고체 조명(Solid-State Lighting) 조명은 인간이 빛이 없는 야 간에도 자유롭게 활동할 수 있 도록 해주는 필수적인 기본 요 소이기도 하면서 정보의 교환 을 용이하게 하거나 쾌적하게 해주는 부가적인 요소이기도 하다. 조명 원으로는 현재 형광등이나 백열등의 사용 이 보편적이지만 형광등과 백열등이 구조의 변형이 쉽지 않기 때문에 문화가 발달해 갈수록 새로운 형태 의 조명 원에 대한 요구가 점차 늘어가고 있는 추세이 다. 또한 조명은 대부분 값 비싼 에너지인 전기를 사 용하고 있기 때문에 조명의 필요성에 대한 요구가 많 으면 많을수록 더욱 더 고효율의 조명 원에 대한 필요 성도 중요해질 수밖에 없다.
고체 조명이란 형광등이나 백열등의 에너지 효율을 훨씬 뛰어넘을 가능성이 있기 때문에 새롭게 대두되 고 있는 새로운 기술 분야이다. 기존에 조명으로 사용 하고 있는 조명 원인 백열등이나 형광등은 진공이나 혹은 기체 관으로부터 빛이 방출되지만 고체 조명은 반도체인 고체로부터 직접 빛이 방출되는 조명이란 의미에서 고체 조명으로 정의된다. 고체 조명의 기술 로는 두 가지 형태가 있는데 그 하나는 무기반도체 LEDs(Light Emitting Diodes)이며 다른 하나는 유 기 LEDs(통상적으로 Organic Light Emitting Diodes, 즉 OLEDs로 부름)이다.
2000년 이후 세계적으로 고체 조명이 기존의 조명
을 대체할 것으로 예측하고 대규모의 연구가 진행되 기 시작하였다. 이렇게 고체 조명이 기존의 조명을 대 체할 것으로 예측하는 데는 여러 가지 세계적인 현안 들이 서로 복잡하게 연관되어 있다고 말할 수 있다.
20세기 중반 경에 만들어진 기존의 백열등과 형광등 은 현재 더 이상의 기술적 진보 없이 만들어지고 사용 되고 있는 상황이지만 이를 이용하기 위한 에너지 비 용은 점차 높아지고 있기 때문에 더욱 높은 효율의 조 명 원이 필요해지고 있는 상황이다. 기술 road map에 따르면 2025년까지는 고체 조명의 활용을 통해 조명 에 소요되는 전체 전기에너지의 50%를 줄일 수 있을 것으로 예측하고 있으며 이를 화석연료의 사용 저감 으로 환산하는 경우에 전 세계적으로 수 억 톤 수준의 이산화탄소 배출을 감축할 수 있다는 예측이 가능하 다. 이뿐만 아니라 문명이 고도로 발달하면서 조명의 용도도 더욱 광범위해져서 기존 조명의 구조적 단순 성만으로는 소비자의 요구를 충족시킬 수 없는 단계 에 이르고 있으며 편리성 측면에 있어서도 현재의 조 명이 가지는 짧은 수명으로 인한 잦은 교체 주기도 고체 조명의 연구에 중요한 필요성이 되고 있는 상황 이다.
아직까지의 고체 조명에 관한 기술 개발 수준은 기 존의 조명 원에 비해 성능 면에서 훨씬 떨어져 있는 것이 사실이지만 앞서 기술한 바와 같은 에너지 절감, 환경오염 절감, 사회문화적 요구 등 지구와 인간이 안 고 있는 근본적인 문제를 고려하는 경우에 지속적 연 구개발을 통한 고체 조명의 활용은 높은 당위성을 확 조 성 민
성균관대학교 화학공학과, [email protected]
한 연구 개발이 필요할 것으로 예상된다.
화학공학 분야는 주로 공정을 다루고 있어서 여러 분야의 산업에 고른 영역을 확보하고 있다. 현재는 종 래부터 중심적으로 다루어 오던 석유화학 산업 이외 에도 생물, 생명, 반도체, 전자산업 등 그 영역을 지속 적으로 확장하고 있는 단계이며 특히 한국의 전자 및 반도체 산업의 규모 확대에 따라 화학공학 졸업자의 많은 수가 관련 업체로 진출하고 있는 상황이다. 시장 이 큰 곳에 수요와 공급이 따르기 마련이기 때문에 화 학공학 분야도 시대적 상황에 발맞추어 성장하고 있 는 것이라고 할 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이 고체 조명 분야는 아직까지는 초보 단계라고 할 수 있지만 향후 시장 규모가 매우 큰 분야이며 화학공학과 관련 된 연구 분야가 많이 있기 때문에 화학공학에서도 관 심을 가져야만 할 것으로 생각된다. 따라서 여기서는 고체 조명의 시장과 기술 분야, 그리고 화학공학과의 연관성 및 기회에 대해서 기술해 보고자 한다. 주로 인용한 자료는 미국 에너지성에서 2005년 9월에 발표 한 에너지 절약을 위한 고효율 조명 기술에 관한 리포 트이며 통계 및 예측자료는 미국에 국한된 자료임을 밝혀둔다.
