ECO 조명

2014. 09. 19 2012. 07. 30

목 차

1. ECO 조명

2. LED 개요

3. LED 요소 기술

4. LED Applications

정의

- 친환경, 고효율, 장수명의 반도체 광원을 기반으로 하는 조명

- 일반조명, 수송기기, 농수산, 의료/환경, 정보통신 등 다양한 분야에서 활용하는 조명

1. ECO 조명

범위

- 반도체 광원 기반의 조명기기, 이를 구성하는 광원(소자), 소재, 패키지/모듈

- 디자인(광학설계), 조립, 생산 및 측정 장비

- 전원부, 제어시스템

■ 왜 ECO 조명 ??? 지구온난화 방지 온실가스 감축 Green 조명 필요

’21세기 빛 Project’

• 고효율 LED 조명 사용 권장

• 2012년 이후 백열등 사용금지

• 탄소세 부과(15,000엔/톤)

• 2015년 보급률 50% 목표

• 주관 : NEDO & METI*

‘Next Generation Lighting Initiative’

• 단계적 백열등 사용 금지

2012~ 100W 이상 사용금지

2014년 이후 전면 금지

• 주관 : DOE & 미국 산학연

유럽 Eco-design Directive

• 2012년 이후 백열등 사용금지

중국 반도체 조명 국가 계획

• 2005年부터 5개년 계획 수립진행

• 2015년까지 에코조명 20% 보급

• 2020년 이후 백열등 사용금지

국가조명전력의 50% 절감

METI : Ministry of Economy, Trade and Industry

사업 동향

국내 : 녹색조명사회 실현을 위한 “LED 조명 2060”발표 (2011)

- 2020년까지 에코조명 보급률 공공기관 100%, 국가전체 60% 보급 목표

- 공공기관 설치 지원금 확대, 민간부분 단계적 의무화 (LED-ESCO, 탄소 cashback, 민간보조금지원)

전 세계적으로 LED 조명을 국가 주도로 육성 中

- 원전 폐쇄 예정 : 독일 2022년, 일본 2050년

미 국 유럽/중국 일 본

시장 동향

LED 조명 세계 시장 전망 : 1,541억$@2017년 (CAGR 17.3%)

국내 시장 전망 : 38조원@2017년 (CAGR 14.9%)

세계 시장 : 광원 < 조명모듈, 조명기기

국내 시장 : 광원 > 조명모듈, 조명기기

2. LED 개요

전기 에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 PN 접합 반도체

- P 전극과 N 전극의 전위차에 의하여 빛 에너지 방출

- 他 광원 對比 低 전력, 長 수명(반영구), 親 환경, 빠른 응답 속도 특성

동작원리

LED의 역사

• 1907 H.J Round, 금강사의 발견에 의해 LED의 주입형 발광

• 1923 O.W.Lossew, SiC의 접촉부에서 발광

• 1952 J.R.haynes et al., Ge, Si의 p-n 접합부에서 발광

• 1955 G.A.Wolff, GaP에서의 발광 LED 시작

• 1962 Pankove, GaAs p-n 접합부에서의 발광 결정성장 기술, PKGg 기술 개발 시작(GE)

(GaAs, GaP, GaAsP, ZnSe등)

• 1968 GaAsP 적색 LED lamp 판매 시작 (Monsanto)

• 1969 R.H Saul et al., GaP 적색 LED의 외부발광효율 7.2% 달성 실용화 시작

…… 태동기 전환 … R&D, 실용화 시작

• 1980 Fairchild, AlGaAs/GaAs 고휘도 LED 출시

• 1986 아카사키, AlN buffer 이용 질화물계 MIS 구조 발광

• 1992 HP, AlGaInP계 적색 LED 발표

• 1993 Nichia, Cree, 질화물계 청색 LED 발표

• 1995 Nichia, 질화물계 녹색 LED 발표

• 1996 Nichia, 백색 LED 발표

• 2000 Agilent, 100lm/W 적색 LED 발표

LED 구조와 파장

UV : (UVC, UVB, UVA)

Blue :

Green :

Red :

IR : (Far red, Deep red)

GaN, InAlGaN

InGaN

InGaN

AlGaAs, InGaAlP

GaAs, InGaAs, InGaAsN

구 분 파장(nm) 응 용 분 야

Deep UV UVC 100~280 살균, 오존 탐지, 표면이나 물 오염 제거, 단백질 분석, DNA스쿼엔싱, 약 개발, 광학센서, 이미지색조측정 등

