View
217
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
2009. 11. 17
백종협
LED 소자팀장
한국광기술원
2009. 11. 17
백종협
LED 소자팀장
한국광기술원
LED 광원기술 동향과 전망LED 광원기술 동향과 전망
2009. 11. 17
백종협
LED 소자팀장
한국광기술원
2009. 11. 17
백종협
LED 소자팀장
한국광기술원
Korea Photonics Technology Institute(KOPTI)
LED 응용분야의 확장
• 일반조명• 수송기기• 건축/도로• Task light• BLU
고효율 백색 광원 Full color 제어
• Sign/Display• BLU • 인지/감성조명• 농수산업용(재배/양식)
Ø 조명/디스플레이 à 의료, 환경, 통신, 농수산업으로 확장
KOPTI3/38
• 일반조명• 수송기기• 건축/도로• Task light• BLU
Wide bandgap(UV) 변조기능
• Sign/Display• BLU • 인지/감성조명• 농수산업용(재배/양식)
• 적외선통신(IrDA)• 가시광/조명 통신(VLC)• Covert communication
• 살균/정화/촉매• DNA 센서• 위폐감지• 고분자 Curing• Body treatment
국내 LED 산업현황
Ø 칩 2.8%, 패키지 7.7%, 응용/조명 62%, 장비 4,4%LED LED 기업현황기업현황LED LED 기업현황기업현황
삼성전자,LG전자…
Mobile Phone
삼성전자LGD
LCD
Automotive
SEMCO, LGIT,SSC, 루멘스
Key Pad
삼성전기, LG전자, 희성전자
LCD Panel
Car Lighting
서울반도체, 삼성LED,LGIT, 루미마이크로,알티전자, 루멘스, 목산전자, 럭스피아, 에이프로, 알티반도체
LED PKG
삼성LED, LGIT우리ETI
LED BLU 삼익전자, 대한전광,
한국전광
LED Display
삼성LED, LGIT, 에피밸리,갤럭시아포토닉스서울옵토디바이스더리즈, 나이넥스,
웨이브스퀘어, 우리LST
LED Chip, Epi
하이쏠라, 포스포티티엠, 크리스탈온,일진디스플레이
LED 部品素材
40 30
457 Companies(’08)
탑, 주성, IPS, ADP, 세메스, QMC…
LED Equipment
20
KOPTI4/38
현대, 기아,대우, 삼성
Automotive
현대, 대우조선
Ship Building
GS, 현대, 삼성,금호, 대우 …
Construction
SLC, CTL인희라이팅
Car Lighting
대양전기, STX조선삼성중공업,현대중공업
Ship Lighting
서울반도체, 삼성LED,LGIT, 루미마이크로,알티전자, 루멘스, 목산전자, 럭스피아, 에이프로, 알티반도체
금호전기, 대진디엠피LED라이텍, 갤럭시아, KDT, 아토디스플레이,
알에프텍, 남영전구, 화우
LED Lighting
알토조명, 이상C&C, 하모니칼라시스템
Lighting Design
삼성LED, LGIT, 에피밸리,갤럭시아포토닉스서울옵토디바이스더리즈, 나이넥스,
웨이브스퀘어, 우리LST
하이쏠라, 포스포티티엠, 크리스탈온,일진디스플레이
금호, …
Electric Facil.
261335
10
283
삼성라이텍,대양, 삼명
Marine
메디아나
Medical
광전자, 고덴시
Environment
LG, 삼성,대우
Home Elec.
삼성, 금호,네옵텍
Commun.
