반도체 발광소자 LED 기술동향

1. LED의 동작 원리

LED, 즉 발광다이오드(Light Emitting Diode)는 기본적으로 반도체 PN 접합 다이오드이다. 실리콘 PN 접합이 전자정보 혁명의 주역이었다면 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 PN 접합은 빛 혁명의 주역이다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 원소 주기율표 상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 만들어진 것으로 발광효율이 거의 100%에 가깝다는 장점이 있다. 이는 실리콘보다 약 1만 배 정도 높은 효율로 물질개발 초기부터 LED가 다이오드 레이저 등 발광소자에 널리 응용되어 광통신 혁명의 주역이 되었다. 또 전자의 이동속도가 높고 고온 동작이 가능하여 고속·고전력 전자소자에도 널리 사용되고 있다. 특히 Ⅲ족과 Ⅴ족의 여러 원소가 혼합함으로써 매우 다양한 물질 조성과 특성의 반도체를 만들어 낼 수 있다.
발광다이오드의 가방 기본적인 특성으로 가시광선 영역의 발광다이오드에서는 광도[단위 : 칸델라(Candela, cd)]가 사용되며, 비가시광선 영역에서는 방사속[단위 : 와트(Waat)]로 표시된다. 광도는 단위 입체각당의 광속으로 표시되며, 휘도는 단위 면적당의 광도로서 표시되는데 이런 광도를 측정하기 위해서는 광도계가 사용된다. 방사속은 LED에서 모든 파장에 대해 방사되는 전출력을 나타내며, 단위 시간당 방사되는 에너지로 표시된다. 방사속은 적분구나 반사경 등을 이용하여 전체 광출력을 측정하여 얻어진다. 방사 강도는 단위 입체각당 방사속으로 나타내는데, 이는 발광체에서 방사되는 빛의 각도의 함수이지만 일반적으로 발광면과 수직인 주축 방향의 값으로 나타낸다.
가시광선 LED 성능을 판별하는 주된 평가요소는 바로 발광 효율(Luminous Efficiency)로서, 와트 당 Lumens(im/W)로 표시된다. 이는 사람의 눈의 시감도를 고려한 Wall-Plug 효율(광출력/입력 전기 파워양)에 해당한다. 또한 LED의 발광 효율은 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency), 적출 효율(Extraction Efficiency), 동작 전압(Operating Voltage) 등의 세 가지 요소에 의해 주로 결정된다.


2. LED 반도체 재료 및 성장기술 동향

1) LED 반도체 재료
LED의 재료는 집적천이형(direct transition)과 간접천이형(indirect transition) 반도체로서 구별할 수 있다. 반도체 에너지 구조에서 전도대의 전자가 가전대의 정공과 결합할 때 에너지 방출하게 된다. 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되게 된다. 간접천이형은 열과 진동으로서 수평천이가 포함되어 있어서 효율 좋은 발광 천이를 이루기에는 부적당하고, 직접천이형은 모두 발광으로 이루어지기 때문에 LED 재료로서 좋은 재료라고 할 수 있다. 따라서 수직천이가 일어나는 에너지 폭은 반도체 결정 구조의 고유한 특성인 에너지갭(Eg)에 따라 결정하게 된다.
발광하고자 하는 영역에서 직접천이형 반도체 결정이 존재하지 않았던 LED 발전 초창기에는 간접천이형 반도체에 특별한 불순물을 첨가하여 발광 파장을 어느 정도 변화시켜 발광영역을 맞추어 왔다. 그러나 고휘도 LED를 구현하기 위해서는 직접천이형 반도체의 사용이 필수적으로 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체가 이에 해당한다.
