KISTI 산업시장분석실 선임연구원 유형선 (Tel: 02-3299-6173 e-mail: hsyoo@kisti.re.kr)

 1) 제품개요 
에너지와 환경에 대한 이슈가 글로벌 관심사로 대두되면서, LED는 친환경·고효율 광원의 대명사로 우리의 삶속에 친숙하게 자리 잡았다. LED(Light Emitting Diodes), 즉 ‘발광 다이오드’는 전류를 흘려주면 빛을 발생시키는 반도체 소자로, 사용된 반도체 물질의 고유 전자 준위에 따라 특정 파장(색)의 빛을 발생시킨다. 지금까지는 주로 디스플레이와 조명에 사용되면서, 사람이 볼 수 있는 가시광선 영역의 빛을 발생시키는 LED에 대한 기술개발이 주를 이루었다.

그러나 최근에는 그 영역이 확장되어 자외선(Ultraviolet, UV)이나 적외선(Infrared)을 방출하는 LED 제품의 상용화도 이루어지고 있다. 특히 200~400nm 영역의 자외선은 경우에 따라 인체에 해롭지만 경화(curing), 살균 등 다양한 기능을 갖추고 있어, UV LED가 폭넓은 응용 분야에서 새로운 광원으로서 주목 받고 있다.

LED 조명이 기존의 백열등, 형광등과 비교하여 다양한 장점을 갖듯이, UV LED도 기존에 일반적으로 사용되던 수은 UV 램프에 비해 다양한 장점을 갖고 있다. 수은 UV 램프는 우리가 흔히 알고 있는 형광등의 유리관 안쪽에 형광막이 코팅되지 않는 구조로 되어 있어, 백색 빛이 나지 않고 수은 방전으로 인해 발생한 자외선이 그대로 방출된다. UV LED는 수은 UV 램프에 비해 파장 제어가 용이하고 소비전력이 낮으며 발열이 적은 장점을 가지고 있다. 또한 고체조명으로서 내구성이 우수하고 수은과 같은 유해 방전 가스를 사용하지 않아 친환경적이며, 수명도 매우 길다. 수은 UV 램프는 안정화를 위해 전원을 켜고 예열을 시켜야 하지만 UV LED는 반응 속도가 빠를 뿐만 아니라, 크기가 작아 여러 디자인이 가능하여 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 전망된다.

                                               <표 1> UV LED의 장점

자외선은 파장에 따라 UVA(400~315nm), UVB(315~280nm), UVC(280~100nm)로 구분되며, 각각의 범주에 따라 응용분야가 달라진다. 비교적 에너지가 강한 UVC 영역은 공기, 물, 음식을 비롯하여 다양한 생활용품의 살균 소독에 활용될 수 있는 반면, 의료나 미용 등 인체에 가해지는 경우 에너지가 상대적으로 약한 UVA/UVB 영역의 빛이 활용된다. 현재까지는 UVA/UVB 영역의 빛을 이용하여 잉크, 접착제, 코팅제의 액상 단량체(monomer) 등을 고분자 중합을 통해 고체로 변화시키는 경화/인쇄 영역이 UV 램프의 주요 활용 분야였으며, 반도체 공정 등 전자 부품 생산, 인쇄, 각종 코팅 및 장식 등에 활용되었다. 그러나 최근에는 제품 생산 공정 검사, 바이오/화학/환경 센서, 식물 농장, 문서/지폐 위조 감별, 조명, 공기정화, 식수살균, 폐수처리, 휴대전화/침구류 등의 생활용품 살균, 에어컨/냉장고/정수기 등 전자 제품의 제균 및 탈취, 네일 아트, 치과/피부과 의료 분야 등으로 활용이 확대될 것으로 기대된다. 여기에 다양한 장점을 가진 UV LED는 이러한 가능성을 더욱 높여줄 것으로 기대되며, 특히 살균/정화를 위한 UVC 영역 제품의 수요가 증가할 것으로 기대된다.

                                           <표 2> UV LED 광원 시장 규모 전망

(단위:백만 달러, 억 원)

자료 : Yole Development 2013을 바탕으로 KISTI 추정. 환율 1,100원 적용.

시장의 성장이 빠를 것으로 예상되는 이유는 UV LED 광원의 다양한 장점을 바탕으로 기존 수은 램프를 빠르게 대체할 뿐만 아니라 새로운 응용분야도 창출할 수 있기 때문이다. 수은 UV 램프는 낮은 효율과 수은 가스 사용 문제로 형광등과 함께 장기적으로 환경 규제 대상이 될 가능성이 높다. 그리고 최근 마이크로 스피커, 고성능 카메라 모듈 등이 탑재된 스마트폰 생산 공정, OLED 디스플레이, 터치스크린 생산 공정 등 고정밀 미세 접합이 필요한 분야가 늘어남에 따라 UV 장비의 수요도 커지고 있는 상황이다. 또한 치과/피부과 치료, 식물 농장을 비롯하여, 네일 아트용 경화 장치나 휴대전화 살균기와 같이 휴대할 수 있는 제품의 경우 기존 광원에 비해 UV LED 광원으로 접근하는 것이 보다 용이하다.