루미컴, 원광전자
Agriculture
LG, 삼성,대우
Military
0
200
400
600
800
1000
1200
Nichia OsramOpto
StanleyElectric
PhilipsLumileds
Citizen Cree SeoulSemi
Everlight Rhom AvagoTech
Revenue(M$)
21.6%
LED 광원 Market Share (공급자 기준)
일본: 44.1% 대만: 15.2%미국: 15.1%독일: 11%한국: 9.9%
세계 LED 광원시장 점유율
Global top 10Global top 10Global top 10Global top 10
KOPTI5/38
0
200
400
600
800
1000
1200
Nichia OsramOpto
StanleyElectric
PhilipsLumileds
Citizen Cree SeoulSemi
Everlight Rhom AvagoTech
10.6%
5.9% 5.8% 5.2% 5.0%4.4% 4.1% 4.0% 3.7%
출처: “HB LED Market Review and Forecast”,Strategies Unlimited(2009. 8)
일 독 일 미 일 미 한 대만 일 미
LED 광원시장
LED LED 광원시장의광원시장의 성장성장LED LED 광원시장의광원시장의 성장성장
KOPTI6/38
출처: Strategies unlimited (2009.2)
6.2배
LED 광원산업 전망
80.0
100.0
120.0
140.0OthersIlluminationSignalAutomotive(Display)Sign/(Display)other mobilemobile appliance
KOPTI 예측
억$
N-PC, TV
조명?
KOPTI7/38출처: Strategies Unlimited (2009.2)
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13
휴대폰
N-PC, TV
선진기업의 합종연횡
Honeywell
JV
Phosphor OnlyRohm
Lite On
Everlight
SEMCO
Harvatek
Ya Hsin
VishaySumitomo(Japanese Dist)
Kingbright
UCSB
UCNC
CitizensElectronics
Sony (LD)
LaserDiode
MitsubishiChemical
Pending Lawsuit
NamatoField of Use Limited Tridonic
Atco
KOPTI9/38
CurrentPatent Dispute
Source: Canaccord Adams Research
OEMAgreement
Lexedis
JV
DominantBridgeLux
ToyodaGoseiOSRAMNichiaLumileds CREE
OptoTech
CurrentPatent Dispute
Seoul Semi Toshiba
Vishay
Lednium
PhosphorLicense
IP Free Industry Alliance
Patentspermission
License
Sumitomo(Japanese Dist)
License
OEM Agreement
CurrentPatent Dispute
Epistar
AOT
LumiMicro
Unity Opto
Itswell
Edison Opto
ProLight
Sumitomo
KingbrightIntematix
*
PSS
P-roughening
VLED
Nano
TCO
TFFC
Shaping
Technology Fusion
LumiledsSemileds
HWLP
LED 광원기술의 혁신
KOPTI11/38
1990 2000 2005 2010
TM
Cree
OSRAM
Semileds
Lumileds
광효율(lm
/w)
60
70
80
90
100
400W 수은등
70W 메탈 할라이드
40W 형광등
16W 저압 나트륨등
R&D 적색 LED (HP, 2000)
백색 LED, cool white (2009)
:249 lm/W 니치아 R&D (small chip)
:150 lm/W 루미레드 R&D (large chip)
:100 lm/W 상용제품 (large chip)
LED 성능발전
G
R
White
KOPTI12/38
Year
광효율(lm
/w)
0
10
30
20
40
50
1960 1970 1980 1990 2000
에디슨의 백열등
60W 백열등
30W 할로겐등
LED
2010
B
Y
G
광원의 이론적 성능
Calculation from ∫I(l)KmV(l)S(l)dl
KmV(l): Spectral luminous efficacy(683lm/W @ l=555nm)
S(l): Stoke Loss (Phosphor)
I(l): Spectrum intensity
∫I(l)dl = 1W, if WPE is 100%
이론 최대치
2009년에 300 lm/W로 수정발표
KOPTI13/38
형광등154 lm/W
UV 기반 백색 LED203 lm/W
청색 LED 기반 백색 LED263 lm/W
Nichia, ICNS 2007 (Las Vegas, 2007. 9.)