지 소모에서 차지하는 비중을 [그림 1]에 나타내었다.
조명은 전기에너지를 사용하며 전체 전기에너지 사 용량의 30%에 달하며 만일 조명에 의한 에너지 사용 을 전체 연료에 의한 에너지에 대한 비율로 나타내더 라도 21%에 달하여 전체 전기를 사용하는 전자제품 에 의한 에너지 소모를 모두 합친 것 보다도 훨씬 높 다. 이렇게나 막대한 에너지를 조명 원이 소모하기 때 문에 조명의 효율은 인류의 미래를 위해 무척이나 중 요하다. 기존에 사용하고 있는 조명 원은 크게 형광등 (fluorescent lamp), 백열등(incandescent lamp), 고 휘도방전등(HID, high intensity discharge lamp)의 세 가지로 나눌 수 있다. 현재 이들의 사용 비율은 형 광등 41%, 백열등 42%, 고휘도방전등 17%이다. 기 존의 조명 원들은 에너지 효율을 개선할 수 있는 몇 가지 방안이 제시되고는 있지만 근본적으로 기술적 진보가 오래도록 이루어져 왔기 때문에 획기적인 에 너지 효율의 상승은 기대하기 어렵다. 2005년 미국 에 너지성의 리포트를 참조하면 현재로부터 2025년까지 에너지 효율은 최대한도로 예측하더라도 30%에 미치 지를 못한다[표 1].
에너지 효율뿐만이 아니라 램프의 수명이나 가격
Site Electricity Consumption Total Primary Energy (all fuels)
2390 TWh 37.6 quads
water Heating 9%
water Heating 14%
Lighting 30%
Lighting Space Cooling 21%
17%
Space Cooling 12%
Refrigeration 11%
Refrigeration 8%
Electronics 9%
Electronics 6%
Appliances 7%
Appliances 7%
Ventilation 4%
Ventilation 3%
Computers 3%
Computers Space Heating 2%
10% Space Heating
27%
그림 1. 조명이 전기에너지와 전체 에너지 소모에서 차지하는 비중(미국, 2001).
하 일 라 이 트
또한 20년의 긴 기간 동안의 기술개발 효과를 고려하 면 거의 발전 가능성이 없다고 할 수 있다. 이에 비해 고체 조명은 기술개발에 의한 성능 향상 속도가 S자 형 곡선을 이룰 것으로 예측하고 있으며 이에 따라 약 2010년경이면 현재 조명의 성능을 상회하기 시작할 것으로 예상된다[그림 2].
조명의 막대한 에너지 소모를 고려하면 에너지 효 율 향상이 에너지 절감에 미치는 영향이 얼마나 큰지 를 알 수 있으며 따라서 고효율의 고체 조명을 개발하 는 일은 매우 중요한 과제라 할 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이 고체 조명을 위한 기술로는 무기 LED 고 체 조명과 유기 LED 고체 조명의 두 가지로 나눌 수 가 있으며 여기서는 기술적인 내용 보다는 가능성과 화학공학과의 연관성을 중심으로 기술하고자 한다.
무기 LED 고체 조명
21세기를 맞이하여 빛의 혁명이 시작되고 있는데,
고휘도 LED를 이용한 무기 LED 고체 조명이 그 주 역이다. 무기반도체 기술의 획기적인 발달로 빛의 삼 원색인 적색, 녹색, 청색뿐만 아니라, 가시광선, 적외 선, 자외선 영역의 빛과 이를 이용하여 백색의 빛을 만들 수 있게 되었다. 역사적으로는 1962년에 G.E.에 서 현재의 구조와 같은 무기반도체 LED를 개발한 이 후 1968년에 GaAsP의 3원계 화합물로 된 적색 LED 가 양산되기 시작하면서 상용화가 이루어졌다. 무기 LED는 기존의 조명 원과는 달리 진공이나 기체를 사 용하지 않으며 필라멘트도 없고, 내진동성이 우수하 며 낮은 전류로 점등하는 등 여러 장점이 있기 때문에 이러한 장점을 유효하게 활용할 수 있는 용도로 사용 되기 시작하였다. 무기 LED를 위한 소재는 화합물 반도체인 GaAs와 GaP 등이며 이를 위한 단결정성장 기술이 발달하게 되면서 크게 관심을 끌기 시작하였 다. 1980년대 후반에 접어들면서 3원 화합물 반도체인 AlGaAs를 이용하여 고휘도 적색 LED가 개발되고 이때부터 LED가 자동차의 브레이크 등이나 미등, 적 색 신호등 등의 특수 조명의 목적으로 사용되기 시작 하였다. 그 후 4원 화합물 반도체인 AlGaInP를 사용 하면서 더 높은 휘도의 적색 및 주황색 LED가 상용 화되기 시작하였다. 실제로 반도체 LED가 일반 조명 의 목적으로 활용 가능성이 인식되기 시작한 것은 1996년에 백색 LED가 등장한 이후라고 할 수 있다.
