신광원 백색 LED  개발을 위한 세라믹스 역할
장보윤 한국에너지기술연구원 나나소재연구센터 선임연구원
박주석 한국에너지기술연구원 나노소재연구센터 선임연구원

서론
백열전구 또는 형광등은 짧은 수명과 높은 에너지소비에도 불구하고, 우리의 생활 전반에 가장 중요한 조명으로 자리 잡고 있다. 사실, 그 동안 다양한 신개념의 조명기술 개발들이 시도되어 왔으나, 아직까지도 기존 조명을 대체할 만큼의 기술은 근 100년 동안 개발 되지 못하였다. 하지만, 박막형 반도체를 이용한 백색LED 조명기술이 기존 조명기술에 위협적인 도전장을 내고 있다. 반도체 내부의 pn 접합부분에서 외부전류로 인해 형성된 전자와 정공은 거의 100%의 효율을 가지고 재결합하며 빛을 내놓는다. 이와 같은 높은 효율은 LED기반 광원이 고효율, 저소비전력 특성뿐 만 아니라 긴 수명의 탁월한 성능을 가지게 하여, 기존 조명에 대한 경쟁력을 갖도록 해 준다. 또한, 기존 형광등이 수은 등의 중금속을 사용하는 반면, LED 조명은 친환경 특성을 가지고 있어, 이제는 에너지뿐만 아니라 환경 측면에서도 차세대 조명 기술로 그 자리를 확고히 하고 있다. 이와 같은 LED조명 개발을 위한 핵심 기술은 크게 반도체 칩 기술과 패키징 기술로 나뉘어질 수 있다. 백색 LED조명이 차세대 조명으로 자리 잡는 것은 이 두 가지 기술 중 어느 한 기술만의 발전만으로는 결코 달성 될 수 없다. 국내의 경우, 80년대 시작된 메모리 반도체 및 LCD 기술 개발을 통해 얻어진 관련 장비 및 공정기술이 그대로 LED 칩기술에 적용되어 세계적으로 기술 선도를 하고 있다. 이에 힘입어, 메모리 반도체와 LCD를 이어 한국의 차세대 반도체 시장을 선도할 기술이 LED라는 의견도 있다. 반면, 초기 LED 기술에서는 특별한 이슈가 없던 패키징 기술이 최근 LED 조명기술개발을 위해 그 중심을 차지하게 되었으며, 다양한 패키징 기술과 이를 위한 세라믹스의 역할이 중요하게 대두되고 있다. 백색 LED 조명을 위한 대표적인 세라믹스 기술로는 백색LED용 고효율 형광체 세라믹스 기술과 효과적인 램프의 방열을 위한 세라믹 패키징 기술을 들 수 있다. 그 중에서도, 현재 조명용 LED기술의 핵심화두로 제시되고 있는 형광체 세라믹스는 그 중요성을 아무리 강조해도 지나침이 없을 것이다. 따라서  본 글에서는 백색LED용 형광체 세라믹스의 역할을 개발자의 관점에서 상세하게 기술 할 것이며, 이와 함께 국내외 백색LED용 형광체 세라믹스의 개발 현황을 간단하게 살펴 볼 것이다.

