WPM 9분과/LED용 사파이어 단결정 소재 개발 동향

이희춘 사파이어테크놀로지 대표이사 (WPM 9분과 사업단장)

1. 서론
사파이어는 알루미늄(Al)과 산소(O)가 결합한 형태의 화합물인 알루미나(Al2O3)가 2050℃ 이상의 온도에서 녹은 후 응고되는 과정에서 육각형 격자 형태의 결정구조를 가지고 한 방향으로 응고된 상태로 단결정화된 물질이다.
고휘도 청색, 백색 LED 소자에 사용되는 사파이어 단결정 기판은 LED 산업의 기초 소재로서 전세계 LED 시장의 고성장으로 인해 수요가 급증하며 친환경, 에너지 절감형 광원으로서 미래 융합산업에 최적의 광원으로 부상하고 있다.
최근에는 LED 광원을 적용한 TV의 생산이 급증하며 전체 LED 수요시장을 새롭게 견인하고 있다. 현재 전체 LED의 약 80% 정도는 질화물계(GaN 기반) LED가 차지하고 있으며 일부 SiC 단결정 기판은 질화물계 결정의 에피택셜 성장을 위한 기판으로 사용된다. 그리고 나머지 대부분의 LED 제조에는 사파이어 단결정 기판이 사용되고 있다. 질화물계(GaN) LED 기판은 단결정 성장이 쉽지 않으며 단가가 높기 때문에 상대적으로 저렴한 사파이어가 LED 기판으로 사용되고 있다.
하지만 이 기초 소재의 수입 의존율은 여전히 70%에 육박하고 있다. 따라서 국내기술로 대구경의 고효율 사파이어 단결정 소재 개발이 시급한 가운데 지식경제부에서는 해당 소재를 WPM 10대 소재로 선정해 기술개발을 지원하기로 했다.
우리 사업단은 WPM 10개 사업단 중 9분과에 해당하며 공식 명칭은 ‘슈퍼 사파이어 단결정소재 사업단’이다. 총괄주관기관은 ㈜사파이어테크놀로지, 세부주관기관은 각각 ㈜사파이어테크놀로지, ㈜KCC, ㈜크리스탈온이 맡고 있다. 다음 페이지의 그림 1-3은 우리 사업단의 구성을 보여준다.

2. LED용 사파이어 단결정 소재 기술 개요
우리 사업단의 최종목표는 무결함 300mm 기판에 대응 가능한 회수율 50% 이상의 고품질 사파이어 잉곳 및 기판을 개발하는 것이다. 대구경·고효율의 잉곳을 성장시키는 기술을 구현하여, 기존 LED 소자 임계 성능의 한계를 극복하고자 한다.
이를 위해 우리 사업단은 LED의 핵심소재인 사파이어 소재 개발을 위해 고순도 알루미나(Al2O3)원료 제작기술, 사파이어 단결정 성장기술, 사파이어 기판 가공기술 전체를 하나의 컨소시엄으로 묶고 수직계열화 하였으며 곧 새로운 시장 창출 및 세계시장의 주도권을 확보하는 등의 성과를 얻을 수 있으리라 확신한다.

