HB-LED 제조업체, 고체조명(SSL)의 경제성 실현을 위한 해답!

HB-LED 제조업체,
대안 기판, 자동화, 그리고 특히 수율에서 고체조명(SSL)의 경제성 실현을 위한 해답을 찾는다!

By Paula Doe, SEMI Emerging Markets

 

현재 대만의 LED 이용률이 생산능력의 70~90%까지 회복하는 등, LED 이용률이 다시 증가하고 있다. 기업들은 TV 백라이트 수요에 힘입어 한두 달 내에 LED 이용률이 생산능력의 100% 가까이 회복할 것으로 기대하고 있다고 욜 디벨로프먼트(Yole Développement)의 수석 애널리스트 에릭 비레이(Eric Virey)는 말했다.  아시아 제조업체들은 일반조명의 수요 또한 되살아나고 있어 올 연말 일반 조명이 회사 매출의 10~30%를 차지할 것으로 예상하고 있다.

“LED 조명은 인기를 끌기 전인데도 이미 범용상품이 되었다. 현재 좋은 품질을 자랑하는 회사는 몇 곳에 불과하지만, 많은 공급업체들 간의 경쟁으로 가격이 빠르게 낮아져 마진도 그만큼 줄고 있다.”고 비레이(Virey)는 말했다.

Packaged LED Price Trends

 

 “범용상품 시장에서는 최저비용 구조를 가진 기업이 승리한다. 그리고 지금까지 비용절감의 가장 중요한 요인은 수율이다.”고 캐너코드 제누이티(Canaccord Genuity)의 조명 및 태양광 주식 리서치 부문 전무이사 제드 도르쉐이머(Jed Dorsheimer)는 말했다.

지금까지 업계 최고 수율은 75~80%이고, 대부분 50%에 머물고 있는 실정이라 개선의 여지는 많다. 특히 에피(epi) 후 공정 자동화에서 많은 개선을 기대할 수 있다. 반도체 산업 스타일의 자동화와 스테퍼(stepper)의 이용, 리프트오프(liftoff), 식각(thinning), 절단 및 분류 공정 개선을 통해 가능하다.

지난해 가격이 50% 하락하면서 사람들이 비용구조에 대해 관심을 갖게 되었고 실제로 백 엔드(BEOL) 공정 자동화에 대한 투자가 증가하고 있다.

 

  LED 패키지 가격 및 실적 전망

 

Metric

2011

2013

2015

2020

Goal

Cool White Efficacy

(lm/W)

 

135

 

164

 

190

 

235

 

266

Cool White Price

($/klm)

 

9

 

4

 

2

 

0.7

 

0.5

Warm White Efficacy

(lm/W)

 

98

 

129

 

162

 

224

 

266

Warm White Price

($/klm)

 

12.5

 

5.1

 

2.3

 

0.7

 

0.5

 

미 에너지부에서 제시한 업계 로드맵에 따르면, LED 조명의 비용과 특히 효율성 부문에서 최근 개선이 이뤄지긴 했지만, LED 조명을 보다 널리 보급하기 위한 목표 가격에 달하기까지는 아직도 상당한 개선이 요구되는 상황이다.

지난해 기준 웜 화이트(warm white) LED의 비용은 $12.50/klm로 내년에는 그 비용을 $5.10/klm까지, 2015년에는 $2.00/klm까지 낮춘다는 목표를 가지고 있다.

쿨 화이트(cool white) LED의 경우 CCT=4746-7040K, CRI=70-80, 웜 화이트 LED의 경우 CCT=2580-3710K, CRI=80-90으로 추산됨. 25°C, 35 A/cm2의 드라이브 전류 밀도에서 측정할 경우의 예상수치이며, 수명은 대략 5만 시간이다.(자료: 미 에너지부 고체조명 R&D 프로그램 계획, 2012년 4월)

 

수율을 결정짓는 가장 중요한 것은 당연히 기판 재료의 선택이다. 아주 낮은 결함률에 고수율 가능성을 지닌 고비용의 균일한 질화갈륨(GaN) 기판이 저비용을 위해 선택해야 할 기판일 가능성이 있다고 도르쉐이머(Dorsheimer)는 주장했다.

실리콘 기판은 저비용을 위한 대안처럼 보이지만, 완전히 감가상각된 장비를 이용해 20%의 자본 비용을 0%로 낮춘다 하더라도, 그리고 낮은 기판 비용 덕에 15% 기판 비용을 0%로 낮춘다하더라도, 수율이 더 낮아지기 때문에 결국 질화갈륨 온 실리콘(GaN on Si)이 사파이어나 탄화규소(SiC) 기판보다 비용이 많이 들게 된다.

 

 

질화갈륨 및 실리콘 기판의 가능성

 

세계 다수의 연구실에서 실리콘 기판에서 만든 LED 디바이스의 성능과 사파이어 기판에서 만든 기존 디바이스의 성능 간 격차를 좁혀가고 있어, 머지않아 두 성능이 비슷해 질 것이라고 비레이(Virey)는 말했다. 따라서 고효율의 8인치 실리콘 공정 장비를 활용하여 비용 절감을 할 수 있느냐가 관건이다.

