Update2024.05.20 (월)
LED조명시장 선점, 美國에서 배운다
■조명용 LED시장, 2014년 백라이트 넘는다
LED는 전기에너지를 빛으로 변환시키는 반도체 광원으로서 반도체소자와 광원 모듈을 제조하고 이를 응용해 LED조명과 LED응용 융복합 제품을 제조하는 산업으로 정의할 수 있다.
LED는 이미 1960년대에 개발되고 상용화 됐으나 적색, 녹색 등에 국한된 색상과 높지 않은 휘도 등의 문제로 제대로 활용되지 못했다. 그러다가 1990년대 청색 LED가 개발돼 황색 형광물질(Phosphor)를 첨가시켜 자연광에 가까운 고효율 백색 LED가 구현되면서 LED를 사용하는 응용분야가 확대됐다.
LED는 기존 광원대비 광변화 효율이 높으며, 전력소비가 적을 뿐만 아니라 반영구적이며 친환경적인 특징을 갖고 있다.
조명분야에 있어 LED는 백열전구 대비 70%이상 에너지 절감 효과가 있고 기존 조명대비 소형이고 제어 방식(DC구동)이 단순해 복잡한 구동회로가 필요하지 않기 때문에 다양한 모양의 조명 시스템 설계가 가능하다. 또한 수은이나 방전용 가스를 사용하지 않아 환경친화적이며, 필라멘트나 전극이 없기 때문에 수명이 약 10만 시간에 달할 정도로 길어 반영구적으로 사용할 수 있다.
그러나 높은 휘도에 의한 눈부심 발생, 주위온도 및 자체발생에 열에 취약, 좁은 배광, 기존 광원 대비 높은 가격 등은 해결해야 할 문제로 남아있다.
LED산업의 발달로 인해 가격이 지속하락하면서 세계 LED시장규모는 2010년 306억달러에서 2020년 2,650억달러로 매년 25%나 성장할 것으로 예측되고 있다. 특히 올해부터 시작되는 LED가격 하락과 성능향상으로 인해 LED조명시장이 형성되면서 2020년까지 연평균 45% 성장해 약 1,150억달러에 달할 것으로 전망된다. LED조명은 초기에 기존 조명을 대체하는 방식으로 형성되나 향후엔 광원·기구가 구분되지 않고 신기능을 갖춘 일체형 조명으로 전환될 것으로 예상되고 있다. 조명시장 중 LED의 비중은 2010년 4%에서, 2015년 22%, 2020년에는 66%로 크게 증가할 것으로 보인다. 올해 총 LED 수요 중 백라이트부문 LED는 68%를, 일반조명 부문은 14%를 차지할 것으로 예상되나 2014년까지 조명용 LED수요가 연평균 63% 성장하면서 2014년에는 백라이트를 넘어서 LED 중 가장 큰 수요를 창출할 것으로 전망된다.
이는 증가하는 기업들의 조명분야 매출에서도 나타나는데 대만의 Epistar의 경우, 매출액 대비 일반조명의 비율이 지속적으로 증가해 2011년에는 30%에 이르렀으며, 그 외 Everlight, SEMCO, LG이노텍 등도 일반조명의 매출 비중이 증가하고 있는 추세다.
또한 2013년부터는 자동차, 의료·환경(UV LED), 농수산 등 다양한 고부가가치 융합시장이 지속 확대될 것으로 예측되고 있다.
LED시장의 수익규모는 2014년에 162억 달러, 2015년에는 153억 달러로 예상되며 2015년 이후에는 다시 성장세로 돌아설 것으로 전망된다.
2014년 LED조명시장, 백라이트 추월
美, LED·OLED에 1억2천만불 투자
■美 민·관, LED·OLED에 1억2천만불 투자
일본과 미국은 LED조명 기술부문 경쟁력에서 상위권을 차지하고 있는 반면 우리나라는 하위권에 속하고 있다. 일본은 LED조명 분야의 특허점유율 1위를 기록하고 있으며, 기술력 지수도 일본과 미국이 1, 2위를 차지하고 있다.
미국은 가장 장기적인 비전을 가지고 LED기술개발을 추진해 왔다. LED기술개발을 위해 미국은 이미 지난 2002년부터 차세대조명 이니셔티브(NEXT Generation Lighting Initiative)을 수립해, 매년 5,000만달러를 투자하고 있다. 또한 다년계획의 로드맵을 세워 LED기술개발을 체계적으로 추진하고 있으며, SSL Quality Advocates, CALiPER Program 등 다수의 LED상용화 지원 프로그램을 운영하고 있다.