Near UV

UVB 280~315 UV 경화, 광학 치료, 광학센스, 이미지 색조 측정, 범죄 분석, 단백질 분석, DNA 스쿼엔싱, 약 개발 등

UVA 315~400 폴리머나 프린트 잉크의 경화, 가스측정, 질소요소측정, 집충기, 조명, 광학센서, 이미지색조측정 ID, 위폐감지 등

Violet 400~430 의료, 보안응용 등으로만 사용되었으나 LED 조명 시장이 커지면서 신규 시장으로 두각 될 예정임

UV LED 시장 : US$32.5M@2011 US$45M@2012 US$269M@2017, CAGR 43% (by Yole)

백색 구현

CIE 1931 Chromaticity Diagram

국제 조명 위원회(International Commission on Illumination, Commission internationale de l'éclairage) 빛, 조명, 빛깔, 색 공간을 관장하는 국제 위원회

Black Body Locus(Plankian Locus)

빛의 3원색

Blue LED의 구조

GaN(gallium nitride) 의 구조

- GaN, InGaN epiwafer 구조

- GaN 특성 때문에 대리기판을 사용하여 성장

- 대리기판(substrate) GaN buffer layer 성장

- Buffer layer 위에 GaN을 epitaxial growth

Wurtzite GaN crystal structure Wurtzite or hexagonal structure

crystal structure Bravais lattice

3. LED 요소 기술

bravais.pptx

대리기판(substrate)의 종류 및 특성

- 고려사항 : 격자상수와 열팽창계수

Materials Symmetry Lattice constant

Lattice mismatch(%)

Thermal expansion Coeff. (x10-6/K)

Thermal mismatch (%)

GaN Hexagonal a : 3.189 c : 5.185

- a : 5.59 c : 3.17

-

Cubic 4.52~4.57 - - -

Sapphire Hexagonal a : 4.758 c : 12.991

+16.02 a : 7.5 c : 8.5

25.5

ZnO Hexagonal a : 3.252 c : 5.213

+1.92 a : 2.9 c : 4.75

92.8

6H-SiC Hexagonal a : 3.08 c : 15.12

-3.54 - -

3C-SiC Cubic a : 4.36 +3.5 4.7 18.9

Si Cubic a : 5.43 - 4.68 -

(111) 3.840 +17.0 - 37.0

MgO Cubic 4.216 10.5

대리 기판의 선택 : quality of GaN epi wafer, cost, mass production

Physical properties of various substrate for epitaxial GaN growth.

3-1. Substrate

Growth method

3-2. Epitaxial Growth

Growth technology Advantage Disadvantage Method

MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition

Atomically sharp interfaces In-situ thickness monitoring High growth rate Very high quality film High throughput Intermediate cost

Lake of in-situ characterization Large quantities of NH3 are needed P-type Mg doping associated with Mg-H complex that need post growth process to activate doping process

Ga(CH) + NH → GaN(s)+3CH

MBE Molecular Beam Epitaxy

Atomically sharp interfaces In-situ characterization High purity growth Hydrogen free environment Possibility to use plasma or Laser assisted growth

Need ultra-high vacuum Low growth rate (1-1.5PK Low temperature growth Low throughput Very expensive

Ga(g)+1/2N → GaN(s)

HVPE Hydride Vapor Phase Epitaxy

Simple growth technique Very high growth rate Reasonably good quality Film Quasi bulk GaN

No sharp interfaces Work in Hydrogen environment Extreme temperature condition

Ga(l)+HCl(g) → GaCl(g)+1/2H(g) GaCl(g)+NH3(g)→ GaN(s)+HCl(g)+H2(g) NH(g)+HCl(g) → NHCl(g)

- Comparison between MOCVD, MBR and HVPE.

