질화물 반도체 기반 자외선광원 기술동향

Trends of UV Light Sources Based on Nitride Semiconductor

저자
김성복, 임영안 / 광무선융합플랫폼연구실
권호
30권 6호 (통권 156)
논문구분
ICT 부품소재 기술동향 특집
페이지
42-49
발행일자
2015.12.01
DOI
10.22648/ETRI.2015.J.300605
초록
질화물 반도체 기반 가시광 청색 Light Emitting Diode(LED) 기술은 디스플레이의 Back Light Unit(BLU)뿐 아니라 일반 조명에 활용되며 우리 실생활에서 매우 밀접하게 사용하고 있다. 가시광보다 짧은 파장을 가지는 자외선 LED의 경우 경화기 및 위폐감지기에 기존의 유해 가스를 사용하는 자외선 램프를 대체하고 있다. 자외선광원의 또 다른 거대 시장으로 살균 및 정화, 의료 및 바이오 응용 시장에서 자외선 램프를 대체할 수 있는 자외선 LED 기술이 활발히 발전하고 있다. 본고에서는 이들 자외선광원 시장동향과 국내외 자외선 LED의 기술동향을 파악하므로 앞으로 연구개발의 방향을 모색하고자 한다.
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Ⅰ. 머리말

자외선은 가시광의 보라색보다 짧은 100~400nm의 파장을 가지는 전자기파로 아래 (그림 1)에서 보는 바와 같이 X선과 가시광선 사이에 위치한다. 자외선은 파장에 따라 UV-A(315~400nm), UV-B(280~315nm), UV-C(200~280nm) 및 vacuum UV(100~200nm)로 구분된다. 태양 빛에서 나오는 자외선 대부분은 지구의 대기에 흡수되거나 산란, 반사되고 UV-B일부와 UV-A만 지상에 도달하여 인체에서 비타민 D를 합성하거나, 살갗을 태워 화상의 원인이 되기도 한다.

(그림 1)

파장에 따른 전자기파 스펙트럼 구분

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자외선은 고분자의 결합을 바꿀 수 있는 에너지를 가지고 있어 산업적으로 경화기에 활용되고, 위폐감지기, 태닝(tanning), 광촉매를 활용한 공기정화기, 의료기기 및 살균, 정화 등 그 쓰임의 폭이 매우 넓다.

지금까지는 인공적으로 자외선 광을 내기 위해 수은이나 제논 가스를 램프에 봉입하거나 할로겐 화합물을 봉입하여 사용하는 수은 램프, 제논 램프, 메탈할라이드 램프 등을 사용하였다. 그러나 이들 램프는 크기가 크고, 수은 등 유해가스를 사용하며, 수명이 짧은 단점이 있다.

질화물 반도체 기술이 발전하면서[1], 일부 자외선광원 시장이 자외선램프에서 자외선 Light Emitting Diode(LED) 반도체 광원으로 대체되고 있다. 특히 365nm 이상의 영역에서 고효율 자외선 LED가 개발됨에 따라 이들 파장을 활용하는 위폐감지기, 광 촉매를 활용한 공기청정기, 일부 경화기에 빠르게 자외선 LED로 시장이 옮겨가고 있다. 반면 자외선광원의 또 다른 거대 시장인 UV-C 파장을 이용한 살균 및 정화 시장에는 반도체 자외선광원 기술의 미성숙으로 아직 진입이 미미한 수준에 미치고 있다. 자외선 LED의 독특한 특성인 자유로운 디자인, 유해물질을 사용하지 않는 친환경 광원, 장수명, 저가로 구동회로 구성할 수 있으며, 지속적인 반도체 자외선 LED 기술의 발전으로 자외선 전 영역에서 자외선 LED로 대체될 것으로 기대된다.

본고에서는 자외선광원 시장 및 질화물 반도체 기반의 자외선광원의 침투 가능성 및 기술동향에 대하여 알아보고자 한다.