적색 LED의 경우에는 GaAs와 AlAs의 혼합 결정인 GaAlAs, GaAs와 GaP의 혼합 결정인 GaAsP가 주로 사용되어 왔다. GaAsP는 미국의 몬산토사에서 결정성장법의 특허가 출원되어 있기 때문에 미국을 중심으로 연구 및 실용화가 이루어졌다. GaAlAs는 GaAs 기판 위에 GaAlAs를 성장한 이종접합 적색 LED가 일본에서 발표된 이래, 주로 일본을 중심으로 연구가 이뤄졌고, 고휘도 LED의 실현도 GaAlAs 재료에서 먼저 이뤄졌다. 최근에는 InGAlP와 같은 4원계 조성의 화합물 반도체 박막 성장기술 발달에 따라 백열전구보다 높은 조명효율을 갖게 되었다.
녹색 LED는 AlP와 GaP가 가장 좋지만 AlP는 가장 산화하기 쉬운 원소로서 공기 중에서는 존재하기 어렵다. 이 발광영역에서는 처음부터 GaP 중심으로 구현되어 왔다. 그러나 어느쪽 물질이든지 간접천이형 반도체이기 때문에 발광효율을 비약적으로 향상시키기 어려웠다. 또한 순녹색의 발광도 얻어지지 않았으나 추후 InGaN의 박막 성장이 성공하게 됨에 따라 고휘도 녹색 LED의 구현이 가능하게 되었다.
청색 LED는 가장 실현하기 어려웠던 색으로 처음에는 SiC, ZnSe, GaN 등 세 가지 물질이 경합을 벌렸다. 그러나 SiC는 간접천이형 물질이고, ZnSe나 GaN는 직접천이형 반도체로서 SiC는 고휘도 LED 구현에는 적합하지 않은 물질로 판명되었다. Ⅱ-Ⅳ족인 ZnSe는 ZnSe 기판을 이용해 ZnTe, CdS 등과의 다원계 박막 성장을 통해 고휘도 청색 및 녹색 LED를 구현하고 있으나, 모재의 신뢰성이 떨어져 문제점을 안고 있는 실정이다. GaN은 In의 조성비에 다라 적색에서 near UV까지 발광할 수 있는 InGaN의 박막 성장이 가능함에 따라 고휘도 청색 및 녹색 LED의 출현이 가능하게 되었다.

2) LED 성장기술
반도체 결정 성장기술은 반도체 발광소자를 제조하는 핵심기술로서 액상성장법( , 기상성장법, 유기금속화학 기상증착법 및 분자빔성장법 등이 LED 및 LD 양산에 사용되고 있다.
과거에는 LED 제작을 위해서는 대부분 LPE를 사용하고, 특수한 경우에만 기상성장법을 사용했었다. 그러나 MOCVD 기술이 발달함에 따라 박막 두께, 조성비 및 박막 특성 제어가 양호하여 이런 방법을 이용한 적색에서 녹색까지의 발광 다이오드 램프의 양산이 시작되었으며, 고휘도 LED 생산에도 MOCVD법이 주류를 이룰 것으로 판단된다.


3. 고휘도 가시광선 LED 기술동향

LED는 1960년대 초부터 연구가 시작되어 1960년대 후반부터 상용화되었다. 그 후 30여 년이 지난 이 시점에서 고휘도 LED가 새롭게 부각되는 이유는 우선 LED의 성능지수 향상과 빛의 3원색을 이용하여 백색을 비롯해 총천연색을 만들 수 있다는 점 때문이다. LED의 성능지수 향상을 보면 종래의 GaAsP, GaP, SiC와 같은 저발광 효율의 초기 LED 반도체 재료부터 AlGaAs, InGAlP, A1InGaN의 고발광 효율을 낼 수 있는 재료의 도입이 결정적인 원인이 된다. 더불어 에피택시 기술의 발달로 고품위 화합물 반도체가 성장 가능함에 따라 원하는 에너지밴드캡, 최적화된 조성비, 불순물의 도핑된 정도를 정확하게 조절하여 복잡한 구조를 성장할 수 있기 때문에 가능한 것으로 판단된다. 발광에 참여할 수 있는 주입된 전자와 홀들을 활성층에서 이중이중접합(double heterostructure)이나 하나 혹은 다중양자우물 구조로 잘 구속시켜 발광효율을 증가시키는 중요한 원인이 되었다. 그밖에 전류의 퍼짐을 주는 에피층의 성장, 혹은 접속저항을 줄이는 에피층의 성장이 또한 발광효율 증가에 기여하였다. 이와 같은 것들이 내부양자효율의 증가를 가져온 것이다.
