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[글로벌리포트] LED 핵심기술로 부상하는 형광체

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발광다이오드(LED)가 차세대 광원으로 고속 성장하고 있다. 소형 지시등부터 모니터와 TV 백라이트유닛(BLU), 일반 조명에 이르기까지 LED 기술이 파고들지 않은 곳이 거의 없을 정도다. LED 시장 규모는 2010년에는 현재 메모리 반도체 시장의 규모와 맞먹는 120억달러에 이를 것으로 전망된다. 흥미로운 것은 이 거대한 시장을 좌지우지하는 핵심 기술로 형광체가 부상하고 있다는 점이다. ◇청색 LED에 형광체를 입혀라=백색 LED를 구현하는 방법으로 종래에는 형광체 사용 없이 적색(R)·녹색(G)·청색(B) LED의 합성으로 백색을 구현했으나, 현재 청색 LED에 형광체를 도포해 백색 LED를 구현하는 방식이 주를 이루고 있다. 형광체는 LED로부터 빛을 흡수해 여러 파장대의 빛을 내는 물질로, 청색 LED에서 나오는 에너지에 의해 전자가 여기돼 높은 에너지에서 낮은 에너지로 떨어지며 빛을 내는 물질을 말한다. 이 형광체에 의해 더 밝은 빛·색·온도 등을 구현할 수 있기 때문에 백색 LED에서 핵심적인 역할을 하며 많은 각광을 받고 있다. 이에 따라 형광체의 중요도가 점점 부각되고 있으며 형광체의 고효율, 신뢰도 등도 요구되고 있다. 미국 정부도 형광체 핵심 기술 개발에 관심을 보이고 있다. 미 에너지국(US department of Energy)에 따르면 2025년까지 현재의 조명(백열전구, 형광등)을 백색 LED로 바꾸면 에너지 사용을 29%까지 줄여 10억달러를 절약할 수 있다. 이런 배경으로 미 에너지국에서는 GE글로벌리서치·이스트맨코닥·오스람실베이니아 등에 연구비를 지원해, LED 칩 및 백색 LED 관련 나노형광체 개발 등의 공동 프로젝트를 추진해왔다. ◇형광체 특허를 확보하라=LED에서 형광체는 매우 중요한 부분을 차지하고 있지만, 사업화에 성공한 업체는 손에 꼽힌다. 미국의 인터매틱스, 일본의 니치아·도요타고세이(TG), 독일의 LWB·오스람 정도다. 형광체는 화학, 재료, 신소재 등의 기초과학 분야기도 하지만 일반 인식과는 다르게 누가 얼마나 많은 실험과 실패를 통해 많은 노하우를 축적했는지가 성공의 관건이기도 하다. 형광체 개발 성공을 위해서는 기초연구 노력뿐 아니라 많은 실패 경험 필요해 사업화 성공이 쉽지 않다. 니치아가 YAG 물질을, 인터매틱스·TG·LWB가 실리케이트 계열의 물질을, 오스람은 TAG계열의 물질을 만들고 있다. 현재 YAG가 전 세계 형광체 시장의 70% 정도를, 실리케이트 형광체가 나머지 30%가량을 차지하고 있다. 형광체를 둘러싼 특허 전쟁도 뜨겁다. 초기에는 YAG 형광체가 휘도·신뢰성 등이 우수해 라이선스 계약된 LED업체가 사용해왔으나, 그렇지 못한 업체는 일본 니치아 특허 공격을 피하기 위해 혹은 YAG의 유일한 대안으로 실리케이트 형광체를 사용하기 시작했다. 현재는 실리케이트 기술이 많은 발전을 거듭해 상당한 수준에 이르게 됐다. 또 각 사가 기술 발전 못지않게 특허등록으로 특허 기술보유에 많은 노력을 해 왔으며, 미국의 인터매틱스는 형광체 특허뿐 아니라 청색 LED 칩에 자체 개발한 성분의 실리케이트를 코팅해 백색을 구현하는 특허를 보유하고 있다. 이런 특허 덕에 세계 상당수 LED업체가 안심하고 LED 사업을 할 수 있도록 하고 있다. 현재도 일부에서 많은 특허 문제들을 제기하고 있으나, 특허 이슈가 되고 소송이 될 만한 것인지는 법률적이고 전문적인(재료·전기) 세밀한 검토가 이루어진 후에도 변호사나 전문가들의 의견이 분분해 어느 누구도 단정을 못하며 심지어 나라마다 유사한 소송에도 다르게 판결이 나오다 보니 많은 이야기들이 생기게 된다. 미국은 일반적인 특허 소송에서 같거나, 유사한 특허 내용이라 하더라도 세부적인 접근 방식이 다르다면 양측 모두의 결과를 인정한다는 것이 특허 전문 법률가들의 견해다. 마치 시험에서 같은 답을 적어도 풀이과정이 서로 다르면 부정행위로 보지 않는 것과 같은 이치다. ◇자연을 닮은 형광체가 최종 목표=현재 형광체의 개발방향은 LED를 사용한 제품에서 요구되는 휘도를 맞추고, 제조단가를 최대한 낮추는 것이다. 또 애플리케이션에 소요되는 LED 수를 줄이기 위해 한 개의 LED가 낼 수 있는 휘도를 올리는 데 초점을 두고 있다. 온도·습도 증가에 따른 신뢰성 향상에도 노력을 기울이고 있다. 그러나 1000억달러 규모의 일반 조명시장에 LED가 자리 잡기 위해서는 LED 칩의 저렴한 가격뿐 아니라 형광체 휘도, 신뢰성 향상 등 많은 장벽을 넘어야 한다. 하이츠(Haitz) 법칙에 따르면 10년마다 LED 가격이 10배 하락하고, 성능은 20배 향상된다고 한다. 조명의 경우 초기시장은 아직 일반 소비자가 사용할 수 있는 일반전등의 대체보다는 경관·외곽·오락·특수 용도의 조명 시장이 형성되고 있으며, 특히 고급조명을 타깃으로 하게 되면 빛의 밝기뿐 아니라 색, 온도 및 연색지수 등에서 세밀한 조정작업이 이루어져야 한다. 초기의 조명시장은 밝기 향상과 가격경쟁이 될 것이지만 향후 전개될 미래의 조명 시장은 여기서 더 나아가 단순히 빛이 어두운 곳을 밝혀주던 시대에서 사람의 눈과 마음을 편안하게 만드는, 자연에 가까운 고품격의 빛을 만드는 시대가 오고 있으며, 여기서 형광체는 칩과 더불어 빛의 품질을 결정하는 매우 핵심적인 역할을 하게 된다. 서기영 인터매틱스 수석이사 jsuh@intematix.com

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