II. 자외선광원 시장전망

자외선광원 시장은 크게 자외선램프 시장과 자외선LED 시장으로 구분된다. 자외선광원은 전형적인 중소기업 적합 업종으로 2014년도 전체 자외선광원 시장은 $475.6M 규모이다. 경화기, 살균 및 정수, 태닝 및 분석 장비 시장 순으로 구성된다. 이 중 자외선 LED 시장은 $90.9M로 전체 자외선광원 시장의 19.1%의 비율을 차지하며 대부분 경화기 시장이 차지한다. 2019년에는 자외선광원 전체 시장은 $1,210.7M로 확대될 것으로 기대된다. 이 중 자외선램프시장은 연평균 성장률이 13%에 그치지만, 자외선 LED의 경우 40% 이상의 연평균 성장률을 가지고 고속 성장하여 $501.5M의 시장이 형성되어 전체 자외선광원 시장의 41.4%를 차지할 것으로 예상된다[2][(그림 2) 참조].

(그림 2)

자외선광원의 시장전망

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<출처>:Yole Développment, “UV LEDs: Technology, Manufacturing and Application Trends,ȍMarket & Technology Reports, 2014. 재구성

특히 UV-C LED 기술의 발전에 따라 수 처리 및 공기 살균 및 정화 분야에서 LED의 채택이 늘어남에 따라 연평균 성장률이 270%에 달할 것으로 예상되어, 2010년 이후 경화기 시장에 자외선 LED가 적용되어 호황을 이룬 이후 2차 호황기를 맞을 것으로 기대하고 있다. 또한, 3D 프린터 시장의 확대 및 LED 고유 특성을 활용하여 고연색성 조명, 바이오/메디칼 응용, 반도체 공정, 핸드폰 살균 적용 등 새로운 시장을 창출할 경우 2019년도에는 예상보다 15% 가까이 증가한 $572.5M로 자외선 LED 시장이 확대될 것으로 긍정적으로 예측된다[(그림 3) 참조].

(그림 3)

자외선 LED 시장 규모 및 전망

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<출처>:Yole Développment, “UV LEDs: Technology, Manufacturing and Application Trends,ȍMarket & Technology Reports, 2014. 재구성

III. 국내외 기술동향

1. 반도체 기반 자외선광원 기술

1993년 나카무라1)에 의해 고효율 GaN 기반 청색 LED가 개발된 이후[3], 질화물 기반의 LED 개발이 급속한 발전을 이루었다. 초창기 휴대폰 키패드 및 교통신호등에 적용되던 LED는 액정 디스플레이의 Back Light Unit(BLU)에 적용되며 폭발적인 성장을 하여 최근에는 일반조명 시장에 진입하였다[4].

자외선 LED 기술 분야에서는 크게 GaN 에너지띠 간격(EgGaN = 3.4 eV,~365nm)에 의해 두 부분으로 나뉜다. 즉, GaN 에너지띠 간격보다 작은 365nm 이상의 자외선 파장의 LED 기술과 GaN 에너지띠 간격보다 큰 365nm 이하의 자외선 파장의 LED 기술로 나뉜다. 현재까지 GaN 기반이 반도체 성장 기술인 사파이어 기판 위에 저결함 GaN 성장 기술 및 p-GaN, n-GaN 도우핑 기술의 비약적인 발전으로 365nm 이상의 자외선 파장 영역에서의 고효율 자외선 LED 기술은 확보되었다. 그러나 365nm 이하의 자외선 LED의 경우 생성된 자외선 빛이 GaN에서 흡수되므로 GaN 물질을 사용할 수 없고 보다 에너지띠 간격이 큰 AlGaN나 AlN 물질을 사용하여야 한다. 사파이어 기판 위에 Al(Ga)N을 성장하는 기술, p-Al(Ga)N 성장 기술의 난점으로 인하여 고효율의 365nm 이하 자외선 LED 제작에 어려움이 있다. 특히 UV-C 자외선 LED의 경우, AlN 기판을 사용하거나 고품질의 AlN 템플릿을 사용하여야 하나 아직 이들 기술이 성숙되지 않아 걸림돌이 되고 있다. 따라서 전반적인 주변 기술과 함께 발전하여야 UV-C 영역에서의 자외선 LED 기술이 적용될 것으로 예상하며, 2017년 이후에 시장에 진입할 수 있을 것으로 예측된다.

