전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.1 특집요약 (p88-92)

심자외선 LED 용도 빠르게 확대
시장은 10년 만에 약 100배 성장, 출력 향상으로 수은 등의 대체도 시야에

심자외선, 좀 더 구체적으로는 UV-C로 불리는 파장이 100n~280nm의 전자파를 출력하는 LED(UV-C LED) 시장이 빠르게 확대되고 있다.

조사회사인 영국의 Allied Market Research의 예측에 따르면, UV-C LED의 세계 시장 규모는 2020년 약 2억달러(약 280억엔)에서 2030년에는 약 100배인 189.4억달러(약 2.65조엔)라는 맹렬한 기세로 급성장할 전망이다. 2021~2030년 연평균 성장률(CAGR)은 59.7%로, 많은 성장 사업 중에서도 월등히 높다.

그 계기는 여전히 만연해 있는 코로나19 때문이다. UV-C LED의 이용 목적은 곰팡이나 세균의 살균, 바이러스의 비활성화 등 위생적인 환경 유지가 대부분이다. 예전에는 물 살균이 주된 상정 용도였지만 최근에는 방이나 건물 내 공기, 에스컬레이터 난간, 그리고 각종 소지품을 살균하는 UV-C 장치가 급증하고 있다.

-- 소형기기를 ‘즉석’에서 이용 --
하지만, 빌딩의 에어컨 덕트 등에 설치되는 다소 대형의 거치형 UV-C 장치는 수은 램프를 이용한 제품, 혹은 수은 램프와 UV-C LED를 조합한 것이 많다. 수은 램프는 1개의 총 광출력이 수 외트에서 수 십 와트로, 고출력에 가격도 비교적 저렴하다.

따라서 총 광출력에서 뒤떨어지고 가격도 비교적 비싼 UV-C LED의 제조사들은 코로나 사태 전까지 수은 램프와의 경쟁 속에서 독자적 용도 개척에 어려움을 겪으면서 자체 생산에서 철수하는 기업들도 적지 않았다.

하지만 코로나로 상황은 달라졌다. 스마트폰이나 소지품, 동전, 혹은 문고리 등 일상생활 속에서 자주 사용하거나 불특정 다수가 만지는 물건을 ‘즉석에서 살균’하고 싶은 수요가 급증했기 때문이다. 수은 램프의 경우, 스위치를 켜도 실제 광출력이 높아질 때까지 시간이 걸리는 반면, UV-C LED는 스위치를 켜면 바로 사용할 수 있다는 점도 이러한 새로운 시장에 적합했다.

결과적으로 최근 등장한 UV-C LED의 용도는 (1) 수은 램프로는 실현할 수 없는 초소형에 경량, 휴대 가능한 기기 (2) 탈취 등 다른 용도와 조합한 기기 (3) 펜이나 물병 등 자주 사용하는 휴대품 등으로의 도입이 중심이 되고 있다.

-- 자동차 내장용으로의 채택 사례 잇따라 --
최근에는 자동차 내장용으로도 UV-C LED가 속속 채택되기 시작하고 있다. 예를 들면, 닛산자동차는 올 5월에 발표한 전기자동차(EV) ‘닛산 사쿠라’의 인스트 슬라이드 박스 내부에 UV-C LED를 설치하는 옵션을 마련했다. 마스크 등을 살균할 수 있다고 한다.

올 9월에는 한국 서울반도체의 자회사 서울바이오시스의 UV-C LED(파장은 닛케이크로스텍의 추정으로 275nm)가 현대모터의 고급 세단 '제네시스 G90'의 콘솔 박스에 채택되었다. 이 밖에도 불특정 다수가 승차하는 국내외 택시와 공유차에 UV-C LED의 도입이 속속 추진되고 있다.

-- LED의 고출력화 추진 --
사회적 용도가 확대되고 있는 한편, UV-C LED 자체의 고출력화도 추진되고 있다. 출력이 높아지면 더 넓은 범위를 더 짧은 시간에 살균할 수 있어 더욱 용도가 확대된다.

몇 년 전만 해도 1개의 LED 칩으로 광출력 50mW이 최대였지만, 최근에는 70m~100mW 출력 제품들의 출시가 잇따르면서 기술 수준이 향상되고 있다. 연구개발 분야에서는 세 자리수의 광출력도 실현되고 있다.

구체적으로는 정보통신연구기구(NICT) 미래ICT연구소 고베(神戶)프론티어연구센터 심자외선광ICT연구실의 이노우에(井上) 실장이 2017년 4월, 세계 최초로 광출력 150mW의 UV-C LED, 이어서 2019년 10월에는 520mW의 UV-C LED를 발표했다.

-- 결정 결함이 대폭 감소 --
150mW 실현의 포인트는 광 추출 효율을 높이는 소자 표면의 '나노 광구조' 개발이었다. 반면, 520mW는 “어떤 일부 기술이라기보다는 소자 전체의 최적화를 추진했다. (굳이 말하자면) 질화알루미늄(AlN) 기판의 결정성을 비약적으로 높였다. 결정 결함 밀도는 10³개/cm² 오더로, 사파이어 기판의 10⁸~⁹개/cm²에 비해 크게 낮다”(NICT의 이노우에 실장). 그 결과, 양자 효율, 신뢰성 및 수명이 향상되었다고 한다.

