아사히카세이, 살균 및 유해물 측정용 개발 … 고출력·장수명화도
아사히카세이(Asahi Kasei)가 심자외선 LED(Light Emitting Diode) 관련제품 라인을 확충한다.
세계적으로 수질규제 및 오염물질 배출원 관리가 강화될 것으로 예상됨에 따라 공장폐수 등에 함유된 유해 질소성분을 검출할 수 있는 신제품을 개발하고 있으며 수질을 모니터링하는 계측기기용으로 신규시장을 개척할 방침이다.
심자외선은 파장이 200-280나노미터로 짧은 자외선이며, 특히 높은 살균효과를 보유한 파장 265나노미터는 세균의 DNA 이중나선을 파괴해 유전정보 복제 및 증식을 막을 수 있는 것으로 파악되고 있다.
수은 사용제품 제조 및 수출을 원칙적으로 금지하는 미나마타(Minamata) 조약 발효를 앞두고 물 살균, 공기청정 등에 사용되는 수은램프 대체용으로도 주목받고 있다.
아사히카세이의 심자외선 LED는 질화알루미늄(AIN) 기판을 채용한 것이 특징이다.
질화알루미늄은 밴드갭(Band Gap)이 커 열이나 압력에 대한 내구성이 우수한 화합물 반도체를 생산할 수 있으며, 아사히카세이는 2011년 질화알루미늄 단결정 기판 제조기술을 보유한 미국 Crystal IS를 인수한 후 자체기술을 조합해 사업화했다.
1997년 설립한 Crystal IS는 질화알루미늄 결정을 성장시키는 승화로를 자체 설계해 품질관리에 중요한 온도분포를 정밀하게 제어하고 이물질 혼입을 방지하는 노하우를 보유하고 있다.
이에 따라 결정성이 높고 결함밀도가 낮을 뿐만 아니라 발광효율을 좌우하는 심자외선 흡수율이 낮은 기판을 생산하고 있으며 세계에서 유일하게 2인치 대구경을 양산하고 있다.
아사히카세이는 후지(Fuji) 공장에서 Crystal IS가 제조한 잉곳을 웨이퍼 상태로 절단하고 기판 위에 유기금속화학증착법(MOCVD)으로 발광층인 1마이크로미터의 질화알루미늄갈륨 박막을 형성한 후 패키지 공정 등을 거쳐 심자외선 LED를 생산하고 있다.
사파이어 기판은 결함밀도가 평방미터당 1억개에 달하나 기판과 발광층에 동일한 소재를 채용함으로써 1만개 이하로 줄여 고출력화 및 장수명화가 가능한 것이 특징이다.
특히, 사파이어 기판은 발광층을 약 7마이크로미터 적층하기 때문에 막 형성시간을 7분의 1로 단축할 수 있는 것으로 파악되고 있다.
아사히카세이는 2014년 수질 및 DNA 분석기기용으로 유기물 함유량 및 DNA 순도를 측정할 수 있는 파장 255-280나노미터 영역의 Optan을 출시했다.
2016년에는 살균용으로 파장 265나노미터의 Klaran을, 2018년에는 발광출력을 높인 살균용과 음료수용 살균기 Klaran-AKR을 공급하기 시작했다.
최근에는 파장 235나노미터를 개발하고 있다.
유해 질소성분은 240나노미터 이하의 빛으로 측정할 수 있으나 사파이어 기판은 불가능한 영역이어서 짧은 파장이 강점인 질화알루미늄 기판을 활용하고 있다.
질산태질소 등은 비료, 공장·생활폐수, 가축분뇨 등에서 발생한 질소성분이 토양 속에 존재하는 미생물의 영향으로 산화된 상태로 물 등을 통해 일정량 이상 섭취하면 건강에 악영향을 미치며 하천 및 호수 부영양화, 지하수 오염의 원인으로 작용하는 것으로 알려졌다.
이에 따라 세계적으로 하천 오염방지 등의 관점에서 질산태질소 등에 대한 모니터링 요구가 높아지고 있다.
아사히카세이는 파장 235나노미터를 적용해 발광출력이 0.4mW(밀리와트)에 달하고 1000시간 사용 후에도 빛 강도를 약 70% 유지하는 성능을 실현했다.
현재 수질계측기를 시험제작해 평가하고 있으며 미국에서는 공장 폐수처리설비를 모니터링하는 시스템을 검토하고 있다.
미국, 유럽, 일본 등 선진국은 물론 중국을 비롯한 아시아에서도 안전한 식량 및 음용수에 대한 소비자 니즈가 높아지고 있어 식품 및 도금공장, 농축산 폐수, 저수지 등 배출원 뿐만 아니라 상하수도시설, 학교, 병원 등에서도 수요를 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
질산태질소 등에 대응하고 있는 처리시설도 농도 모니터링을 통해 코스트를 절감할 수 있는 이점이 있다.
글로벌 심자외선 LED 시장은 2023년 800억엔(약 8100억원)에 달할 것으로 예상되고 있다.
아사히카세이는 앞으로 성능 향상 및 다양화를 통해 음용수, 의료기구, 식품 등의 살균, 공기정화, 수질검사 등 다양한 수요를 확보함으로써 심자외선 LED 사업 매출을 10년 이내에 300억엔 수준으로 확대할 방침이다.
표, 그래프: <아사히카세이의 심자외선 LED 라인업>
<화학저널 2019년 12월 16일>
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