현재 380nm~400nm의 자외선 LED는 기술이 성숙하여 경화기, 위폐감지기 및 광촉매를 이용한 공기정화기 등에 사용되고 있다. 그러나 백반증 및 건선 치료에 사용되는 의료용 310nm 자외선 LED나, 살균 및 정화용으로 쓰이는 280nm 이하의 고효율 자외선 LED는 아직 기술이 성숙되지 않아 많은 기업에서 연구개발에 집중하고 있다.

시장전망에서 알아본 바와 같이 잠재적인 자외선 LED 거대 시장은 의료/바이오, 살균 및 정화 시장으로 저가격 고효율의 UV-B 및 UV-C LED 기술개발이 시급히 필요하다.

2. 국내 자외선 LED 기술개발 동향

GaN 성장 기술을 기반으로 365nm 이상의 UV-A 자외선 LED 기술은 기존의 잘 확립된 청색 LED 기술과 유사한 기술로 연구기관, 대학 등에서 기초 연구를 진행했으며, 국내 중소기업인 서울바이오시스 및 소프트에피와 세미콘라이트에서 생산하고 있다. 이들 제품은 자외선 경화기 및 미용용 매니큐어 경화기 등의 제품에 적용되고 있다.

수처리 및 살균용 UV-C LED(~280nm)의 경우, 기술적 난이도 및 고가의 고온 성장 장비가 필요하여 중소기업에서 개발에 참여하고 있지 못한 실정이다. 국내에선 유일하게 LG이노텍에서 기술개발을 하고 있으나, 세계적인 수준까지는 미치지 못해 아직 시장에 진입하고 있지 못한 실정이다. 자외선 센서의 경우, ㈜제니컴에서 UV-A, UV-B 및 UV-C 제품을 출시하고 있다.

3. 국외 자외선 LED 기술개발 동향

일본의 니치아사는 질화물 LED를 최초로 상용화에 성공했을 뿐 아니라 가장 우수한 기술을 확보하고 있다. 365nm 이상의 자외선 LED 분야에서도 가장 우수한 성능의 LED를 출시하고 있으며, 가장 높은 시장을 점유하고 있다. 니치아사는 365, 385, 395, 405nm의 자외선 파장 대역의 LED를 생산하고 있으며, 1A 구동 시 1W 이상의 출력을 가지는 LED를 생산하고 있다.

365nm 이하의 자외선 LED의 경우, 대학 및 연구소,벤처기업을 중심으로 연구개발이 이루어졌다. 일본의 메이조 대학과 나고야 대학 RIKEN 연구소에서 자외선 LED 연구가 많이 진행되었으며, 업체로는 Nikkiso(UV craftory), Dowa, Nitride Semiconductor사에서 제품을 출시하고 있다. 미국에서는 예일대학, 조지아텍, RPI 등 대학에서 활발히 연구되었으며, SETi, Crystal-IS, Hexatech, Nitek 등 벤처기업뿐 아니라 대기업인 LumiLEDs도 UV-C LED 개발에 참여하고 있다. 대만의 경우, 에피스타, 제네시스포토닉스, 세미레즈등 업체에서 자외선 LED를 개발하고 있으며, 중국은 정부의 적극적인 지원으로 많은 업체가 자외선 LED를 개발하고 있다.

