Update2024.04.30 (화)
LED산업은 디스플레이, 조명, 의료기기, 무선통신 등에 널리 적용되며 ‘제2의 반도체산업’으로 불릴 만큼 큰 시장을 창출할 것으로 기대되고 있다.
현재, LED의 약 80%가 질화물계 LED이고 이중 88%가 저렴한 사파이어 기판을 이용하며 나머지 12%는 SiC가 차지하고 있다.
이러한 LED산업에서 주도권을 잡기 위해선 대구경 사파이어 잉곳과 기판 제조기술을 통한 생산성 및 원가경쟁력 확보가 매우 중요하다. 현재 LED용 기판은 기존의 2인치에서 4인치로 전환 중이며 2013년 이후에는 6인치로의 대구경화가 빠르게 이루어질 것으로 전망되고 있다. 그러나 6인치 이상 잉곳은 전량 수입에 의존하는 등 핵심소재인 사파이어 소재의 해외 의존도가 커 안정적인 원자재 확보가 어려운 상황이다.
최근 대기업들이 사파이어 소재 생산에 나서며 국내 LED산업에 훈풍을 불러일으키고 있다. OCI는 지난 1월 전주에 연간 400만mm의 LED용 사파이어 잉곳을 생산할 수 있는 공장을 1,000억원을 투자해 건설키로 했다. KCC는 지난 3월 안성에 2015년까지 2조원을 투자해 LED용 사파이어 기판 월 15만장, 태양전지용 실리콘 기판 연산 1.6GW를 생산하는 공장을 건립키로 했다.
사파이어테크놀로지가 총괄주관을 맡은 슈퍼사파이어 단결정 사업단은 △300mm(12인치) A축/C축 사파이어 단결정 성장기술 △300mm 대구경 사파이어 기판 개발에 나서고 있다. 이들 소재는 2019년 국내 2조원, 국외 4조8,000억원의 시장규모로 성장할 것으로 예측되고 있다. 사업단은 WPM 1차년도에 직경 6인치급 사파이어 단결정을 조기 개발했다. 이는 세계 최고로 알려진 미국 루비콘의 75% 수준이다. 또한 세계 최고의 6인치 웨이퍼 시제품 가공기술 개발에 성공했다.
■대구경 잉곳 양산 경쟁
A-축 사파이어 단결정 잉곳은 현재 1970년대 러시아 과학자에 의해 개발된 대구경 잉곳 및 웨이퍼 제작이 가능한 키로풀러스(Kyropoulos) 공법을 활용해 미국, 러시아, 대만 등 지역에서 생산되고 있다. 또 한편으로는 C-축성장이 가능한 단결정 성장 기술인 쵸크랄스키(Czochralski)방식에 대한 연구가 진행되고 있다.
이들 공법의 가장 큰 문제점인 회수율상의 엄청난 손실을 해결하고자 국내 사파이어 테크놀러지에서는 새로운 공법인 수직수평온도구배법(VHGF, Vertical Horizontal Gradient Freezing)을 개발해 양산에 들어갔다.
직경 6, 8, 12인치 등 웨이퍼 가공을 위해 300mm A-축 사파이어 단결정 성장 기술이 필요하다. 150mm 이상 대구경 사파이어 단결정 잉곳 대응이 가능하기 위해서는 고순도 알루미나 원재료를 65kg 장입할 수 있는 단결정 성장 기술이 요구되고 있으나 현재 미국 루비콘과 러시아 모노크리스탈 등 일부 업체에서만 대응이 가능한 것으로 알려져 있다. 루비콘은 세계 최초로 200kg 장입한 사파이어 단결정 제품을 전시한 적이 있으나, 아직 양산에 들어가진 못한 상태다.
국내의 경우 A-축 사파이어 단결정 잉곳을 양산하는 곳은 사파이어테크놀로지로 유일하지만 150mm 이상 대구경 사파이어 단결정 잉곳은 아직 상용화하지 못한 것으로 알려져 있다. 또한 국내에서 유일하게 키로풀러스 기술을 활용해 사파이어 단결정 잉곳을 제조하고 있는 (주)아즈텍은 100mm까지 대응 가능한 것으로 알려져 있다.
300mm C-축 사파이어 단결정 성장 기술은 99.995%이상의 고순도 알루미나를 도가니에 장입시킨 후 2,050℃로 용융시켜 단결정을 성장시키는 기술이다. 쵸크랄스키(Czochralski)법을 이용해 C-축으로 단결정을 성장시키며 코어링 가공에 의한 잉곳의 손실을 방지 할 수 있어 잉곳의 효율을 극대화할 수 있는 특징이 있다.
■대구경일수록 수급 더 어렵다
WPM을 통해 단결정 잉곳을 절단/랩핑/폴리싱 공정을 거쳐 에피텍시얼 공정(단결정 기판 위에 새로운 층을 적층해 단결정층을 형성하는 방법)에 적합한 평탄도와 무결점에 가까운 표면특성을 갖는 300mm 대구경 사파이어 기판이 개발된다. 기판 대구경화에 따른 생산성 및 효율 증가 효과로 현재 6인치 기판의 개발이 진행되고 있으며, 향후에는 LCD TV BLU 및 조명용 시장의 확대로 칩 크기의 증가와 함께 8인치/12인치급의 대구경 기판이 필요로 하고 있다.
일본의 경우 교세라, 나미끼. 신코사 등이 사파이어기판 시장을 계속 리드해 왔다. 특히 기술력 좋은 장비산업을 바탕으로 기판의 가장 중요한 특성인 평탄도에서 세계최고 수준을 기록하고 있다. 대만은 중·저급 품질의 제품으로 중국시장을 주도하고 있으며 2인치를 주로 생산하면서 4인치 초기 시제품을 제작하고 있다.
국내에서는 세계적인 LED 수요처인 삼성이 LCD TV의 BLU에 LED를 본격 채용하면서 국내 기판업체들의 평탄도 수준을 최고 수준으로 끌어올렸다. 또한 삼성LED와 엘지이노텍 등에서는 지난해부터 6인치 사파이어 기판을 양산적용하기 위한 공정개발과 투자를 진행 중이며, 기판제조업체인 크리스탈온과 일진 등에서도 6인치 기판 개발이 완료에 접어들었다.
현재 4인치 잉곳 및 기판과 관련된 국내 업체의 기술수준은 선진국과 대등한 수준이지만 LED 산업의 급성장과 증설의 어려움으로 잉곳 및 기판의 공급에 어려움을 겪고 있다. 6인치 이상의 잉곳은 전량 수입에 의존하고 있으며, 수급 자체도 어려워 대구경 사파이어 잉곳 제조기술의 확보가 절실히 요구되고 있다.
반도체산업과 마찬가지로 알루미나 원재료, 사파이어 잉곳, 사파이어 기판 등 기초 원자재는 필요량의 80% 이상을 수입에 의존하고 있다. 또한 대구경 잉곳을 만들기 위한 장비는 전량 동구권, 미국, 일본 등지에서 수입을 하고 있다. LED산업을 차세대 먹거리 산업으로 육성하고 활성화하기 위해 부품소재, 장비에 대한 R&D투자와 소재·수요기업들의 협력이 필요한 시점이다.