2.1. 세부1-1과제
제 1-1세부과제에서는 (주)사파이어테크놀로지가 자체 개발한 VHGF(Vertical-Horizontal Gradient Freezing)법을 이용, 직육면체 형상의 사파이어 단결정을 a-축으로 성장시켜 낮은 수율(코어 실린더 무게/잉곳 무게×100)을 높이고 최종 개발 목표인 고품질화와 대구경화 기술을 이루고자 한다. 그림 2-3은 VHGF 방식과 그 결과물인 직육면체 형태의 사파이어 단결정을 각각 보여준다.
LED용 사파이어 기판의 제조 공정도는 그림 2-4와 같다. 일반적으로 사파이어 잉곳이란 원통 모양의 사파이어 단결정을 슬라이싱(slicing)하기 전 단계로 기준면(Orientation Flat, 그림 2-4) 가공까지가 완료된 상태를 의미한다.
본 과제에서는 제조공정도상의 기준면 가공까지가 완료된 상태인 LED 기판용으로 사용 가능한 고품질의 대구경 사파이어 단결정 잉곳을 개발하고자 한다.
현재 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 키로풀러스(Kyropoulos)법은 멜트(melt)에 씨드(seed)를 넣고, 서서히 위로 끌어올리면서 결정을 성장시키는 방식으로 원기둥 형태의 잉곳만을 생산할 수 있기 때문에 그림 2-5에서 보는 바와 같이 회수율이 매우 낮은 편이다. 그에 비해 VHGF방식은 단결정이 육면체 도가니 안에서 서서히 응고하면서 성장하므로 도가니 형태 그대로인 육면체 잉곳을 제조할 수 있어 회수율이 원기둥 형태와 비교하여 두 배 이상 높다.
그림 2-6에서는 현재 양산되고 있는 사파이어 기판의 결함밀도를 비교해 볼 수 있다. 이처럼 VHGF방식으로 사파이어 단결정을 성장시킬 경우 다른 성장방법에 비하여 결함밀도가 낮은 사파이어 단결정이 성장된 것을 볼 수 있다.

2.2. 세부1-2과제
제 1-2세부과제에서는 세부주관기관인 (주)KCC는 일본 후쿠다 결정기술 연구소와 공동 연구로 쵸크랄스키(Czochral
ski)법을 적용, 사파이어 단결정의 c-축 성장기술을 개발한다. 사파이어 잉곳 양산이 실제 진행 중인 a-축 성장과는 달리 c-축 성장 잉곳은 상대적으로 결함이 많아 양산에 잘 사용되지 않고 있으나, 고품질 성장기술 개발에 성공할 시에는 세계 사파이어 시장 선도가 가능할 것으로 예상하고 있다.
그림 2-7은 쵸크랄스키법을 이용한 로드(rod) 잉곳의 제조 공정도를 나타낸다. 이를 이용하여 c-축으로 단결정을 성장시킬 경우 기존의 코어 드릴링 공정을 하지 않아도 되어 경제적이며, a-축으로 성장하였을 때보다 잉곳 가공 시 높은 수율(코어실린더 효율=코어실린더 무게/잉곳 무게 * 100)을 얻을 수 있다.
본 세부과제의 참여기업인 KC(주)는 결정성장 시 불순물의 혼입에 따른 단결정의 결함 문제를 해결하기 위하여 사파이어 기판의 원재료인 고순도 알루미나 원료(99.999% 이상)를 개발하고자 한다. 알루미나 분말을 제조하는 기술을 확보하기 위하여 최적의 제조조건(촉매반응, 불순물정제, 숙성온도, pH, 고액분리, 가수분해 등)을 확립하고, Pilot 설비(50Kg/day)를 설계 및 제작하는 등 양산체제를 구축할 필요가 있다.