또한 열 발생으로 이어지는 전류의 오버플로우, 전자와 정공의 비발광 재결합을 막기 위해 추진된 배리어층에 대한 연구개발 등이 전류를 높였을 때 발광 효율이 저하되는 '드루프(Droop) 현상' 억제로 이어졌다고 한다. 이노우에 실장은 “UV-C LED의 고출력화가 더욱 발전할 여지는 아직 남아있다”라고 말하며, 새로운 출력 성능 향상에 주력할 계획이라고 한다.

기초연구뿐만이 아니다. NICT는 10월, 500mW급 UV-C LED 20개를 이용한 광출력 8W의 핸디 조사기도 시작(試作)했다. 이러한 와트급 광출력을 50mW의 UV-C LED로 실현하기 위해서는 수 백 개를 도입할 필요가 있다. UV-C LED의 광출력이 높아지면 이용에 필요한 개수를 줄일 수 있어 소형화 및 양산 시의 저렴화로 이어진다.

-- 면적과 전류를 늘려 실현 --
현시점의 UV-LED 제품에서 최고 수준의 광출력을 자랑하는 것이 스탠리전기의 광출력 200mW의 UV-C LED이다. 하지만, 이 LED는 어떻게 보면 '힘을 이용한 기술'로 출력을 높인 것이다.

일반적인 UV-C LED 칩은 1mm 정도의 크기로, 여기에 350mA 전후의 전류를 흘려보내는 경우가 많다. 한편, 스탠리전기의 200mW 제품은 스탠리전기의 50mW 제품 면적의 약 4배인 2mm 정도의 칩을 이용, 여기에 1,700mA라고 하는 약 4배의 전류를 흘려보냄으로써 표준 200mW의 광출력을 실현했다. 완성도가 좋은 제품은 330mW까지 광출력이 가능하다고 한다.

발광효율은 2%가 되지 않아 높다고는 말할 수 없지만, 최근 요구되는 소형 휴대용 조사기를 이용한 '즉석 살균' 용도는 높은 출력으로 단시간에 조사하는 것이기 때문에 발광효율이 반드시 중요한 것은 아니다.

하지만 아직 이 패키지를 구현한 제품은 없다. 스탠리전기는 이것과는 별도로 50mW제품 4개를 1패키지에 담은 UV-C LED 광원을 9개 이용한 유수(流水) 살균 리액터를  9월에 발표. 이 밖에도 1칩 버전인지 4칩 버전인지는 공개하지 않았지만, 200mW 패키지를 53개 이용한 10W급 물 살균 리액터도 시작(試作)했다고 한다.

-- 수은 램프 시장의 대체 가능성도 시야에 --
와트급의 '살균' 장치가 UV-C LED로 비교적 쉽게 실현될 수 있게 된다면 드디어 수은램프 시장의 대체 가능성도 시야에 들어온다. 실제로 아사히카세이(旭化成)는 9월, 개발 중인 UV-C LED식 유수(流水) 살균기 '클라란 WR(Klaran WR)'이 대장균 살균 성능에서 같은 소비전력의 수은램프식 유수 살균기를 크게 앞섰다고 발표했다. 소비전력은 6W이다.

이 UV-C LED에는 아사히카세이가 개발 중인 '클라란 LA'가 사용되었다. 아사히카세이는 이 LED를 몇 개 사용했는지, 최대 광출력은 어느 정도인지 등에 대해 공표하지 않았지만, 500mA의 전류 시에 광출력이 100mW라고 한다. 발광효율은 24%로 상당히 높은 수준이다.

-- 광출력 1/10이라도 살균 능력으로 승부 --
클라란 WR의 실제 광출력에 대해서도 아사히카세이는 밝히지 않았지만, 클라란 LA를 사용하고 있기 때문에 발광효율은 2~4%를 넘지 않는다. 한편 수은램프식의 발광효율은 20~40%. 따라서 투입되는 전력이 같을 경우, 클라란 WR의 광출력은 수은램프식의 1/10 이하가 된다. 그럼에도 불구하고 클라란 WR이 높은 살균 성능을 보였다.

아사히카세이는 그 이유에 대해 “광학설계와 유체설계의 기술로 달성했다”라고 밝히고 있지만, 보다 구체적인 이유로는 (1) 발광파장이 수은램프의 경우 일반적으로는 254nm이지만, 클라란 WR은 265nm로 살균. 정확하게는 DNA 등의 파괴에 의한 살균 및 바이러스의 불활성화에 보다 적합하다는 점 (2) 수은램프는 광원의 단위면적 당 광출력이 UV-C LED보다 낮은 경우가 많다는 점이다.

수은램프는 광출력이 수 십 와트인 제품도 있지만, 그보다 광출력이 한 자릿수 낮은 수 와트의 UV-C LED로도 제품 설계에 따라 승부할 수 있는 것이다.

-- 끝 --

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