2000년에는 LED의 효율이 100 lm/W 이상인 고휘도 LED가 발표되면서 고체 조명을 위한 가장 가능성 있
Low Efficacy(lm/W) 2% 5% 10%
Baseline Lamp life 5% 10% 10%
Scenario Lamp price -5% -5% -5%
Medium Efficacy(lm/W) 5% 10% 20%
Baseline Lamp life 10% 20% 20%
Scenario Lamp price -10% -10% -10%
High Efficacy(lm/W) 10% 20% 30%
Baseline Lamp life 20% 30% 30%
Scenario Lamp price -15% -15% -15%
표 1. 2005년부터 2025년까지의 기술진보 예측
Change between 2005 and 2025 Incandescent Fluorescent High Intensity Discharge
White Light SSL
T-12 ES
T-12 fluorescent
T-8 lamp Metal Halide
Mono
LED Mono
OLED
200 175 150 125 100 75 50 25 0
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030
Efficacy (lumens per watt)
그림 2. 기존의 조명기술 발전과 고체 조명의 성능 향상 예측.
는 대안으로 자리를 차지하게 되었다.
위의 [표 2]에 나타낸 바와 같이 2007년이면 무기 LED가 여러 면에서 일반 조명에 있어서 백열등을 대 체할 것으로 예상되고 있으며 2012년에는 가격만을 제외하면 모든 면에서 형광등을 앞서게 될 것으로 예 상되어 2020년경에는 모든 조명시장을 대체할 수 있 을 것으로 예측하고 있다. 또한 무기 LED가 기존의 조명에 비해 월등히 뛰어난 것은 수명과 전력소모 면 이라고 할 수 있다. 전력소모를 줄이기 위해서는 무기 LED가 기존의 조명 원에 비해 월등하지만 램프 하나 당 광속을 충분히 얻기 위해서는 효율적인 램프 설계 와 패키징이 중요하며 지속적인 에너지 효율의 향상 이 요구된다.
OLED 고체 조명
통상 OLED라고 불리는 유기 LED는 구조상으로 는 무기 LED와 마찬가지지만 사용하는 소재가 유기 물 반도체이며 무기반도체가 단결정인 반면에 유기물 반도체는 다결정이나 혹은 비정질 상태이라는 점에서
차이가 있다. 유기물 반도체는 전하의 수송체인 전자 와 정공의 이동도가 낮기 때문에 낮은 전압에서의 구 동을 위해 매우 얇은 막으로 만들어야만 한다. 기능면 에서 보면 무기반도체 LED는 넓은 면적의 공정을 사 용할 수가 없기 때문에 점광원으로 밖에는 사용할 수 없지만 OLED는 넓은 면적의 공정이 가능하기 때문 에 면광원으로서 고체 조명으로는 더 적합하다고 할 수 있다. 현재 OLED는 주로 디스플레이의 목적으로 연구 개발이 진행되고 있으나 백색 OLED의 개발로 인해 최근에 들어서는 고체 조명용 백색 OLED의 연 구가 급속히 늘어나고 있는 추세이다. OLED는 1987 년 Tang이 이중층 구조를 가진 소자를 처음 보인 이 후, 발광재료로서 고분자, 혹은 저분자 유기물을 사용 하여 다양한 연구가 진행되고 있다. OLED는 무기 LED와 마찬가지로 낮은 구동전압에도 동작할 수 있 으며 휘도가 높고 가벼우면서도 아주 얇은 박막형태 나 유기물의 장점인 flexible한 구조의 고체 조명이 가 능하다는 점에서 장점을 가지고 있다. 그러나 아직까 지 수명이 짧고 발광효율도 낮기 때문에 고체 조명으
Lifetime(khr) >20 >100 >100 1 10
Flux(lm/lamp) 200 1,000 1,500 1,200 3,400
Input Power(W/lamp) 2.7 6.7 7.5 75 40
Lumens Cost($/klm) 20 <5 <2 0.4 1.5
Lamp Cost($/lamp) 4 <5 <3 0.5 5
Color Rendering Index 80 >80 >80 95 75
Lighting Market Penetrated 백열등 형광등 모든 시장
Luminous Efficacy(lm/W) 50 150 200 16 85
Lifetime(khr) 5 10 20 1 10
Flux(lm/lamp) 3,000 6,000 12,000 1,200 3,400
Input Power(W/lamp) 60 40 60 75 40
Lumens Cost($/klm) 100 <5 <1 0.4 1.5
Lighting Market Penetrated 백열등 모든 시장
표 3. OLED의 성능향상 예상 및 시장성
Technology 2007년 2012년 2020년 백열등 형광등
하 일 라 이 트
로 활용되기 위해서는 넘어야할 과제가 많은 상황이 다[표 3].