 3) 경쟁 상황
기존의 UV 램프 시장에서는 Phoseon Technology(미), Fusion UV systems(미), Baldwin(영), Heraeus(독), Hamamatsu(일) 등 미국, 유럽, 일본 기업이 선도해 왔고, 주로 경화 장비의 램프 교체 수요로 매출을 일으켰다. 그러나 수명이 긴 UV LED 광원이 기존 UV 램프를 대체해 가면서, LED 업체들과의 경쟁과 전략적 협력이 가속화 되고 있다. 기존의 UV 램프 업체들은 자외선 기기에 대한 자신들의 Know-how를 강점으로 UV LED 시장으로 점차 이동하고 있고, 기존의 백색 LED 업체들은 LED 기술에 대한 강점을 바탕으로 UV LED 시장에 참여하고 있다. 현재까지는 기존의 LED 선도업체인 서울옵토디바이스, Nichia(일), SemiLEDs(미), SETi(미) 등이 UV LED 광원 시장에서 강세를 보이고 있고, 그 밖에 Cree(미), Osram(독), Epistar(대) 등의 전통적인 강자를 비롯하여 LED Engin(미), Nitride Semiconductors(일) 등의 LED 업체들도 UV LED 시장의 잠재력에 관심을 가지고 참여하고 있다. 광원과 달리 UV LED 응용 시스템 시장에서는 Phoseon Technology, SETi, Dot metrics technology(미), Crystal IS(미), Hexatech(미), Photonstar(영), Heraeus(독), Nitek(미) 등 UV LED 광원 전문 업체와 기존 UV 램프 업체, 그리고 신규 업체들이 다양한 응용분야에서 각축을 벌이고 있다. 그 중 SETi는 최근 스마트폰과 같은 모바일 기기 소독을 위한 휴대용 UV LED 케이스를 출시하였고, Crystal IS도 UVC 영역의 살균 제품을 개발하고 있으며, Dot metrics Technology는 최근 광출력밀도가 30% 향상된 경화용 UV 모듈을 개발하였다. 
   
 4) 시사점
빠른 성장이 기대되는 UV LED 시장에서 성공하기 위해서는 새로운 분야에 대한 선점이 가장 중요하다고 판단된다. Phoseon Technology가 UV 경화 분야 초기 시장에 빠르게 진입하여 시장을 주도하고 있으며, Dot metrics와 Psoria Shield도 각각 급성장이 예상되는 정수 분야와 의료 분야 시장을 선점하고 있다. 앞서 기술한 바와 같이 UV LED는 경화 분야 이외의 다양한 분야의 시장 창출이 가능한 만큼 외국 기업들과의 치열한 경쟁에 앞서 참신한 분야를 선점하는 것이 중요하다.

분야가 선정되었다면 해당 분야에 꼭 맞는 제품 설계가 필요하다. 동일한 용도의 제품이라고 하더라도 광원 선택, 광학 설계, 방열 설계, 동작 조건 제어 등의 기술력에 따라 제품의 성능은 천차만별이다. 경화 분야의 경우 빛의 균일도와 정밀성이 요구되는데 점광원인 LED를 필요한 치수의 광원으로 바꾸기 위한 기술력이 요구된다.

또한 UV LED의 광변환효율이 개선되고 있긴 하지만, 여전히 높은 비율의 에너지가 열로 전환되어 대상 물질을 변형시키거나 효율을 떨어뜨리는 만큼, 특히 크기가 작은 광원 모듈의 경우 방열 설계가 중요하다.
한편 기존 수은 램프와 달리 UV LED는 파장 조절이 가능한데, 파장이 증가할수록 복사 조도와 광출력이 대체로 높아지므로 용도에 따라 최적의 파장을 선정하는 것이 필요하다. 예를 들면, 살균의 경우 특정 세균이나 바이러스 제거에 최적의 파장에서 작동할 수 있도록 조절할 수 있다.

반면 경화 분야의 경우 경화 반응을 일으키는 광 개시제가 기존의 수은 램프 발광 파장에 최적화 되어 있는 만큼, 다파장 UV LED 모듈을 설계하거나 혹은 LED의 특정 파장 하에서 효율적으로 경화될 수 있는 안료제, 잉크 등의 화학소재 개발도 필요하다.미국 EPA(환경보호국)가 식수처리용 UV 멸균기의 검증을 위해 UV 멸균 가이드 매뉴얼을 마련하였듯이, UV LED 산업의 선점과 육성을 위한 표준화 및 인증 플랫폼 마련도 함께 진행되어야 할 것이다.