LED의 성능지수는 발광효율로 나타나는데 LED에 공급한 1Watt 전력당 사람의 눈이 느끼는 밝기(1umen：1m) 값으로 나타내기도 하지만, 때로는 칸델라(cd)로 표시되는 광도로 나타내기도 한다. 여기서 1cd는 555㎚의 단색광을 방출하는 광원의 복사도가 단위입체각(steradian)당 1/683W일 때 그 방향에 대한 광도를 나타낸다. 시감도, 즉 사람의 눈이 느끼는 밝기는 파장에 따라 1umen 값이 결정되는데 555㎚(1㎚＝10-9m) 파장의 녹색빛은 683 1umen을 1로 기준으로 한다. 이때 470㎚의 청색은 62 1umen으로 시감도가 0.1이며, 625㎚의 적색은 219㎚로 0.3 밖에 안된다.
사실 이런 LED의 발광효율은 조명기구에 비교하면 조명효율이라고 할 수 있는데, 1980년대 초반까지만 해도 적색 LED의 조명효율은 1 1m/W에 머물러 형광등은 물론 백열전구에도 크게 못 미치는 수준이었다. 그러나 1990년대 중반에 들어서면서 AlGaAs 적색 LED의 조명효율이 백열전구 수준을 넘어서 마침내 2000년도에는 미국의 에질린트사에서 개발한 절두형 역피라미드 구조의 AlGaInP LED가 형광등 수준을 훨씬 추월하게 되었다. 적색 LED의 조명효율이 적색 필터를 쓴 백열전구에 비하여 20배 이상 높음을 알 수 있는데, 이는 교통신호등에 위와 같은 AlGaInP 적색 LED를 사용하면 전력 소모를 20분의 1 정도로 줄일 수 있는 가능성을 보여준다. 한편 녹색 및 청색 InGaN LED도 조명효율이 백열전구 수준을 능가하게 이르렀고, 빛의 삼원색을 구현할 수 있는 고휘도 LED가 모두 개발됨에 따라 총천연색 실외전광판을 비롯한 대형 디스플레이의 제작이 가능하게 되었다. 그러나 위와 같은 적색, 녹색, 청색 LED의 3개 칩을 사용하여 백색을 비롯하여 모든 색을 만들 수 있는 방법은 주로 디스플레이용으로만 국한되어 있거, 실제로 일반조명에 사용할 수 있는 백색 광원은 청색 LED에 노란색 형광물질을 도포하여 구현된 백색 LED가 등장함에 따라 LED 응용범위가 넓어지게 되어 마침내 LED를 사용하는 반도체 조명에의 길로 성큼 다가서게 되었다.
따라서 현재 LED의 휘도와 신뢰성이 어느 정도 확보됨에 따라 종래의 백열전구를 광원으로 이용하고 있던 분야에서 서서히 대체 사용이 시작되고 있다. 백열전구를 대체하여 광원으로 사용하기 시작한 분야는 자동차용 조명기기와 교통신호기이다. 1986년 미국의 운수성 국가고속도로 교통안전국으로부터 LED 광원이 자동차 등의 광원으로 인정을 받게 되었다. 탑재가 의무화된 하이마운트 스톱램프를 비롯하여 최근에는 자동차 실내등, 브레이크 등, 방향지시등 나아가서는 초 내구성을 요하는 트럭에서의 LED 광원의 사용은 LED 조명광원의 신뢰성 및 성능의 우수성을 실증한 셈이다. 교통신호등에의 응용분야에서는 적색 신호등이 가장 먼저 실용화되었다. 소비전력이 80％ 이상 절감되고, 수명이 50배 이상 늘어나며, 역광에 대해 시인성이 좋으며, LED 일부가 고장이 나도 신호등 전체가 소등되는 상태가 일어나지 않기 때문에 주행안정성의 향상에 크게 기여를 하게 되었다. 이런 장점으로 초기투자비용의 부담에도 불구하고 최근에는 미국, 유럽 등을 중심으로 교통신호등 전체가 led 신호등으로 급속히 바뀌고 있다. 우리나라에서도 지난해부터 각 지자체를 중심으로 시범설치 운영되는 곳이 늘어나고 있는 추세다.