이론 최대치
150 lm/W100%
약 60%
LED칩패키지손실
AC/DC전원손실
제어회로손실
15-30% 1-5%10-20% 10-15%
25-50%
85 lm/W
최종 효율
LED 조명효율 손실
LED LED 조명기구조명기구 손실손실 흐름도흐름도LED LED 조명기구조명기구 손실손실 흐름도흐름도
KOPTI14/38
약 60%AC/DC전원손실
제어회로손실 광원모듈
온도상승손실 등기구손실
10-15%25-50%
연색성손실
칩효율향상
반도체 IC화→ Driver IC, 지능형 정전류제어
> 80%고방열 패키지→ HWLP
등기구설계저손실재료
고급 조명콘텐츠→ 심리/생리,감성이미지, S/W
고성능화저가화
고신뢰화를위한
기술개발
고방열 재료→ Heat Spreader
고방열 재료→ Heat Spreader
신뢰성평가, 고장분석고효율기자재 인증
형광체개발
e- injection
internal
extraction hnLED
LED 칩의 효율
LED LED 칩의칩의 광광 손실손실 흐름도흐름도LED LED 칩의칩의 광광 손실손실 흐름도흐름도
1120 mW(0.35A, 3.2V)
1020 mW(0.35A, 2.9V)
선진사 현재 최고수준 Chip 성능의 한계
hinjection 84% à 93%
외부양자효율
100 %
KOPTI15/38
941 mW
678 mW
508 mW(45%)
hinjection 84% à 93%
hinternal 72% à 90%
hextraction 75% à 90%
949 mW
854 mW
769 mW(75%)
Loss: 55% Loss: 25%
최종효율 45%
현재수준의 1.6배까지 상승 가능
Ø p-GaN rougheningØ Chip shaping Ø LED on patterned sapphire substrateØ Vertical chipØ Photonic crystal
칩공정 (추출효율), Extraction efficiency
고휘도 LED 칩 기술개발 이슈
KOPTI16/38
Ø n-GaN, n-face 오믹(수직형 LED) Ø p-GaN doping profileØ 전극 geometryØ 나노구조 오믹 (PC LED, SP LED)
Ø Micro/Nano structureØ Patterned substrateØ Lateral overgrowthØ Homo epitaxyØ Non-polar epiØ Surface plasmon
에피(내부양자효율), Internal quantum efficiency 오믹전극(Injection efficiency)
고효율 LED
qC 전반사
Photon
부분반사
8% 11%
epoxy
PackageChip탈출콘
광추출효율
KOPTI17/38
ns n0
qC = Sin-1(no/ns)
= 24o (공기, no=1)
= 37o (봉지재, no=1.5)
ns = LED 굴절율(2.5)
no = Ambient 굴절율
LED chip
2
22
2
41
41
211
21
s
oc
c
source
escapec n
nPP
==úúû
ù
êêë
é÷÷ø
öççè
æ--»= qqh
: Extraction efficiencych
Photon
고굴절율 봉지재
StandardStandard ThinGaNThinGaNNOTANOTAATONATON
SiC
SiC
SiCCarrier W/F
Mirrorcontact
Shaping Flip chip Vertical
SiC based LED chipSiC based LED chipSiC based LED chipSiC based LED chip
Standard
광추출효율 개선 기술
KOPTI18/38
SiCSiCCarrier W/F
Mirrorcontact
ηextract = 25% 52% 60% 75%
+200%+200% +240%+240% +300%+300%+300%+300%Osram optosemiconductor
Absorbing substrate Transparent substrate Thick window layer
기판본딩재성장
광추출효율 개선 기술
KOPTI19/38
DBR (Distributed Bragg Reflector) ODR (Omnidirectional Reflector)
Metal
(large k)
Dielectric
(low n)Micro contact
l/4n
Conductive substrate
LED 에너지효율
열70%~60%
가시광30%~40%
LED (80~100lm/W)
가시광5%
열12%
적외선83%
100 W 백열전구(15lm/W)
KOPTI20/38
LED (80~100lm/W)
• 백열전구는 대부분 열과 적외선 방사로 에너지 방출
• LED는 열과 빛으로 에너지 방출
• 빛 에너지의 효율이 높을수록 방열설계 용이
100 W 백열전구(15lm/W)
Sapphire
n(-) 전극
YAG
n-GaN
p-GaN
MQW Active
본딩(+)전극
Ni/Au (+)투명전극
MQW Active
Reflector
n(-) 전극
n-GaN
p-GaN
Receptor wafer