2.3. 세부2과제
제 2세부과제에서는 대구경 사파이어 기판의 품질 편차 최소화와 표준화를 위한 표면가공기술 및 평가기술 개발을 통해 사파이어 기판과 LED 칩의 생산효율을 증대를 꾀하고 있다. 단결정 잉곳을 절단, 랩핑, 폴리싱 공정을 거쳐 GaN Epitaxial 성장에 적합한 평탄도와 무결점에 가까운 표면특성을 갖는 사파이어 기판 제조기술을 확보하고 LED chip 크기의 증가와 Epitaxial 공정의 생산성 향상에 유리한 150mm, 200mm, 300mm급 대구경 기판의 제조기술을 확보해 단면과 양면의 Polishing 기술을 개발하고자 한다.
이 과제에서는 전착 다이아몬드 와이어소(Wire Saw)를 개발하여 장비를 국산화하고 고 평탄도 기판가공, 절단두께 및 두께편차의 감소에 따른 품질과 수율 증가 가공공정을 개발 중이다. 랩핑에서 결정되는 기판 면의 거칠기는 최종제품의 뒷면 거칠기를 결정하므로 연마재 입자의 크기를 적절히 조절하여 거칠기를 관리해야 한다. 이번 과제가 성공적으로 마무리 될 경우 양적인 면에서 효율이 높은 동시에 지속성과 재현성이 우수한 연마재의 국산화를 이룰 수 있을 것으로 전망한다.
폴리싱 공정에 사용되는 다결정질 다이아몬드와 CMP
(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 사용되는 CMP슬러리(수십 나노크기의 colloidal silica sol)는 일본, 대만, 미국으로부터 수입되는데 이 또한 과제를 통해 국산화하고자 한다.

3. 중요성과 파급효과
3-1. 개발 대상 기술·제품·소재의 중요성
LED BLU의 수요급증으로 ‘09년 사파이어 기판수요가 전년대비 400% 증가했으며, ‘15년 조명시장의 30%를 LED가 대체할 것으로 예상됨으로, 사파이어 기판의 수요는 지속적으로 성장할 전망이다. 지금까지의 국내 LED산업은 에피, 칩, 모듈 등의 고부가가치산업의 발전에만 치중되어 있었으나 LED산업이 급성장에 따른 기초기반산업의 비중이 높아지면서 생산성 향상을 통한 시장경쟁력 확보를 대구경의 고효율 사파이어 단결정의 성장기술이 절실히 요구되고 있다.
최근 이산화탄소로 인한 지구 온난화 문제가 글로벌 이슈로 떠오르면서 현재의 조명 방식이 글로벌 이산화탄소 발생량의 약 15%를 차지하고 있다는 사실에 기인하여 세계 각국은 광효율이 낮은 백열등의 퇴출과 더불어 광 효율이 우수한 LED 조명의 선택을 강제하고 있으며 2008년부터 시작된 불황을 녹색성장으로 극복하기 위하여 LED 조명 산업 육성 정책을 속속 발표하고 있다. 그림 3-1은 MOCVD 장비(Aixtron G4HT)를 기준으로 기판크기 증가에 따른 웨이퍼와 칩의 생산효율 증가 정도를 보여준다. 기판 크기가 증가함에 따라 생산효율이 증가하여 대구경 웨이퍼의 개발 시 국내외 경쟁사와 비교하여 가격경쟁력에서 우수한 제품을 대량으로 공급할 수 있게 되고 이로서 곧 시장에서의 우위를 점할 수 있게 될 것이다.
2008년까지 LED에는 주로 2인치 사파이어 기판이 사용되었으나 현재는 삼성 LED 및 대만 등을 중심으로 4인치 기판 시장으로 상당 부분 이동 중에 있다. 국내 유일의 LED용 사파이어 단결정 생산 업체인 사파이어테크놀로지는 2007년부터 사파이어 기판 제조사인 크리스탈온 및 일진디스플레이와 협력하여 삼성 LED의 4인치 에피웨이퍼 연구개발 과정에서부터 함께 참여하였고, 2008년 하반기 시생산 개시 후 현재까지 삼성 LED에 안정적인 4인치 사파이어 단결정 기판 공급을 해오고 있다.
2013년 이후에는 반도체 시장과 마찬가지로 사파이어 기판의 대구경화가 급속히 이루어져 6인치 기판으로 빠른 전환이 이루어 질 것으로 예상되는데 LED 제조용으로서 6인치 이상 대구경 사파이어 웨이퍼가 사용되려면, 사파이어 웨이퍼의 표면을 매끄럽게 다듬으면서도 고평탄도를 유지하는 고도의 가공기술이 요구된다. 이는 경도가 매우 높은 사파이어에서는 쉽지 않은 공정이므로 웨이퍼 절단부터 표면처리 설비의 설계와 공정조건의 기술 확립이 필요하다.

