조명은 최근 친환경, 에너지 절약이 강조되고 있는 가운데 백열전구, 형광등이 백색 LED(Light Emitting Diode)로 전환되고 있으며, UVC(Ultra Violet C)-LED 기술이 발달함에 따라 자외선 살균 등에 사용하는 수은램프, 제논램프(Xenon Lamp)를 UVC-LED로 전환하는 움직임이 나타나고 있다.
아울러 2013년 10월에는 29개국이 수은 사용을 규제하는 미나마타 조약을 체결했다. 2020년부터 용도에 따라 수은 사용을 금지하는 조약으로, 수은을 사용하지 않는 UVC-LED로의 전환이 더욱 가속화될 것으로 예상되고 있다.
Asahi Kasei Chemicals은 30년간 인듐안티몬, 인듐비소 등 밴드갭(Band Gap)이 좁은 Narrow 밴드갭 화합물 반도체 소재를 이용한 홀소자(Hall Element), 적외선 센서를 개발·제조했으나 화합물 반도체 사업을 더욱 확대하기 위해 2005년부터 Wide 밴드갭 소재를 연구개발(R&D)하기 시작했다.
특히, 밴드갭이 가장 넓은 AlN(Aluminum Nitride)에 착안해 R&D를 진행하면서 2011년 12월 AlN 단결정에서 특징적인 기술을 보유하고 있는 미국 CIS(Crystal IS)를 인수했다.
이후 CIS와 협력하면서 AlN 기판을 이용해 UVC-LED를 개발하고 상업화를 추진하고 있다.
AlN 기판으로 고출력·장수명화
UVC-LED는 일반적으로 수은램프와 비교해 준비시간이 필요하지 않고 내충격성이 뛰어나며 소형이고 형광원으로 디자인 자유도가 높을 뿐만 아니라 전원회로가 간단한 특징이 있다.
그러나 면적이 크고 강력한 자외선 발광 출력이 필요한 상황에서는 아직 수은램프에 미치지 못하고 있다.
이에 따라 UVC-LED 기술은 소형이고 간단한 전원회로를 활용한 어플리케이션 개발, 고출력화 및 장수명화에 대한 R&D가 진행되고 있다.
CIS가 개발한 AlN 단결정은 독자적으로 설계한 승화로를 이용해 결정성이 뛰어나고 결함밀도가 104/cm2 이하로 낮으며 UVC 영역이 낮은 흡수율을 실현하는 것으로 알려졌다.
AlN 단결정을 슬라이스, 연마해 만든 AlN 기판 위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공법으로 UVC-LED 박막을 성장시킨 후 일반적인 웨이퍼 프로세스 공정을 거쳐 UVC-LED 칩을 제작하고 조립, 패키징함으로써 UVC-LED를 완성한다.
AlN 단결정 기판은 사파이어 기판에 비해 품질이 뛰어난 것으로 나타나고 있다.
사파이어 기판을 사용한 샘플은 결함밀도가 108/cm2에 달한 반면 CIS의 AlN 기판을 사용한 샘플은 결함이 전혀 발견되지 않았다.
이에 따라 AlN 기판은 사파이어 기판에 비해 UVC-LED의 고출력화, 장수명화에 도움이 되는 것으로 판단되고 있다.
살균·의료 분야에서 필수소재로 기대
UVC-LED는 계측·분석용부터 물, 공기, 가전제품, 의학용 기기의 살균, 각종 센서 등 다양한 용도로 활용될 것으로 기대되고 있다.
계측·분석용은 물속에 혼입한 기름이나 유기물에 UVC 광을 조사해 UVC 광 흡수량, 유기물이 발하는 형광량을 분석함으로써 유기물 함유량을 측정해 수질을 검사하는 것으로, UVC-LED는 현장에서 바로 검출할 수 있는 소형 해석기기를 제작할 수 있는 강점이 있다.
또 DNA 및 단백질 농도, DNA의 순도 측정용으로도 사용할 수 있다.
DNA와 단백질 농도는 각각 260nm, 280nm의 흡수도를 통해 측정할 수 있으며, DNA 순도는 260nm, 280nm의 흡광도 비를 통해 판정할 수 있는 것으로 알려졌다.
UVC-LED는 뛰어난 성능과 단색성을 바탕으로 기존 제논 플래시 램프(Xenon Flash Lamp)에 비해 광학부품이 적고 높은 전압이 필요하지 않아 더욱 심플한 구성의 계측기를 만들 수 있는 특징이 있다.
광원으로 중수소 램프가 이용되고 있는 HPLC(High Performance Liquid Chromatography)도 UVC-LED로의 전환이 검토되고 있다.
UVC-LED 광원은 중수소램프에 비해 정점 변동이 적고 안정성이 뛰어나며 수명이 길기 때문이다.
아울러 UVC-LED는 살균용 시장이 크게 확대될 것으로 기대되고 있다.
물 살균용은 수도꼭지(POU: Point of Use), 실험실의 초순수 제조 시스템 등에 응용하는 방안이 검토되고 있으며, 신규 살균 시장으로 정수계 워터서버 등이 주목받고 있다.
살균 시스템은 중국, 인디아, 동남아시아 등 수질이 좋지 않은 지역에 널리 보급될 것으로 예상되고 있으며, UVC-LED가 고출력화됨에 따라 소규모 뿐만 아니라 대규모 수처리 설비까지 활용영역이 넓어질 것으로 기대되고 있다.
공기 살균용은 병원 내의 감염증 예방, 사무실 및 가정의 공기질 개선을 위해 UVC-LED를 이용한 공기 살균 시스템 도입을 검토하기 시작했다.
가전제품도 청소기, 공기청정기, 가습기, 냉장고 등 일상생활에서 살균 수요가 증가함에 따라 다양한 방면에서 응용이 검토되고 있다.
의료용 기기는 수은램프, 제논램프가 살균용으로 탑재되고 있는 가운데 UVC-LED로 전환될 가능성이 높아지고 있다.
UVC-LED는 매우 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대되고 있다.