Horizontal vs. VerticalHorizontal vs. VerticalHorizontal vs. VerticalHorizontal vs. Vertical
고효율 LED 기술
KOPTI21/38
• Lower Vf
• Better Thermal Conductance• No current crowding• No TCL needed• Larger Active Area• Complex manufacturing
• Proven Reliability• Current crowding• TCL needed• Isolated Substrate• Low Cost Manufacturing
• “Vertical” Technology• Emerging
• “Lateral” Technology• Traditional
Sapphirep(+) 전극
Receptor wafer
Die on Ceramic Sapphire
고효율 LED 기술
Thin film flip chip (TFFC) Thin film flip chip (TFFC) 공정공정Thin film flip chip (TFFC) Thin film flip chip (TFFC) 공정공정
KOPTI22/38
Lift-offRoughening Etch
Curing
Lumileds (2007)
150lm/W @ 350mA (2009)
나노구조 LED
Ø 에피기술(IQE) Ø 나노 구조(Extraction)
• 광자결정(PC)
• Surface Plasmon(IQE)
• Nano texture
• 나노결정, QD
활성층 (발광층)
• 양자우물층 (QW)
• 양자점 (QD)
• Delta doping• 광자결정(PC)
• Surface Plasmon(IQE)
• 나노패턴
KOPTI23/38
Nano patterned substrate
Substrate• Buffer on patterned
surface
• 광자결정(PC)
• Surface Plasmon(IQE)
• 나노패턴
§ MOCVD § MBE § Nano imprinting
§ Laser interference litho.§ Nanosphere litho.§ Anodic oxidation
나노공정에피성장
Laser hologram litho. Nano imprinting
나노구조 LED 공정
KOPTI24/38
Laser hologram litho.
0 10 20 30 40 50 60 70 800
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Optic
al Po
wer [
arb.
uni
t]
Current [mA]
Nano patterned LED Conventional LED
KOPTI 2008
Nano imprinting
일본특허 공개 2004-006582 (2004.01.08)출원인: Sakai Shiro (Nitride Semiconductor Co Ltd.)출원년도 2002년 8월 29일
• 60Hz의 주파수로 교대 작동되므로
연속발광체로 보임
• 절반은 작동하지 않아서 효율의 감소가 불가피
AC (alternative current) LED
KOPTI25/38
32: metal pad28: metal wiring
+
+
-
-
칩 패키징 기술
Single package array
고출력, 저비용
고출력고방열
KOPTI26/38
Multi chip single package(4 in 1)
Multi chip arrayed package저전력, 고출력, 저비용
고출력, 저비용
(a)(a)
고방열, 저비용
Wafer level packaging
각국의 LED 기술수준
백색 LED(discrete pkg) 기준250
200
150
100
50
0
Effic
acy
(lm/W
)
R&D record (small)
Cree
Nichia, ProductNichia, R&D
21stC Lightingin Japan
Korea, Product
OIDA(2007)USA
Korea, NTRM Change ?
Osram
Osram, LabKorea, Lab
Lumileds, Lab
Cree, R&D
KOPTI27/38
2000 2005 2010 2015
250
200
150
100
50
0
Effic
acy
(lm/W
)
Nichia
□ : ‘21st century Lighting’ in Japan : 70lm/W(2005), 120 lm/W(2010)△ : OIDA : Optoelectronics Industry Development Association, 2002
Lumileds
Korea, Product (100 lm/W)
Nichia, Product
Osram
*
LED 조명의 효과
조명 제어의 유용성
- 인지/감성: 광색/색온도/광출력 인공지능 제어- 단순 조명에서 기능조명: 능동적 기능
첨단기술과의 융합 ⇒ 스마트 조명
- 반도체 회로기술 : 디지털 컨버전스- 미래 에너지원과의 결합 : 태양광 LED
- 조명통신(VLC) : 유비쿼터스 조명
에너지절감 효과