백색 LED용 형광체 세라믹스
일반적으로 LED를 이용하여 백색광을 형성하는 방법은 크게 3가지로 나뉘어질 수 있다. [그림 1] 첫째, R(적색), G(녹색) 그리고 B(청색)의 독립된 다이오드 칩을 사용하는 방법이다. 이와 같은 방법은 LCD의 Back Light Uint(BLU)에서 적용되고 있으나, 각 다이오드마다 서로 다른 구동 회로를 필요로 하여 조명기술로는 그 한계를 가지고 있다. 둘째, 자외선(UV) LED와 RGB 삼색 형광체를 적용하는 방법이며, 마지막으로 기존 청색 LED와 G 및 R 형광체를 적용하는 방법이다. 둘째와 셋째 방법은 고품질의 백색광을 만들 수 있으며, 상대적으로 간단한 구동회로 방식으로 차세대 조명 기술에 적합하다고 할 수 있다. 하지만, 이를 위해서는 극복해야 할 커다란 과제가 있다. 바로, 백색LED에 적합한 형광체의 개발이다. 이러한 형광체는 주로 산화물 세라믹스가 사용되어 왔으며, 그 대표적인 형광체가 바로 Ce3+이온이 첨가된 YAG(Yittrium Aluminium Garnet) 형광체이다. 여기서, 우리가 주목해야 할 점이 있다. 현재도 브라운관형 TV에 적용되고 있는 RGB형광체는 이미 100년 전부터 연구가 진행되었으며, 대부분의 형광체는 1950년대를 기점으로 그 연구결과들이 정리되어져 있다. 그럼에도 불구하고, 현재까지 LED에 적용된 형광체 중 상용화된 것이 유일하게 YAG형광체 뿐이라는 사실은 다시 한 번 형광체의 역할을 정리할 필요가 있다는 것을 의미한다. 본 글에서는, 신조명 백색 LED에서 형광체 세라믹스의 특성과 기술현황을 정리함으로서 그 역할을 재정립하려 한다.

백색 LED용 형광체 세라믹스의 역할 재정립
형광체는 기본적으로 ⅰ)자외선 또는 청색 영역의 높은 에너지에 해당하는 빛을 흡수한 후, ⅱ)그 에너지의 일부를 열로 손실한 후 ⅲ)적당한 영역의 가시광선을 내 보내는 역할을 한다.[그림 2] 얼핏 생각하면, 단순한 역할을 하는 것으로 보이지만, 백색 LED용 형광체로 그 역할을 수행하기 위해서는 몇 가지 요구되는 중요한 재료적 특성들이 존재한다. 우선, LED 칩에서 나오는 매우 좁은 파장 영역의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있어야 한다. 현재 개발되고 있는 LED 칩들은 대부분 400nm 이상의 근자외선이나 청색의 좁은 파장영역의 빛을 낸다. 하지만, 대부분의 산화물 형광체는 주로 400nm이하의 짧은 파장 영역에서 빛을 흡수함으로, LED와 같은 상대적으로 긴 파장대에서 좁은 영역의 빛을 내는 소자에는 적합하지 않다. 이와 같은 산화물 형광체의 성질이 바로 100년이 넘도록 연구되어진 기존 형광체들을 LED에 적용하는데 어려움을 겪게 하는 원인이었다. 현재 가장 널리 연구되고 있는 산화물 형광체는 주로 청색 LED에 적용되는 노랑색 형광체인 YAG:Ce3+로 대표되어지는 Garnet 형광체, orthoslilicate 형광체, 그리고 aluminate형광체 등을 들 수 있다. 이와 함께, LED용 황화물 형광체 역시 현재 활발하게 연구되어지고 있다. 하지만, 황화물 형광체는 LED에 적합한 흡수영역을 확보할 수 있는 반면, 불안정한 열 특성과 습기 민감성 및 이에 따른 휘도 열화 특성 등 해결해야 할 사항들이 많이 있다. 또한, 형광체의 열손실은 형광체의 효율과 직접적인 연관을 가지고 있으며, 이는 LED 뿐만 아니라, 모든 형광체에서 고 휘도를 위한 중요한 요소로 개선이 요구되어지고 있다. 이는 형광체의 결정구조, 모체와 활성제의 결합구조와 이에 따른 에너지 구조, 화학양론적 조성 및 표면 특성 등 다양한 원인과 변수에 의해 지배되기 때문에 본 고에서는 구체적으로 다루지 않겠다. 마지막으로, 백색 LED 조명용 형광체가 그 역할을 제대로 수행하기 위해서는 자연광(daylight, CRI=100)에 가까운 특성의 빛을 내야만 한다. 이는 특히 조명기기에 있어서 광 품질과 밀접한 관계를 가진 매우 중요한 특성이다. 현재 상용화되어 있는 YAG:Ce3+형광체는 약 550nm를 중심파장으로 빛을 내고 있으나, 이는 조명용으로는 매우 불리한 특성이라 할 수 있겠다. 고 품질의 백색광을 만들기 위해서는 RGB 삼파장 이상의 빛의 적절한 조합이 필요하다. 하지만, 460nm의 청색 LED에서 나오는 청색 빛과 노랑색 YAG:Ce3+형광체에서 나오는 백색은 고휘도이긴 하지만, 붉은 색성분이 적기 때문에 연색성(color rendering index)이 낮아, 따듯한 느낌의 빛을 만들 수 없다. 최근 연구되는 ‘warm white LED’개발은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 연구들이다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는, 청색 LED에 기존 YAG형광체의 색보정을 목적으로 적당량의 적색 형광체를 추가하거나, G와 R의 새로운 형광체를 적용하는 방법과 UV-LED에 적용 가능한 RGB 삼색 형광체를 개발하는 방법이 있다. 하지만, 현 기술에서 공통적으로 해결되지 않는 형광체가 있다. 바로 청색 또는 UV-LED에 의해 여기될 수 있는 적색 형광체이다. 적색 형광체는 청색, 녹색에 비해 흡수한 빛의 파장과 발산하는 빛의 파장사이의 거리가 멀어 중간에 소비되는 열손실이 높아서 다른 색 형광체에 비해 효율이 떨어진다. 또한, 앞에서 언급했던 otrhosilicate 등의 대부분의 산화물 형광체는 현재 600nm부근(오렌지색)의 빛을 내기 때문에, 보다 긴 파장의 적색 빛을 효율적으로 내놓지 못하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이와 같은 LED용 적색 형광체 개발을 위해 전 세계적으로 다양한 형광체가 연구되어 지고 있다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 백색 LED가 차세대 조명으로 자리 잡기 위해서는, 형광체가 적합한 역할들을 충실하게 수행할 수 있어야 만 할 것이다.