OLED는 면광원으로서 가장 큰 장점은 휘도가 높 다는 점이다. 아직까지 연구 개발이 시작된 지 그리 오래되지 않았기 때문에 유기물 발광재료의 개발이나 소자의 구조 등 개발의 여지가 많이 남아 있다고 할 수 있다. 기능적인 측면을 고려하면 무기 LED가 점 광원이기 때문에 조명으로 활용하기 위해서는 램프의 설계가 매우 중요하지만 OLED는 조명 원으로 바로 사용할 수 있는 면광원이기 때문에 훨씬 유리하며 특 히 유연성을 가진 조명이 가능하기 때문에 성능향상 정도에 따라 향후에는 활용도가 크게 높아질 전망이다.
고체 조명에서 화학공학의 역할
고체 조명을 위한 기술은 미래에 막대한 시장을 창 출할 수 있는 기술이며 핵심적인 기술 중에서 화학공 학이 기여해야할 부분이 많기 때문에 이 분야에 있어 서 화학공학자의 관심이 많이 필요하다. 현재 세계적 으로 무기 LED나 OLED를 사용하여 고체 조명으로 활용하고자 하는 연구는 많은 기술 분야에 걸쳐서 활 발히 진행되고 있으며 화학공학과 관련된 핵심적인 기술 분야를 찾아내기 위해서는 현재 문제가 되고 있 는 기술 분야나 혹은 핵심 요소기술을 조사하는 것이 중요하다.
[표 4]에는 고체 조명을 위한 무기 LED와 OLED 의 기술적 중요도를 표로 나타내었다. 무기 LED의 경우에 고출력 LED와 평면형 백색 LED, buffer 연 구, 단결정 기판, 그리고 새로운 단결정 반도체박막 연 구 등 많은 기술 분야는 무기반도체의 단결정 박막성 장을 위한 기술 개발이 필수적인 것을 나타내고 있다.
무기반도체의 단결정 박막성장은 일반적으로 화학기 상증착법(CVD)으로 이루어지고 있으며 국내에서도 많은 화학공학자가 연구를 수행하고 있는 분야이다.
또한 형광체 재료의 연구는 무기 LED가 고체 조명으 로 활용되기 위해 필수적인 분야로서 화학공학 분야 에서 크게 기여가 가능한 기술로 판단된다.
OLED의 경우에도 발광성 유기소재의 합성뿐만이 아니라 유기물의 수분이나 산소에 의한 산화 현상 등 화학공학과 직접적으로 연관된 기술 분야가 높은 중 요도를 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 특히 OLED 는 flexible한 고분자 기판을 사용하여 roll-to-roll 공 정이 가능할 것으로 예상하고 있기 때문에 이에 관해 서는 소재뿐만이 아니라 공정 측면에서도 화학공학의 역할이 크게 기대된다.
요약하자면 고체 조명 기술은 상업적인 측면에서는 아직 초보단계에 있다고 할 수 있지만 향후 거대한 잠 재 시장 때문에 세계적으로 관심을 끌고 있으며 이러 한 고체 조명을 가능하게 하는데 있어서 화학공학 분 야의 참여가 필요할 것으로 생각되며 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
High Power LED 37
Monolithic White LEDs 28
Phosphor Materials 28
Integrated LED Screw Base PAR 27 System and Geometry Research 26
LED Color-Mixing 24
Optical Research 22
Buffer Research 20
Substrate Research 19
Novel Epimaterials 19
Etching, Chip-Shaping, Texturing 19
Device Electronics 19
Degradation and Failure Processes 37
White Light Systems 36
Light Extraction Issues 34
Systematic Reliability Studies 22 OLED Large Area Current Distribution 20 Photonic Emissions From Triplets 19
Manufacturing Issues 17
Organic Wavelength Converters 16 Novel Structures: Resonant Cavities, Hybrid Inorganic/Organic Structures 16 표 4. 고체 조명을 위한 무기 LED와 OLED의 기술적 중요도 우선순위
Category Technology Option Number of Votes