- ’15년 1.6조원/년 전기세 절감(30% LED 대체시)
- 수입원유 7% 절감, 대형 원자력발전소 2기 발전량 절감
친환경 효과
- CO2 발생량 절감 [교또기후협약 규제회피] - 무수은 광원 [RoHS, WEEE 규제 회피]
KOPTI29/38
조명 제어의 유용성
- 인지/감성: 광색/색온도/광출력 인공지능 제어- 단순 조명에서 기능조명: 능동적 기능
첨단기술과의 융합 ⇒ 스마트 조명
- 반도체 회로기술 : 디지털 컨버전스- 미래 에너지원과의 결합 : 태양광 LED
- 조명통신(VLC) : 유비쿼터스 조명
에너지절감 효과
- ’15년 1.6조원/년 전기세 절감(30% LED 대체시)
- 수입원유 7% 절감, 대형 원자력발전소 2기 발전량 절감
친환경 효과
- CO2 발생량 절감 [교또기후협약 규제회피] - 무수은 광원 [RoHS, WEEE 규제 회피]
조명산업 전망
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
조명광원조명광원 M/S M/S 전망전망조명광원조명광원 M/S M/S 전망전망
KOPTI30/38
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
SSL device
형광등백열등/기타
OIDA(2007)
LED 조명개발 트렌드
KOPTI32/38
(미래)
친친 환경환경, , 친친 인간인간산업융합 기능
(의료, 감성, 바이오..)+
효율, 디자인, 기타
가격대비가격대비 성능성능($/lm) ($/lm) 중시중시
(현재)
기능기능 중시중시
(Past)
(과거)
제도개선보급정책
LED조명
LED 시장환경 구축
LED조명 대중화
LED 조명산업 시나리오
KOPTI33/38
LED 광원 구동회로 방열기술
조명기구효율향상
LED조명전문
디자인
표준화규격제정
융합기술인력양성
제도개선보급정책
LED모듈
LED 조명기구
LED 시장환경 구축
20
25
LED
TV
Shar
e (%
)40 %
2009 Forecast
30
20 %
LED BLU TV 수요급증
KOPTI34/38
Year
5
10
15
LED
TV
Shar
e (%
)
2007 2008 20100
2008 Forecast
2007 Forecast
2009 2011 2012
출처 : Economic Review (2009)
2.6 %
LED BLU 칩
직하형 Wedge형
(N-PC)
Flat형
(모니터, TV)
KOPTI35/38
직하형 Wedge형
(N-PC)
Flat형
(모니터, TV)
칩 사이즈 Middle, small Middle
Efficiency (lm/W) 30-45 60~100
Color Gamut (NTSC) >100% <100%
Color Mixing Difficult OK
Adjustable White Point Yes No
Control Circuit Complicated Simple
근자외선 건조기 (1,300 nm)가시광 통신 (450 ~ 650 nm)
380nm 460nm 520nm 590nm 660nm 760nm ~ 1550nm
UV NIR
InGaAlP/GaAsAlGAs/GaAs
AlGaAs/GaAsINGaAs/GaAsInGaAsP/InP
RCLED (650 nm)
GaN/Al2O3
GaN/SiC
질화물계 LED 비질화물계 LED
LED 응용분야 전망-비질화물계 LED
KOPTI36/38
Auto focusing (AF) LED (700nm)RGB module (610~650 nm)IrDA (850~1550nm)
문화예술
블루투스
100
200
UV C
Wavelength [nm]
Sterilizer
Partially realized Not realized
UV knife
Mercury & Metal Halide lamp for UV light sources
USD 10B(광원만), 2005년 춘계 물리학회 박윤수 교수발표
LED 응용분야 전망-자외선 LED
KOPTI37/38
400
320
280
Visible
UV A
UV B
Dental curing Discriminate
bills
Gas decomposer
Treatment ofskin disease
DNA analyzer
Molecular tweezers
http://www.jst.go.jp/pr/info/info270/index.html
Sensor PurifierCovert
communication
LED 산업전망
Driven by peopleDriven by peopleDriven by peopleDriven by people
Ø 7 billion people
> 50 billion 조명등
> 1 billion 휴대폰
> 100 million LCD TV
> 100 million 노트북
> 75 million 자동차
KOPTI38/38
Ø 7 billion people
> 50 billion 조명등
> 1 billion 휴대폰
> 100 million LCD TV
> 100 million 노트북
> 75 million 자동차
Recommended