Growth method

Vertical HVPE Reactor Horizontal HVPE Reactor

Schematic representation of two flow MOCVD

Two separate flow MOCVD

Three separate flow MOCVD

Schematic representation of MOCVD technique

Schematic representation of PAMBE

3-3. Chip Fabrication

노광 / 세정

식각 / 세정

증착 (metal)

Lapping / Polishing

Scribing / Breaking

Prober / Sorter

前

공정

後

공정

Sapphire / SiC Sapphire / SiC

p-GaN InGaN n-GaN N-electrode P-electrode

Epi wafer Chip

LED structure LED Chip 공정

3-4. Packaging

Die attach

Wire bonding

Dispensing

Oven cure

Trim form

Test / Sorting

前

공정

後

공정

LED structure Packaging 공정

Taping / Packing

Sapphire / SiC

N-electrode P-electrode

Chip

LED PKG 제조 공정

2. Die Attach 3. Oven Curing

5. Wire Bonding8. Visual Inspection

9.Triming 10. E/O TEST

4. Plasma Cleaning

11. Taping

1. Pre-Curing

7. Oven Curing 6. D/P (Dispensing)

12. P/K & Outgoing

Package

기술력 < 라이센스

3-5. ISSUE

LED 분쟁 지도 : 쟁점 특허와 분쟁 예상 특허의 상관도

형광체

정의 : 외부의 에너지를 흡수하여 고유의 가시광선을 내는 물질로 합성된 발광물질

LED용 형광체 - White 구현 : Blue + (yellow, (green+red)) - Warm white 구현 : Blue + ((yellow+red), (green+red)) - 연색성 개선

ISSUE - 특허 - 변환효율 - 연색성 향상지수

형광체의 에너지 전달과정

백색 구현

ISSUE : 백색 구현 특허, 색재현율, 연색성, 제조 단가

[적색+녹색+청색] LED 를 조합(형광체 無) 색재현율과 연색성 우수하나 단가 高

청색 LED + 황색 형광체를 조합 낮은 색재현율, 연색성

청색 LED + [황색+적색] 형광체를 조합 연색성 개선, 광효율 저하

청색 LED + [녹색+적색] 형광체를 조합 색재현율, 연색성 우수하나 광추출 효율 저하

UV LED를 이용 UV chip + [청색+녹색+적색]형광체를 조합

색재현율과 연색성 우수하나 UV LED는 개발중

• Hybrid PKG 사용 : (B+R) chip + Phosphor

• High CRI PKG 사용 : B chip + Phosphor

출처 : www.ledsmagazine.com May 2013

- LED PKG에 사용되고 있는 대표적인 Phosphor

CRI Ra75 LED 조명

정오의 태양광

CRI Ra93 LED 조명

- YAG/TAG - Ortho-Silicate - Nitride

광속

약 30%↓

■ 광속저하 최소, CRI 개선 Best ??? 형광체를 이용한 CRI 개선에는 한계가 있다(emission control 어렵다)

출처 : ‘12 전략적핵심소재 기술개발사업 과제세부기획서

LED 조명의 연색성 개선

■ 정의

- 수 nm 크기의 semiconductor nanoparticle

반도체를 10nm 이하로 화학적 합성 제조한 것 .

■ 특징

- 입자의 크기, 형상에 따라 반도체 특성이 다름

Emission control 가능

지금까지는 반도체의 특성을 바꾸기 위해서는 재료, 공정 등을 바꾸어야 했는데

하나의 물질에 대하여, 크기 또는 형상 제어만으로 특성을 변화시키는 것이 가능

- 중심(core)에 껍질(shell)을 화학적으로 쌓은 구조 (core/shell 구조)

- Core와 shell의 종류에 따라 특정 파장의 빛을 주었을 때,

입자의 크기에 따라 다른 빛을 내거나

일정 영역의 빛을 흡수하여 전자로 변환시킬 수 있음

■ Global Market CAGR 55.2%(2011~2022)

- US$ 67 M@2010 US$ 670 M@2015 US$ 7,480.25 M@2022

■ 선진사 : QD Vision, Nanosys, Evident Technology, QMC, NanoAxis, Nanoco, PlasmaChem etc.