욜 디벨로프먼트의 비용 시뮬레이션에서는 다이 비용을 50%까지 절감할 수 있었다. 몇몇 기업들은 적어도 더 작은 직경의 사파이어와 비교하면 무려 75%의 비용절감이 가능하다고 추산한다. 이것은 물론 수율, 제조업체의 신규 설비에 대한 투자, 그리고 CMOS 팹을 LED 생산설비로 전환하기 위해 어느 정도의 설비개량이 필요한가에 달려있다.

에피에서 수율에 가장 큰 영향을 미치는 것이 전위 결함이 아니라 MOCVD 공정 중의 보잉(bowing)이다. 따라서 에피 중 열 특성을 잘 조절하면 상당한 개선을 보일 가능성이 있다.

그러나 이것은 CMOS 파운드리에서 생산할 수 있는 LED 제조업체들에게 거의 팹리스 모델의 가능성을 열어준 것이다. 그리고 분명히 업계 공급 방정식에 변화를 가져올 수 있을 것이다. “하나의 CMOS 팹으로도 전 세계 LED 다이를 공급할 충분한 생산능력을 갖출 것이다.”고 비레이(Virey)는 말했다.

질화갈륨 온 질화갈륨(GaN-on-GaN)은 더 적은 보잉으로 더 높은 수율을 보이고, 더 작은 칩 면적에서 더 많은 빛을 얻기 위해 더 많은 전류를 투입할 수 있는 고전류 밀도 장치라는 이점이 있다.

그러나 사파이어나 탄화규소 기판에서 생산한 기존 LED의 효율성이 현재 200lm/W까지 올라가 이론적인 한계에 근접했으므로, 5~10% 정도의 성능 개선 가능성이 있는 질화갈륨 기판을 위해 10배나 높은 기판 비용을 감당할 이유는 없어 보인다. 다시 말하지만, 이것은 수율이 중요한 변수로 작용하는 비용구조가 핵심이다.

 

래터스 파워, 질화갈륨 온 실리콘 양산 추진

 

LED chips made on 2-inch silicon wafer.

래터스 파워(Lattice Power)는 중국의 장시(Jiangxi)에 있는, 하루 수백 개의 2인치 실리콘 웨이퍼를 생산하던 팹에서 상업용 LED 다이를 판매하고 있다고 발표했다. 그리고 12개월 이내에 6인치 웨이퍼 생산을 위한 팹 전환을 목표로 하고 있다고 덧붙였다.

“우리는 이제 R&D 모드에서 벗어나 양산으로 가고 있다.”고 CTO 한민 자오(Hanmin Zhao)는 말했다. 그는 2인치 실리콘에서 성능, 비용, 수율이 2인치 사파이어와 비슷하고, 신뢰성과 수명 테스트는 사파이어와 비슷한 결과를 보였다고 말했다.

자오(Zhao)는 격자 및 열 부조화에 대응하기 위해 다층구조의 버퍼 층을 설계하여 성장시키는 자사의 솔루션이 6인치 웨이퍼로 꽤 잘 옮겨가고 있는 것 같다고 말했다. 6인치 웨이퍼에서는 실리콘의 이점이 훨씬 더 중요하다.

 

LED chips made on 2-inch silicon wafer.

6인치로의 전환은 툴이 저렴하기 때문일 것이다. 반면 더 비싼 툴 비용이 드는 8인치 실리콘에서의 생산이 경제성을 갖추려면, 가동되지 않는 8인치 IC 팹을 가진 파트너가 필요한데, 중국에서 가동되지 않고 있는 8인치 팹은 거의 없는 실정이다.  

자오(Zhao)는 MOCVD 장비를 예외로 하면 CMOS 툴의 70~80%는 아주 조금만 변형시켜도 사용할 수 있다고 말했다.

2012년 7월 11일 개최되는 세미콘 웨스트(SEMICON West)에는 업계 지도자들이 참가, LED 제조 수율 개선을 위한 파괴적인 기술 및 최고의 옵션 등에 대해 논의할 예정이며 다음 웹 사이트(http://www1.eere.energy.gov/buildings/ssl/atlanta2012_materials.html) 에서는 미 에너지부의 고체조명 R&D 워크샵에 대한 더 많은 정보(프리젠테이션 포함)를 얻을 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SEMI에 관하여

SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International, 국제반도체 장비재료협회)는 1970년에 미국 마운틴 뷰에서 설립되었고, 세계 반도체 장비, 재료 산업 및 평판 디스플레이(FPD), MEMS, NANO, 태양광 산업을 대표하는 세계 유일의 국제 협회입니다.  한국 내 170여 개 회원사를 포함하여 전 세계적으로 2,500여개의 회원사들로 구성되어 있으며, 캘리포니아 산호세에 본부를 두고 서울, 브뤼셀, 도쿄, 싱가포르, 타이완, 모스크바 및 상하이, 인디아에 사무국을 갖고 국제표준규격(Standards), 무역전시회(SEMICON Exhibition), 마켓통계, 기술 심포지엄, 대정부관계 등의 활동을 펴오고 있습니다.

 

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