백색 LED용 형광체 개발 현황
백색 LED용 형광체, 특히 적색 형광체는 일본을 중심으로 최근 10년 동안 매우 활발한 연구가 진행되어, 일부분 상용화가 진행되고 있다. 전자 세라믹스의 강국답게 일본은 Nichia사의 YAG:Ce3+형광체에 이어 다시 한 번 형광체 종주국이 되기 위한 그 발걸음을 서두르고 있다. 그림 3에서 보이는 바와 같이, 전 세계 형광체 시장의 절반가량을 일본이 점유하고 있으며, 이와 같은 시장형태는 앞으로도 지속될 것으로 예측되고 있다. 이와 함께, 시장점유율을 빠르게 증가시키고 있는 중국 또한 눈여겨 볼만하다. 이와 같은 시장점유율은 LED 분야에서도 동일하게 진행되고 있으며, 최근 NIMS를 중심으로 질화물 형광체를 개발하여 상용화함으로써, 새로운 형광체 분야를 선도하고 있다. 그림 4는 대표적인 질화물 적색 형광체인 CaAlSiN3:Eu2+형광체의 광학특성으로 500nm이상에 걸친 넓은 영역의 흡수밴드와 600nm이상의 긴 파장영역의 넓은 밴드모양을 갖는 적색 형광체임을 알 수 있다. 1990년대, NIMS의 구조재료팀인 Hirosaki 그룹에서 처음 개발된 질화물 형광체는 최근 10년 동안 일본과 유럽을 중심으로 활발히 연구되어, 일부는 상용화 단계에 올라와 있다. 반면, 국내의 경우, 아직까지도 기존 산화물 중심의 형광체 개발이 주류를 이루고 있어, 세계 기술 동향을 따라가지 못하고 있다. 최근, 삼성과 같은 대기업에서 일부 산질화물 형광체의 연구가 진행되고 있으며, 한국에너지기술연구원에서는 산질화물 및 질화물 형광체 개발을 진행하고 있다. 그림 5는 상용화된 YAG:Ce3+ 형광체와 한국에너지기술연구원 질화물 형광체팀에서 개발한 적색 질화물 형광체의 광학특성 비교 결과이다. 그림에서 보이는 바와 같이 기존 산화물에서 볼 수 없었던 400nm이상 영역에서의 흡수밴드와 600nm이상의 적색영역의 발광을 보여주고 있다. 특히, 일본에서 사용하고 있는 고가의 고온고압 열처리방식이 아닌 상압 열처리방식을 적용하여 경제성 또한 확보한 상태이다.