3-2. 파급효과
본 기술은 LED의 전방산업으로서 생산력 증대 및 그에 따른 시장 경쟁력 확보를 위한 대구경 사파이어 단결정 기판 제조기술의 개발이 완료될 경우 국내 LED 제조업체에서 시장 및 기술우위 확보를 위한 토대가 마련될 것이며 LED의 국산화 비율을 높임으로서 수입대체효과도 매우 클 것이며 수출의 증대효과도 예상된다.
LED 산업은 특성상 여러 단계의 전후방 산업이 함께 성장해야 하는데 이러한 특성은 BLU, 조명 등 최종 제품을 생산하는 업체와 기판, 부품, 장비, 재료 등 다양한 연관 산업의 성장을 촉진시킬 수 있다. 게다가 LED 산업과 태양광 산업이 융합될 경우 새로운 제품(예: 태양열로 작동하는 LED 가로등 등) 또는 시장 창출 효과를 기대할 수 있다.
이번 WPM사업의 진행을 통해 사파이어 잉곳의 고품질 대구경화를 통한 세계시장 진출, 기술 국산화로 인한 원자재 단가 하락으로 LED 시장 내 경쟁력 확보가 가능해지며 그 효과는 한 두 개의 기업이 아닌 국가 전체가 향유할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
마지막으로 LED BLU 및 조명시장의 확대는 시장 확대의 가능성이 과거의 메모리 반도체 산업과 비슷할 것으로 예상되고 있지만 전방산업의 경우 대기업들보다는 중소기업들이 포진하고 있기 때문에 관련 산업이 발전하게 되면 중소기업의 저변 확대 및 인력 채용의 기회가 확충되는 효과가 예상된다.

4. LED용 사파이어 단결정 소재 개발의 메가트렌드
4-1. 국내 기술 동향
a. 사파이어 단결정 성장
국내에서는 LED 기판용 사파이어 단결정을 제조하는 데에 있어 가장 큰 문제점인 회수율상의 엄청난 손실을 해결하고자 전 세계적으로 개발되어 있는 기존의 사파이어 단결정 성장 방법들과는 전혀 새로운 방법인 VHGF법을 사파이어테크놀로지에서 독자 개발하여 사파이어 단결정을 생산하고 있다.
VHGF방식은 통해 세계적으로 가장 많이 사용되는 방법인 사파이어 단결정 성장법인 키로풀러스법에 비해 수율이 2배 이상 높고, 단결정 크기(지름 및 길이) 및 형상의 제약이 없으며, 품질이 매우 우수한 사파이어 단결정의 제조를 가능하게 하였다. 현재 사파이어테크놀로지에서 VHGF공법으로 제조된 100mm급(4인치) LED용 사파이어 단결정은 현재 세계에서 가장 많이 4인치 사파이어 기판을 사용하고 있는 삼성 LED 등에 공급되고 있다.
LED 기판용 사파이어 제조기술의 경우 일반적으로 가장 널리 알려진 단결정 성장법인 쵸크랄스키법이나 사파이어 단결정 제조에 있어 현재 전 세계적으로 가장 높은 점유율을 차지하고 있는 키로풀러스법은 모두 원기둥 형태의 단결정을 제조하는 방법으로서 현재 우리나라의 많은 기업들이 이 두 가지 기술을 도입하는 것을 검토 중에 있다.
국내의 일부 업체와 연구소 및 대학 등에서 쵸크랄스키법 등에 의한 사파이어 단결정 성장 기술의 개발을 시도하였으나 아직 상용화가 가능한 정도의 크기를 성장시킬 수 있는 기술 수준에는 미치지 못하고 있는 실정이다.
우리 사업단 내 세부1-2과제를 수행하고 있는 KCC의 경우 일본 후쿠다 결정기술 연구소와 공동 연구를 통해 직경 150mm 이상의 대구경 사파이어 단결정 c-축 성장 기술을 개발 중에 있는 데 쵸크랄스키법을 이용 중에 있다.