고휘도 적색 AlGaInP LED, 청색·녹색 InGaN LED의 출현은 종래의 일반광원을 사용하였던 많은 응용분야에 새로운 도전을 주고 있음이 틀림없다. LED를 잘 응용하기 위해서는 LED 소자의 장점을 명확하게 파악하는 것이 중요하다. 우선 반도체 소자이기 때문에 수명이 길고, 열 또는 방전에 의한 발광이 아니기 때문에 점등속도가 매우 빠르다. 또한 전기-광 변환효율이 좋기 때문에 소비전력이 적어 에너지 절약이 가능하다. 전구처럼 필라멘트가 없기 때문에 내충격성이 우수하고, 갑자기 끊어지지 않는 장점도 보유하고 있다. LED는 소자는 그 자체가 매우 작은 발광원이기 때문에 소형화·박막화를 하기 좋고, 발광 스펙트럼이 좁기 때문에 단색성의 광원 확보 및 시각 인식성이 좋은 장점을 가지고 있다. 실제로 위와 같은 장점을 가지고 LED 광원의 기술발달 최종 목표는 일반 조명으로의 구현이다.
그러나 현재의 백색 GaN LED의 조명효율이 약 20∼30 1m/W로 일반 조명으로 사용하기에는 역부족이지만, 반도체 기술의 개발 노력과 시장에서의 요구 여하에 따라 그 일정은 크게 앞당겨질 전망이다. 이런 목표를 실현하기 위해서는 핵심기술 중 하나인 질화물(GaN) 성장기술이 중요하게 작용될 것이다.


4. 질화물 반도체(GaN) 및 청색 LED 기술동향

Ⅲ/Ⅴ족 질화물질의 성장은 오래 전부터 시도되어 왔지만 최근 10여 년 간 그 발전이 주로 이루어졌다고 할 수 있다. 이전에 성장된 질화막들은 대부분 폴리머이거나 다결정으로 구성되어 소자에 응용되기보다는 실험실적인 박막의 성장에 그 의미를 두었다고 할 수 있겠다. 또한 초기의 성장은 HVPE(Hybride Vapor Phase Epitaxy), MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD 등 여러 방법이 시도되었지만 현재까지는 MOCVD에 의해 성장된 박막이 가장 좋은 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.
Ⅲ/Ⅴ족 Binary 질화물 반도체인 InN, GaN, AIN는 direct 밴드 갭을 형성하며 GaInN을 제외하면 서로 균일한 화합물을 만들 수 있다. GaInN의 경우 GaN과 InN 사이에 서로 불용성 갭이 존재하기 때문에 800℃에서 6%의 In만이 GaN에 균일하게 분포된 화합물을 형성할 수 있다.
고품질의 단결정 질화물 막을 성장하는 데는 기존의 Ⅲ/Ⅴ족 반도체 화합물과는 달리 여러 가지 문제점이 발생해 어려움이 따른다. 우선 고품질의 동종 기판(GaN, InN, AIN)이 존재하지 않는다는 점이다. 따라서 α-Al2O3, Si, SiC, ZnO, MgO, GaAs와 같은 이종 기판 위에 성장해야 하는데 결정 구조, 격자 상수, 열팽창 계수의 차이가 다르기 때문에 좋은 결정질 막을 얻기가 힘들었다. 이중 6H-SiC가 Wurtzite-GaN와 결정 구조, 격자 상수, 열팽창 계수의 측면에서 가장 유사하나 고가이기 때문에 이보다는 α-Al2O3가 널리 쓰이고 있는 실정이다.