(그림 4)

전 세계의 자외선 LED 생산업체

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(그림 4)는 전 세계에서 자외선 LED 칩을 생산하거나 패키지하는 업체를 도식적으로 나타냈다. 자외선 LED 시장이 크지 않아 대기업에서 진출을 꺼렸으나, 살균 및 정화용 UV-C LED의 시장확대와 고부가 가치성 때문에 LG이노텍과 LumiLEDs와 같은 대기업이 새롭게 개발에 참여한 것이 이채롭다

UV-C LED 기술은 2012년 SETi사에서 기존의 자외선 LED 성능보다 5배 이상의 성능을 구현하면서 기술적 도약을 이루었다[5]. Shatalov 등은 AlN 템플릿과 Migration-Enhanced Metalorganic Chemical Vapor Deposition(MEMOCVD) 성장 기법을 이용하여 활성층의 관통결함밀도를 2×108/cm2로 획기적으로 낮추어 내부양자효율을 50% 이상 높이고, p-AlGaN 층을 최적화하여 자외선 투과도를 5%에서 60% 증가시킴으로 11%의 외부양자효율을 가지는 UV-C LED를 제작하였다[6]. 이러한 결과는 15% 효율의 UV-C 수은램프와 비견할 만한 값으로 자외선램프를 대체할 수 있는 기술이다. 또한, 일본 RIKEN 연구소의 Hirayama 그룹에서는 pulsed-flow 방식 및 p-AlGaN층에 다층양자장벽구조를 이용하여 전류 주입효율을 높이는 방법을 이용하여 고효율의 UV-C 자외선 LED를 개발하였다[7]. Amano교수가 기술 고문으로 있는 UV craftory사에서도 2014년에 외부양자효율이 10%가 넘는 결과를 발표하였다[8].

(그림 5)

고효율 자외선 LED 제작을 위한 필요기술(RIKEN 연구소)

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(그림 5)는 RIKEN 연구소에서 제안한 고효율 자외선 LED 제작을 위한 필요기술로써 ① 관통전위밀도를 낮추어 내부양자효율을 증대시기는 기술, ② p-AlGaN 층의 홀 농도를 증가시켜 전류 주입 효율을 높이는 기술, ③ 흡수되는 자외선을 최소화하여 광추출효율을 높이는 기술개발을 통하여 발전될 것으로 제안하였다.

시장 확장성이 큰 UV-C 자외선 LED 개발에 대하여 국내외 각 연구기관 및 기업에서 경쟁력 확보를 위한 기술개발이 치열하게 이루어지고 있다. 국내에서도 이 분야에 대한 정부의 적극적이고 체계적인 지원과 산-학-연의 연구역량 집중을 통한 기술개발에 박차를 가할 필요가 있다.

4. 자외선 레이저 다이오드(LD) 개발 현황

2000년대 초반 광저장 장치 Blu-ray의 광 픽업용 레이저로 405nm의 청자색 레이저 다이오드가 상용화되면서 GaN 기반의 레이저 다이오드에 대한 연구가 소니, 니치아, 삼성 등에서 활발히 이루어졌으나[9]-[11]. 플래시 메모리의 등장으로 Blu-ray가 시장에서 사라지면서 청자색 레이저 다이오드 연구도 많이 위축되었다.

보다 짧은 자외선 파장의 레이저 다이오드 제작을 위해서는 AlGaN 기반의 성장이 필수적이다. 그러나 AlGaN과 GaN 사이의 격자부정합에 의해 격자결함이 발생하며, 임계두께 이상 두께로 성장할 때 크랙이 발생하는 치명적인 문제로 365nm 이하의 Laser Diode(LD) 제작에 어려움이 있었다. 자외선 LD 연구는 일본 메이조 대학의 Akasaki와 Amano 연구그룹 및 Hamama-tsu사와 러시아 Ioffe연구소의 Jmerik 그룹이 주도하고 있다.

Jmerik 그룹에서는 plasma-assist Molecular Beam Epitaxy(MBE) 성장법을 이용하여 자외선 LD를 제작하였다[12]. AlGaN과 GaN 사이의 스트레인을 완화하기 위하여, 사파이어 기판 위에 AlN를 성장한 후, AlN/Al0.9GaN 초격자 구조를 30쌍 성장하여 관통결함밀도를 낮춰 LD를 제작하였다. 303nm 파장의 자외선 LD는 상온에서 광펌핑을 통하여 발진하였다.