b. 사파이어 기판 가공
국내에서는 2000년도 후반부터 본격적으로 사파이어의 기판 가공 시장규모가 확대되기 시작했다. 현재 우리 사업단 세부2과제를 수행 중인 크리스탈온과 일진디스플레이는 특히 4인치 사파이어 기판 공급과 더불어 기술적으로 평탄도 등 기판 품질 수준을 세계 최고 수준까지 끌어 올린바 있다.
2010년부터는 사파이어 기판 가공 시장규모에서 대만을 앞지르기 시작하였으며 09년부터는 100mm(4″)기판을 100% 사용하면서 대구경화에도 기술적인 선도를 하고 있다. 국내 업체인 크리스탈온과 일진디스플레이에서도 LED의 생산성과 효율을 높이기 위해서 150mm(6″)기판의 개발이 완료 단계에 이르고 있다. 기판 절삭용 Diamond coated wire는 현재 일본의 Asahi, ALMT 등이 시장을 독점하고 있다. 국내에서는 이화다이아몬드공업과 일진다이아몬드 등이 활발한 연구 활동이 펼치고 있다. 이 두 업체는 우리 사업단 내에서 세부2과제 참여기관으로 활동 중이다.

4-2. 국외 기술 동향 및 수준
초기 LED용 사파이어 단결정은 쵸크랄스키법으로 개발되어 사용되었으나 제조비가 너무 높은 단점이 있었고, 이러한 쵸크랄스키법의 단점을 해결하기 위한 방법으로 키로풀러스법이 각광을 받아 비약적인 발전이 이루어졌다. 키로풀러스법법을 활용한 a-축 사파이어 단결정 잉곳을 제조하고 있는 업체는 루비콘(Rubicon,미), 모노크리스탈(Monocrystal,러), 신코샤(Shinkosha,일), ACME(대), Alpha-xtal(대) 등 다양한 회사들이 있다.
150mm 이상 대구경 사파이어 단결정 잉곳 대응이 가능하기 위해서는 고순도 알루미나 원재료를 65kg 이상 Charge할 수 있는 단결정 성장 기술이 요구되고 있으나 현재 Rubicon과 Monocrystal 등 일부 업체에서만 대응이 가능한 상태로 아직 본격적인 양산에 이르지는 못하고 있다.
LED가 BLU로서 본격적으로 쓰이지 않았던 2008년까지 LED용 사파이어 웨이퍼를 만드는 방법은 키로풀러스법, EFG(Edge-defined Film-fed Growth)법, 쵸크랄스키법 등이 사용되어 왔지만 이 중에서도 EFG법이 가장 널리 사용되었다. 2인치 및 3인치 웨이퍼에서는 EFG법이 태생적으로 가지고 있는 Edge에서의 스트레스가 큰 문제가 되지 않았으나, 사용자들이 4인치 이상의 웨이퍼를 찾게 된 이후부터는 스트레스로 인한 결정결함이 많은 EFG법보다는 전통적인 키로풀러스법이 각광을 받게 되어 미국의 루비콘 및 러시아의 모노크리스탈 등이 공급의 1, 2위를 차지하게 되었다.
MOCVD 기술의 발달과 맞물려 LED 제조업체들이 6인치 이상의 대형 웨이퍼를 요구하게 되었으며, 이러한 요구에 맞물려 현재는 대구경 잉곳 및 웨이퍼 제작이 가능한 키로풀러스법이 유일한 방법인 것으로 인식되고 있으나, 또 한편으로는 c-축성장이 가능한 것으로 보고되고 있는 쵸크랄스키 방식에 대한 연구가 일본을 중심으로 진행되고 있다.
일본은 LED 산업전반의 기술을 선도한 국가이며 사파이어기판의 가공 분야에서도 교세라, 나미끼. 신코사 등이 줄곧 시장을 리드해 왔고 전통적으로 기판제조에 필요한 기술력이 좋은 장비산업기반을 자국 내에 보유 중이며 이를 기반으로 150mm 이상의 대구경 기판 가공기술을 선도하고 있으며, 기판의 가장 중요한 특성인 평탄도에서 세계 최고 수준의 기술력을 보유 중이다. 대만은 원가적인 측면에서는 중/저급 품질의 제품으로 자국 시장 및 중국시장을 중심으로 시장을 주도하고 있으며, 기판의 가공은 주로 50mm(2인치)가 주력이며, 최근 100mm(4인치)의 기판수요가 증가하는 추세이다.