또한 MOCVD를 사용한 기존의 Ⅲ/Ⅴ 화합물 반도체의 성장에 사용되는 유기 금속 원료(TMGa, TMIn, TBAs, TBP)나 하이브리드(AsH3, PH3)의 경우 400-700℃의 온도에서 효율적으로 분해되어 성장에 이용될 수 있지만 질화물질의 성장에 쓰이는 NH3의 경우 N-H의 결합력이 강력하기 때문에 Pre-cracking을 하지 않는 한 1000℃ 이상의 고온에서는 캐리어 개스의 흐름에 대류의 영향이 크기 때문에 챔버 내에서의 기체의 유동 역학의 조절을 위해서는 적절한 리액터 챔버 디자인이 필요하다.
일본 메이조 대학의 아카사키 그룹에 의한 새로운 성장 방법의 도입은 Ⅲ/Ⅴ족 질화물질의 성장에 전기를 마련한 계기라 할 수 있다. 이들은 GaN의 성장에 사파이어 기판을 사용했는데 GaN와 기판의 완충 역할을 해줄 수 있는 AIN 버퍼층을 상대적으로 낮은 온도(500℃ 정도)에서 성장한 후 고온(1000-105>0℃)에서 GaN를 성장하는 방법을 사용하여 백그라운드 도핑 수준과 이동도를 각각 n∼1017 ㎝-3와 400㎠/Vs으로 향상시켜 Ⅲ/Ⅴ족 질화물질을 이용한 소자의 접근을 가능하게 했다. 그 후 니치아에 의해 백그라운드 도핑 수준과 이동도가 n∼mid 1016㎝-3와 600㎠/Vs까지 증가하게 되었다.
도핑을 하지 않은 GaN 박막 특성의 향상과 더불어 n과 p타입 도핑에 관한 연구도 활발히 진행되었다. n타입 도펀트로는 SiH4나 SiH6가 쓰이며 도펀트의 유량에 따라 쉽게 직선적인 캐리어 도핑 농도를 얻을 수 있다.
초기 P타입 도펀트로는 기존의 Ⅲ/Ⅴ족에서 널리 쓰이고 있는 Zn가 사용되었으나 Zn는 GaN에서 deep acceptor level(∼340 meV)을 형성하기 때문에 효과적인 p타입 특성을 얻기 어렵다. 이후 shallow acceptor level(∼250 meV)을 이루는 Mg이 p타입 도펀트로 쓰이고 있다. 그러나 성장 직후의 p타입 GaN 박막은 hydrogen passivation으로 인해 p타입 특성을 나타내지 못하고 LEEBI(Low Energy Electron Beam Irradiation)나 thermal annealing 처리를 거쳐 Activation 시켜야 p타입 특성을 얻을 수 있다.
최근 p타입 GaN 성장시 리액터 챔버에 H2 대신에 N2를 사용함으로써 H에 의한 hydrogenation을 최소화하여 부수적인 열처리 과정을 생략할 수 있다는 보고와 고온의 열처리 과정 중 박막의 손상을 줄이기 위하여 상대적으로 저온(400℃ 이하)에서 UV 광원을 조사할 경우 효율적인 activation 효과를 얻을 수 있다는 방법 등이 보고되고 있다.
Ⅲ/Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 가시광 영역의 발광 다이오드 활성층으로는 InGaN이 쓰이고 있다. 이 경우 In의 조성에 따라서 밴드 갭 에너지가 결정되어 자외선에서 적색까지의 파장을 얻을 수 있게 된다. 그러나 실제 InGaN 성장은 GaN보다 더 까다롭다. 이는 InN의 증기압이 GaN의 증기압보다 높고, 불용성 갭이 존재하므로 평형 상태에서 In의 일정량 이상이 GaN와 균일한 화합물을 형성하지 못하기 때문이다. InGaN의 성장은 어떻게 성장 분위기를 잘 조절하느냐에 달려 있다. InGaN의 성장에 영향을 줄 수 있는 요소로는 성장 온도, 성장률, In Flow의 양, 리액터 챔버 유입 가스의 종류 및 총 유량, 리액터 압력 등이 있다.