Meijo 대학의 Akasaki 및 Amano 연구그룹은 그루브로 식각한 GaN 템플릿에 hetero-ELO 성장법을 사용하여 크랙이 없고 결함 밀도를 2×107/cm2로 획기적으로 낮추어 350.9nm 파장을 가지는 자외선 LD를 제작하였다. 이는 처음으로 365nm 이하의 파장에서 전기적으로 상온에서 펄스 발진에 성공한 결과이다[13].

Hamamatsu사에서는 기업에서는 처음으로 342nm 자외선 LD를 개발하였다[14]. Facet-Controlled Epi-taxial Lateral Overgrowth(FACELO) 성장법을 이용하여 사파이어 2인치 기판 전체에 크랙이 없는 고품질의 AlGaN 층을 성장한 후 자외선 LD를 제작하였다. Hamamatsu사에서는 양자우물의 물질 및 조성을 조절하여 336~360nm의 파장을 가지는 다양한 LD를 제작하였다.

(그림 6)

국내에서 제작된 자외선 LD의 광펌핑 실험결과

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한국전자통신연구원에서 수직성장과 측면성장의 성장비율을 조절하는 2단 선택성장을 통하여 크랙이 없는 고품질의 AlGaN 템플릿 성장을 바탕으로 자외선 LD를 개발하였다. 광펌핑을 통하여 349nm에서 레이징되는 것을 확인하였으며, 이러한 결과는 국내에서 처음으로 365nm 이하의 LD를 제작한 결과이다. (그림 6a)는 여기광의 세기에 따른 Photoluminescence(PL) 스펙트럼을 보여준다. (그림 6a)에서와 같이 PL 세기는 여기광의 세기가 점점 커짐에 따라 피크의 강도도 급격히 증가하며, 349nm의 피크 파장과 1.8nm의 작은 반폭치(FWHM) 값을 가진다. 이러한 특성은 자발방출이 아닌 유도방출이 되고 있음을 할 수 있다. 또한, (그림 6b)는 여기광 세기에 따른 PL 출력의 세기를 나타낸 그래프이다. 그림에서 보는 바와 같이, 여기광의 세기에 따라 광출력이 다른 두 영역으로 나뉜다. 여기광의 세기 밀도가 낮은 경우는 여기광 세기에 따라 광출력의 증가량이 미미하게 증가하는 자발 방출 특성을 보이며 580kW/cm2 이상의 광펌핑 전력 밀도 영역에서는 광출력이 급격히 증가하여 유도 방출을 통하여 자외선 LD가 발진하는 것을 보여준다.

자외선 LD의 경우 아직까지 시장은 없지만 질화물 반도체 소자 중에서 가장 기술 난이도가 높은 기술로 자외선 LD 기술을 확보하면, 자외선 LED 및 Photodetector(PD)의 광소자뿐만 아니라, AlGaN 기반의 RF 소자 및 전력소자로 기술 응용이 가능하다.

IV. 맺음말

질화물 기반의 반도체 광원의 시장 및 기술동향에 대하여 살펴봤다. 현재 자외선 LED는 경화기 시장에서 자외선램프를 대체하고 있으며, 향후 UV-C LED의 성능이 향상되면, 거대한 살균 및 정화 시장에서 2017년 이후에 자외선램프를 대체할 수 있으리라 예상된다. 또한, LED 고유의 특성으로 3D 프린터 및 의료/바이오 적용 등 그 사용처가 확대될 것으로 기대된다.

현재 국내의 365nm 이하의 자외선 LED 기술은 다른 기술 선진국보다 많이 뒤처진 상태이나 다양한 정부의 기술개발 프로그램을 통하여 장비, 기판, 에피 성장 기술 등 핵심 기술을 확보하면 반도체 기반 자외선광원 분야에서도 경쟁력을 확보할 수 있으리라 기대한다.