Quantum Dots

Applications

QD-Solar cell & PV QD-Marker etc

■ 고 색재현율(Color gamut) - QD : 110% (SONY) - OLED 94% (SAMSUNG) - LCD : 72% 이상 ■ Flexible & Large - Flexible display 구현 e-paper - 대면적화 가능 ■ Status - QD를 이용한 hybrid OLEDs(QD-LEDs)

■ LEDs structure - 수직형 LED 구현 : InGaN/GaN+QD - 외부양자효율 개선 ■ LED PKG용 Phosphor - 고 연색지수(CRI),

LED

일반 조명

- 실내용/ 실외용

전광판

- Advertisement

- Sports Stadium

- VMS

신호등

전자기기

Display

- LCD Monitor

- LCD TV

- HHP/PDA

자동차

- Interior

- Exterior

低 소비전력, 소형화

低 소비전력

高색재현 / 親환경

에너지 절감

親환경 광원

디자인 Flexibility

長수명, 親환경

LED의 응용분야

4. LED Applications

4-1. Module

LED Module

- LED PKG의 광학적 특성을 나타내기 위해 전기적 특성에 적합한 신호 전달을 위한 array

• LED는 AC 구동이 없으며 DC 구동을 함

• LED PKG의 전기적 특성 : Vf(Forward voltage)와 If(Forward current)

• Vf는 LED의 파장에 따라 다르며, If는 LED의 power에 따라 다름

• UV ~ green LED의 Vf는 3.0~3.4V, amber ~ deep red LED는 Tpy.2.0~2.2V

• If는 5mA에서부터 2.0A 까지 있으며, If에 따라 small, middle, high power LED로 구분함

방열 설계 2차, 3차 광학계 설계 기구 설계 등

LED array品의 광학 설계 / Design / Function

구상설계 / 구동방법 선정 / Parts 선정

LED 연결 방법 선정(직렬, 병렬)

전원 공급 형태 선정

구동 회로 설계

4-2. System

LED System

- LED PKG 및 LED module의 광학적 특성을 나타내기 위한 additional module을 array

• 기구적인 모듈 : 광학계, 확산계, 반사계

• 전원 모듈 : SMPS, AC/DC converter

• 방열 모듈 : Heat sink, Spreader, Cooler, Fan

• 융합 모듈

Electrical source : Solar, Wind energy를 이용한 모듈

IT : IT를 이용한 제어 시스템, ZigBee, Internet, Communication …

BT : Light and Plant growth, Bacteria, Antibacterial, Injurious insect, Preservation …

Healthcare(color system社) 시스템의 例 식물생장 시스템의 例

http://thumbs.dreamstime.com/z/concept-idea-money-raining-stock-vector-35062888.jpg

4-3. LED Lighting

조명의 종류

■ 설치 장소에 따른 분류

- 명시조명 : 사무실, 학교, 주택 등의 일반 조명

- 생산조명 : 공장조명

- 상업조명 : 일반상점, 백화점의 조명, 광고조명

- 옥외조명 : 도로조명, 터널조명, 광장조명, 투광조명

■ 광원에 따른 분류

- 백열전구

- 할로겐램프 : MR, PAR

- 형광램프

- 콤팩트형광등

- 방전등

. 수은램프

. 형광수은램프

. 메탈할라이드램프

. 나트륨램프

- 특수램프

. HID

. 무대

■ 조명기구에 따른 분류

- 천정등(Ceiling light)

- 벽등(Bracket)

- 풋라이트(Foot light)

- 스포트라이트(Spot light)

- 트랙라이트(Track light)

- 스탠드(Stand)

- 다운라이트(Down light) : 전반, wall washer, spot

- 팬던트(Pendent)

- 상들리에(Chandelier)

- 매입등(Recessed luminaries)

- 투광기(Flood light)

- 등주조명기구 : 가로등, 공원등, 볼라드(Bollard)

- 기타 : 방폭등, 수중등, 공조겸용 조명

LED 조명의 구조

기 구 부

- Housing / Armature / Case

- Base

광 원 부

- LENS / 확산판 / Reflector

- LED module

- Heat Spreader

전 원 부

- AC-DC Convertor

- Driver module

■ Customer’s sight 상품의 내구성, 광원부 및 전원부의 보호, 공급전원 안전연결

■ 빛의 구현 배광, 광속, 조도, 색상, 연색성

■ 동작, 구동

전원입력, 효율, 수명, 동작, 연출,

Dimming, 융복합 회로와 연결

Retrofit

기존 전통조명 기구/Pole을 사용

• Base/Hole retrofit

• Housing/Pole retrofit

Design-in/Built-in

LED의 특징에 따라 새롭게 만들어진 조명

• Customized design

• Idea

특수목적用

응용에 맞도록 구조를 변형하여 사용

• 운송수단용

• 산업용

他 분야와 복합화한 지능형 조명

• Intelligence 조명

• 그린에너지 조명

융 복합

LED 조명의 분류

• 생활가전용

• High Bay용