결론
지금까지 신 광원기술로써 부각되고 있는 백색 LED에 있어서 고휘도의 빛을 내는데 중요한 역할을 하고 있는 세라믹 형광체에 대해 간략히 정리하였으며 이를 통해, 기존 산화물 및 황화물 형광체의 문제점과 LED조명용 형광체의 기술적 요구사항을 도출하였다. 백색 LED가 차세대 조명기술로 자리잡기 위해서는 무엇보다도 형광체 분야의 세라믹 기술의 역할이 매우 중요하다. 이러한 형광체 세라믹스 기술은 정확한 백색 LED용 형광체의 특성 및 역할에 대한 이해로 부터 시작되어야 하며, 더욱이 고품질의 백색LED조명을 개발하기 위해서는 보다 정교하고 높은 효율을 갖는 세라믹 기술이 필요하다. 특히 신조성을 갖는 형광체기술은 원천소재기술개발인 관계로, 장기간의 투자와 인력이 필요한데 비해, 국내의 개발 환경은 매우 열악한 편이다. 그러나 백색 LED 광원에 있어서 차세대 형광체로서 제시된 질화물 형광체는 아직까지 개발초기단계이므로, 이에 대한 체계적이고 집중적인 연구가 필요할 것이다. 무엇보다도, 기존 산화물 또는 황
화물보다 그 제조방법이 훨씬 까다로운 것으로 알려져 있는 질화물 형광체는 이와 관련된 개발인력 부재가 가장 심각한 문제라 할 수 있겠다. 또한, 다른 어느 기술보다도 질화물 형광체에 대한 원천특허확보가 가장 핵심사항으로써, 빠른 시일내에 관련 형광체의 원천기술을 확보하지 못한다면, 또 다시 외국에 값비싼 로얄티를 지급해야만 하는 기술종속국으로 추락할 날이 얼마 남지 않았다. 차세대 형광체를 개발하고 있는 개발자 중 한 사람으로서, 본인도 그 책임과 임무를 느끼며 이제까지 국내 연구자들이 그래왔듯이 주어진 개발 환경에서 최선을 다해 연구에 몰두할 것이다.

참고문헌
1. Rong-Jun Xie, Naoto Hirosaki, Sci. and Tech. of Adv. Mat., 8, p. 588 (2007)
2. Jean Pierre, Poc. 2007 Global phosphor submit (2007)
3. Yumi Fukuda, Poc. 2007 Global phosphor submit (2007)
4. Kyota et al., Electrochem. & Sol. Lett., 9[4], p.22 (2006)
5. U. Kaufmann et al., Phys. Stat. Sol. A 192, p. 246 (2002)
6. J. K. Park et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006)
7. D. Jia et al., J. Appl. Phys. 100 (2006)
8. A. J. Steckl et al., J. Appl. Phys. 73 (1998)

그림 1. LED의 백색 조명 구현방식

그림 2. Ce3+ 활성제 이온의 4f-5d 에너지 레벨 개요도

그림 3. 2007년도 세계 형광체 시장 점유율 현황

그림 4. CaAlSiN3:Eu2+형광체의 광학특성 분석 결과

그림 5. 상용화된 YAG:Ce3+ 형광체와 한국에너지기술연구원에서 개발한
질화물 형광체의 광학특성 비교분석 결과

장보윤
고려대학교 재료공학과 공학사
고려대학교 공학석사
고려대학교 공학박사
현재 한국에너지기술연구원 나노소재연구센터 선임연구원 

박주석
고려대학교 재료공학과 공학사
고려대학교 공학석사
고려대학교 공학박사
Univ. of Mishigan Post Doc.
현재 한국에너지기술연구원 나노소재연구센터 선임연구원