Ⅲ/Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 초기의 발광 다이오드는 Zn와 Si이 활성층인 InGaN에 동시 도핑된 DH(Double Hetero) 구조로 되어 있다. 즉, 활성층에 도핑된 불순물의 D-A 리콤비네이션에 의해 빛의 발광을 유도하는 것이다. DH LED의 경우 EL 스펙트럼의 폭이 넓기 때문에 색상이 선명하지 못하고, In의 조성비가 높아질 경우 두꺼운 활성층의 성장이 어려워 녹색 LED의 제작은 쉽지가 않다. 따라서 이러한 DH 구조의 단점을 극복하고 광효율을 증가시키기 위하여 Quantum well 구조의 활성층이 질화물 반도체 LED에 도입되었다. Quantum well 구조의 LED에서는 InGaN Well이 GaN 혹은 InGaN barrier로 둘러싸이게 되며 다시 n 또는 p 타입 GaN 또는 AlGaN Clad 층의 구조로 제작된다.


5. 백색 LED의 기술동향

1) 백색 LED의 구현방법

현재 전세계적으로 활발하게 진행되고 있는 GaN 백색 LED의 제작 방법은 모두 네 가지로 나눌 수 있다. 단일 칩 형태의 방법으로 청색이나 혹은 UV LED 칩 위에 형광물질을 결합하여 백색을 얻는 각각의 방법과 멀티 칩 형태로 두 개나 혹은 세 개의 LED 칩을 서로 조합하여 백색을 얻는 두 가지 방법으로 각각 나뉘게 된다.
하나의 칩에 형광체를 접목시키는 방법은 1993년 후반에 들어 고휘도 청색 LED의 상용화가 이뤄짐에 따라 청색 LED를 여기 광원으로 사용하고, 여기광을 YAG(Yttrium Aluminum Garnet)의 노란색(560㎚)을 내는 형광물질을 통과시키는 형태의 백색 LED가 처음으로 등장하게 되었다. 백색 LED는 청색과 노란색의 파장 간격이 넓어서 색 분리로 인한 섬광효과를 일으키기 쉽다.
따라서 색 좌표가 동일한 백색 LED의 양산이 어려우며, 조명 광원에서 중요한 qust인 색온도와 연색성 평가지수(Color Rendering Index: CRI)의 조절도 매우 어렵다. 또한 주변온도에 따라 색 변환 현상이 치명적인 단점으로 되어 있다. 이에 따라 적색을 내는 형광물질을 첨가하여 발광 스펙트럼을 넓혀서 이러한 단점을 보완하고자 하는 시도도 있었으나 UV LED가 여기 광원으로 사용됨에 따라 단일 칩 방법으로 조명용 백색 LED 구현에 있어서 새로운 전기를 맞이하게 되었다.
이와 같은 방법은 전극 방전에 의해 254㎚ 혹은 185㎚의 자외선으로 형광등 램프의 구현하는 방법과 매우 비슷한 것으로서 UV LED 위에 RGB의 다층 형광물질을 도포하면, 백열전구와 같은 아주 넓은 파장 스펙트럼을 갖게 된다. 따라서 우수한 색 안정성을 확보할 수 있으며 색 온도와 연색성 평가지수를 어느 정도 마음대로 조절할 수 있어 조명용 LED 광원 구현을 위한 가장 우수한 방법으로 대두되고 있다.