4-3. 국내·외 시장 규모 및 수출·입 현황
세계 시장 규모는 Yole Developpement “Sapphire market 2010”을 기준으로 환율은 2010년 6월 25일 기준으로 계산하였으며, 2013년 이후 매년 20%의 성장을 추산하였다. 한국 시장 규모는 현재년도 기준 세계시장의 30%로 추산하였으며, 개발 종료 후에는 본 과제의 목표량 50%로 추산하였다. 수출입규모는 관세청 홈페이지의 2010년 6월 25일 기준 인조 사파이어 단결정 항목을 검색하여 당일 기준 환율 1USD 대비 1,217원을 적용해 책정하였다.

5. 결론
지금까지 WPM 10대 소재로 선정된 LED용 사파이어 단결정 기술 개요와 WPM사업단의 기술개발 현황에 대해 알아보았다. WPM사업은 금년 9월부터 시작해 2019년 3월까지 진행되는 장기 프로젝트이다. 필자는 사업단장으로서 우리 사업단의 모든 참여기관이 본 과제를 성공적으로 수행하고 사업화에 이를 수 있도록 총력을 기울일 것이다.
이번 과제를 통해 최대 크기와 최상 품질의 사파이어 단결정을 성장시키는 독보적인 기술을 보유한 기업과 세계 최고의 사파이어 가공 기술을 가진 기업들이 유례 없이 이상적인 협력구도로 같은 사업단을 이루게 되었다. 이제 우리에게 남은 것은 대구경·고효율의 LED용 사파이어 단결정 개발을 성공적으로 이루어 우리나라를 전세계 LED 산업의 미래를 리드하는 LED 기술강국이 되게 하는 것뿐이다. 세라믹코리아 독자 여러분께도 지속적인 관심과 성원을 부탁 드린다.

그림 1-1. 사파이어 단결정 및 결정 구조
그림 1-2. 사파이어 단결정 및 결정 구조
그림 1-3. WPM사업단 9분과 기술개발팀 편성도
그림 2-1. LED용 사파이어 단결정 소재 기술
그림 2-2. 세계 사파이어 시장 및 성장률
그림 2-3.
그림 2-4. LED용 사파이어 단결정 기판 제조 공정도
그림 2-5. 잉곳 회수율 비교도
그림 2-6. 성장방법에 따른 사파이어 기판의 결함밀도의 비교
그림 2-7. 쵸크랄스키법c-축 성장을 이용한 로드(rod) 잉곳 제조공정
그림 2-8. 사파이어 기판 가공 흐름도

Wafer 생산효율
 
Wafer 생산효율

 구분  2″ 4″ 6″ 8″ 12″
 그림 3-1. 사파이어 기판 크기에 따른 웨이퍼 및 칩 생산효율

이희춘
서울대학교 공과대학 금속공학과 졸업
서울대학교 금속공학 석사
서울대학교 금속공학 박사
한국과학기술연구원
강원산업 (현 현대제철)
현) (주)사파이어테크놀로지 대표이사

< 본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2011년 1월호를 참조바랍니다 >