반으로, 국내외 표준 활동 강화

- 국내외 특허정보시스템 구축 및 “특허 풀”을 통한 특허공세 공동 대응

○ 글로벌 경쟁역량 강화

- 세계 LED산업은 LED 칩에서 조명어플리케이션까지 수직 계열화를 통한 “규모의 경쟁구도” 확산

- 이업종간 전략적 제휴를 통한 중소 LED기업의 브랜드 가치 제고

⇒ 국내 LED조명 분야는 영세중소기업이 End-Supplier, 극히 취약한 산업구조


LED 조명 표준화 로드맵

2012201120102009200820072006국

내

외

배

경

新고유가시대에 대응한 에너지 절약과 국내 LED조명 기술개발 수준에 맞게

품목별 LED 조명 보급활성화로 2015년까지 LED 조명비중 30% 달성을 목표로 추진

신·국가에너지 전략

LED조명 15/30 보급 프로젝트

Energy Star Program

140 lm/W 100 lm/W

CFL(45lm/W)일반조명광원효율 형광램프(100lm/W)

메탈할라이드(110lm/W)

조명제품상용화

규격 작성 백열전구 가로등 보안등할로겐전구 문자형간판 형광램프 특수조명

백색LED개발할로겐, 백열전구대체 형광등대체 특수조명대체

50 lm/W

고압나트륨램프(132lm/W)할로겐전구(28lm/W)백열전구(13lm/W)

중거리 조명 장거리 조명

주

요

표

준

화

대

상

제

품

공

통

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사업자 지원 보조금에 따른 초기수요 창출 (고효율기자재 보조금 도입)

에너지절약 투자 사업 가치평가의 정리·활용

표준화·규격화로 국제경쟁력의 향상


감 사 합 니 다감 사 합 니 다

국내외LED 조명기술개발현황 -...

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