멀티 칩으로 백색 LED를 구현하는 방법으로 처음 시도된 것은 RGB의 3개 칩을 조합하여 제작하는 것이다. 그러나 각각 칩마다 동작 전압의 불균일성, 주변 온도에 따라 각각의 칩의 출력이 변해 색 좌표가 달라지는 현상 등의 문제점을 보이고 있다. 따라서 백색 LED의 구현보다는 회로 구성을 통해 각각의 LED 밝기를 조절하여 다양한 색상의 연출을 필요로 하는 특수 조명 목적에 적합한 것으로 판단된다. 색 좌표란 1931년 국제조명위원회(CIE)에서 정한 등색함수에 따른 3색을 표시한 좌표로서 색광 혼합량으로 시료의 색을 표시할 수 있으므로 산업계에 광범위하게 보급되어 색을 표시하는 기준으로 사용하고 있다. CIE에서 표시된 백색 영역은 때로 사용 목적에 따라 좁게 표시되는 경우가 있다. 한 예로 미국 자동차 엔지니어협회(SAE)에서는 규정서 J578에서 자동차에 쓰이는 백색의 범위를 좁게 정의하고 있다.
최근에는 보색 관계를 갖는 2개의 LED를 결합하여 만드는 BCW(Binary Complementary) LED가 출현했다. 주황색과 청녹색을 4대 1의 비율로 섞으면 백색광이 되는데 주황색에서 적색까지의 발광색을 조절할 수 있는 InGaAIP LED의 경우 성능 지수가 100㏐/W를 초과함에 따라 현재 조합된 백색 LED의 조명 효율이 형광등과 가까운 정도이다. LED의 조명 효율이 빠른 속도로 높아지고 있는 추세에 비추어 몇 년 후면 형광등보다 높은 LED 조명등이 출현할 것이라 전망된다.

2) 조명용 LED의 주요기술

대표적인 백색광으로 태양광선을 들 수 있다. 태양광선의 파장에 따른 스펙트럼을 보면 가시광선 영역에서 연속적인 형태를 보인다. 백열전구가 가장 비슷한 형태를 취하고 있으며 형광등의 스펙트럼에서는 청색, 녹색, 적색쪽의 형광체가 여기된다. 조명용으로 사용되기 위한 백색 LED의 스펙트럼은 형광램프 또는 백열전구처럼 되어야 한다. 백열전구는 오래 켜 놓았을 경우 만질 수 없이 뜨거워진다. 이는 열선, 즉 눈에 보이지 않아 조명에 기여하지 못하는 적외선이 나올 뿐 아니라 전력이 낭비되어 조명 효율이 나쁘다는 것을 뜻한다. 실제로 입력 전력에 대해 가시광선 에너지의 변환율을 약 10%이고 적외선 방사는 약 70%를 보이고 있다. 백색 발광 다이오드의 효율은 가정용 조명기구로 널리 쓰이고 있는 백열전구에 비해 현재 2배 정도 높고 형광등보다는 3배 정도 낮다. 따라서 백색 LED가 조명용으로 사용되기 위해서는 많은 특성의 개선이 필요하다.
현재 상용화도니 백색 LED 칩 하나에서 나오는 광속이 20㎃에서 약 1.5∼2lumen 정도다. 일반 조명 시장에서 LED 조명이 사용되기 위해서는 100lumen 이상이 되어야 하는데 이를 위해서는 LED 칩 약 60개 정도의 조합이 필요하다. 가격경쟁력을 고려한다면 형광램프가 1cents/lumen 정도인데 반해 현재 백색 LED는 0.5$/lumen으로 약 50배 정도가 비싸다. 수명이 길고 전력 소모가 적어 유지보수비를 고려한다면 LED 조명이 경제적이지만 구입 가격이 너무 높으면 시장 진입에 어려움이 따른다. 기존 조명기구에 대해 백색 LED 전구가 가격경쟁력을 갖으려면 LED 칩의 수를 줄여야 하고 칩당 광출력도 높여야 한다. 칩의 광 출력을 높이기 위해서는 기존의 20㎃ 구동에서 탈피, 수백㎃의 높은 전류로 구동시켜야 하는데, 이때 방열 문제를 해결해야만 한다.
이밖에 LED 칩 구조, LED 기판 문제, 형광물질, 에폭시 등의 여러 가지 측면에서도 많은 개선이 이뤄져야 한다. 특히 몰딩시 사용하는 에폭시는 고출력 광에 의한 경화문제가 심각해 현재 상용화된 백색 LED의 수명을 단축시키는 가장 큰 원인 중 하나다. 따라서 단파장 및 고출력에 견딜 수 있는 에폭시의 연구도 상당히 중요하다.