약어 정리

BLU

Back Light Unit

FACELO

Facet-Controlled Epitaxial Lateral Overgrowth

FWHM

Full Width at Half Maximum

LD

Laser Diode

LED

Light-Emitting Diode

MBE

Molecular Beam Epitaxy

MEMOCVD

Migration-Enhanced Metalorganic Chemical Vapor Deposition

PD

Photodetector

PL

Photoluminescence

각주

1)

나카무라 교수는 아카사키 교수, 아마노 교수와 함께 고효율 친환경 청색 LED 개발의 업적으로 2014년 노벨 물리학상을 수상함

[1] 

D. Morita et al., “Watt-Class High-Output-Power 365nm Ultraviolet Light-Emitting Diodes,”Jpn. J. Appl. Phys., vol. 43, no. 9A, 2004, pp. 5954-5950.

[2] 

Yole Développment, “UV LEDs: Technology, Manufacturing and Application Trends,” Market & Technology Reports, 2014.

[3] 

S. Nakamura, M. Senoh, and T. Mukai, “P-GaN/N-InGaN/N-GaN Double-Heterostructure Blue-Lighting-Emitting Diodes,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 32, no. 1A/B, Jan. 15th, 1993, pp. L8-L11.

[4] 

유영문, “LED 시장 및 기술 동향,” 전자공학회지,제37권 제2호, 2010. 2, pp. 24-39.

[5] 

SemiconductorTODAY, “SETi Reaches UV-C LED External Quantum Efficiency of 11%,” Insideoptics, 2013.

[6] 

M. Shatalov et al., “AlGaN Deep Ultraviolet LEDs with External Quantum Efficiency Over 10%,” Conf. Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR), MH1-2, 2013.

[7] 

N. Maeda and H. Hirayama, “Realization of High-Efficiency Deep-UV LEDs Using Transparent p-AlGaN Contact Layer,”Phys. Status Solidi C, vol. 10, no. 11, Oct. 18th, 2013, pp. 1521-1524.

[8] 

M. Ippommatsu et al., “Development of AlGaN DUV-LED,” Conf. Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR), MH1-3, 2013.

[9] 

T. Tojyo et al., “GaN-Based High Power Blue-violet Laser Diodes,” Jpn. J. Appl. Phys.,vol. 40, no. 5A, May 2001, pp. 3206-3210.

[10] 

S. Nagahama et al., “Blue-Violet Nitride Lasers,” Phys. Stat. Sol. A,vol. 194, no. 2, Dec. 4th, 2002, pp. 423-427.

[11] 

J.S. Kwak et al., “Fabrication of AlInGaN-Based Blue-Violet Laser Diode with Low Input Power,” Phys. Stat. Sol. A,vol. 201, no. 12, Sep. 10th, 2004, pp. 2649-2652.

[12] 

V.N. Jmerik et al., “Low-Threshold 303 nm Lasing in AlGaN-Based Multiple-Quantum Well Structures with an Asymmetric Waveguide Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy on C-Sapphire,” Appl. Phys. Lett.,vol. 96, no. 14, 2010, pp. 14112:1-14112-3.

[13] 

K. Iida et al., “Laser Diode of 350.9 nm Wavelength Grown on Sapphire Substrate by MOVPE,” J. Cryst. Growth,vol. 272, no. 1, Oct. 2004, pp. 270-273.

[14] 

H. Yoshida et al., “A 342-nm Ultraviolet AlGaN Multiple Quantum-Well Laser Diode,” Nat. Photon.,vol. 2, Sep. 2008, 551-554.

(그림 1)

파장에 따른 전자기파 스펙트럼 구분

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(그림 2)

자외선광원의 시장전망

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<출처>:Yole Développment, “UV LEDs: Technology, Manufacturing and Application Trends,ȍMarket & Technology Reports, 2014. 재구성

(그림 3)

자외선 LED 시장 규모 및 전망

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<출처>:Yole Développment, “UV LEDs: Technology, Manufacturing and Application Trends,ȍMarket & Technology Reports, 2014. 재구성

(그림 4)

전 세계의 자외선 LED 생산업체

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(그림 5)

고효율 자외선 LED 제작을 위한 필요기술(RIKEN 연구소)

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(그림 6)

국내에서 제작된 자외선 LD의 광펌핑 실험결과

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