조명용으로 백색 LED를 사용하기 위해서는 LED 백색광 질의 개선이 이뤄져야 하는데, 광질을 평가하는 데 있어 우선 상관 색 온도(CCT)와 연색성 평가지수(CRI)가 있다. 여기서 CCT는 조명 빛의 색이 고온의 고체에서 나오는 빛과 비교될 때 그 반도체 칩에서 나오는 빛의 속도를 상관시켜 표시한 것을 말한다. 이 온도가 높을수록 눈이 부시고 푸른 색을 띠는 백색이 된다. 백열전구처럼 따뜻한 느낌의 백색인 경우 CCT가 그 이상으로 높다. 현재 상용화된 백색 LED의 경우 약 6000K 정도로 상관 색온도가 높아서 일반 조명으로 사용하기에는 더욱 개선이 필요하다. CRI는 태양광을 물체에 비출 때를 기준(CRI=100)으로 인공 조명기구의 빛을 물체에 비출 때 15개 기준색상을 인지하는 정도를 나타낸 평가지수를 말한다. 현재 백열전구의 CRI는 80 이상이고 형광램프는 75 이상인데, 상용화된 백색 LED의 CRI는 대략 65∼75 정도를 나타낸다. 최근에는 청색 여기 광원의 파장을 미세하게 조절해 CRI 값이 80 정도까지 개선된 실정이다.
만일 LED를 오래 동작시키거나 동작 온도가 높아지면 출력의 감소가 이뤄지는데, 백색광을 이루고 있는 각 색깔의 LED 출력이 서로 다른 비율로 줄어들면 색 좌표가 달라져서 색 안정성에 문제가 생긴다. 따라서 CRI를 높이고, 색의 안정성을 확보하는 방법이 강구되어야 할 거서이다. 청색 LED에 노란색의 형광물질을 쓰는 것보다 적색을 첨가하여 사용하면 스펙트럼이 더 넓게 분포되고 CRI를 더 높일 수 있다고 한다. UV LED와 RGB 형광물질을 사용하는 것이 광질을 조절하기 위한 변수가 많기 때문에 반도체 조명을 이루기 위한 유리한 방법으로 각광받고 있다.
백색 LED 조명에서 조명 효율의 이론적 한계 값은 LED의 외부 양자 효율을 100%로 가정했을 때 CCT에 따라 다르지만 대략 300∼400㏐/W 정도다. 앞에서 언급한 바와 같이, 일부 주황색 AlGanInP LED에서의 에너지 변환 효율이 이미 50% 이상을 구현한 것과 같이 백색 LED에서의 에너지 변환 효율을 50%대로 올린다면 조명 효율이 200㏐/W 대의 꿈의 조명기구를 만들 수 있을 것이다.
LED 기술의 눈부신 발달로 10년마다 발광 효율이 30배씩 증가하였고, 반도체 기술의 발달로 칩 가격이 10년마다 10분의 1로 하락하고 있는 점을 고려하면 가까운 장래에 반도체 LED 일반 조명의 꿈이 실현될 것이다.
현재 백색 LED 조명 효율이 약 20∼30㏐/W로 일반 조명으로 사용하기에 필요한 100㏐/W 이상에는 부족하지만, 우선 태스크 라이팅, 백 라이팅, 데코레이션 라이팅 등과 같은 낮은 wattage급의 특수 조명에는 사용될 수 있다. 해를 거듭할수록 백색 발광 다이오드의 효율이 점차 증가하여 2005년 경에는 기존의 형광등과 비슷한 특성 및 효율을 나타내어 일반 조명용으로 대체될 수 있을 전망이다. 앞으로 10년 후에는 일반 조명에의 응용이 일반화되길 기대하고 있지만 반도체 기술의 개발 노력 정도에 따라 일반 조명에서의 응용 계획이 크게 앞당겨질 가능성도 있다.