미국은 지난해 3월 기준으로 LED 및 OLED(Organic Light Emitting Diodes:유기발광다이오드) 등 반도체 조명기술과 관련된 47개 프로젝트를 지원하고 있다. 민간과 공공부문의 투자규모를 모두 합할 경우 총 규모는 약 1억2,000만달러(한화 약 1,364억)에 달한다.
이 중 LED기술 프로젝트는 총 28개이며, 투자액은 약 8,000만달러로 전체의 66.5%를 차지하며, OLED 기술 프로젝트는 총 19개, 투자액은 4,000만달러로 33.5%를 차지하고 있다.
■다년프로그램계획
미국 정부는 지난 2001년부터 에너지부(DOE)와 광전자산업개발협회(Optoelectronics Industry Development Association, OIDA)를 중심으로 기존조명의 대체 기술로 LED와 OLED를 선정해 매년 ‘다년프로그램 계획(Multi-Year Program Plan)’을 수립하고 있다.
다년프로그램 계획은 LED와 OLED 조명에 대한 현재 기술수준과 연구, 발전 동향 등에 대한 결과를 제시하고 있다.
지난해 연구개발다년계획은 2010년 주요 LED 성능을 기준으로, 향후 10년간의 LED 패키지 및 조명에 대한 성능목표와 가격목표를 제시하고 있으며, 2010년에 발표했던 목표치보다 더욱 향상된 수치를 제시하고 있어, LED분야 기술개발 속도가 전문가의 예상을 뛰어넘는 것을 반증하고 있다.
계획에 따르면 2015년까지 LED 5만 시간 수명 달성과 더불어 LED 패키지 비용은 $2/klm를 달성하는 것을 목표로 삼고 있다. 2017년까지는 100달러이하의 가격과 3,500루멘스 이상의 성능을 가진 범용제품을 생산하고, 2020년에는 85달러 이하의 스마트 조명생산을 목표로 하고 있다.
LED 조명 등기구의 구체적인 효율 목표를 살펴보면, warm white를 기준으로 2010년 62%에서 2015년에는 69%, 2020년에는 76%로 향상해 2020년 상용조명제품의 효율을 202lm/W까지 높일 계획이다.
■고체조명 R&D 제조 로드맵
미 에너지부(DOE)는 지난해 7월 고체조명 R&D 제조 로드맵을 발표했다. 이 로드맵은 LED 조명기구의 생산 및 확산과 관련된 장애요인을 명시하고 있으며, LED 제조와 관련된 이슈를 제조 R&D, 표준 개발, 핵심 및 제품개발 R&D, 교육으로 분류하고 있다.
LED조명기구에 있어 조명 및 모듈 제조, 드라이버 제조는 비용 이슈이며, 시험 및 검사 부문은 LED 조명의 품질 개선 및 제조비용 감소를 위한 중요한 이슈다.
로드맵에 따르면 LED 효율의 한계를 결정짓는 중요한 원천기술인 에피성장 기술의 목표를 2010년 1.5nm의 웨이퍼 균일도를 2020년까지 0.5nm 수준으로 높일 것으로 삼고 있다. 이에 따른 비용 또한 2010년 0.45$/μm·cm에서 2020년 0.05$/μm·cm까지 낮춘다는 것.
기판재료 또한 사파이어, SiC, 실리콘 등 불균일 에피(hetero-epitaxial) 성장 방법을, GaN에 대해서는 균일 에피 성장기술을 제안하고 있으며, 다른 대안물질에 대한 연구도 연구개발 우선순위에 두고 있다.
이외에도 주요 이슈로 사파이어 재료의 경우, 대량 생산을 위해서는 기판재료의 품질개선과 제품의 일관성이 요구되며, GaN의 경우 비용이 상당히 감소돼야 함을 지적하고 있다.
로드맵은 제조장비에 있어서 웨이퍼 가공, 칩 제조, 칩 패키징에 필요한 적절한 제조장비가 부족하다는 판단을 하고 있으며, 장비사용업체들이 자동화, 수율, 생산성, 장비 표준 등에 대해 점점 높은 수준을 요구하고 있으므로 장비제조업체와의 긴밀한 연계를 통해 이를 해결해야 한다고 밝히고 있다.
■2012년부터 백열등 사용금지
미 정부는 LED 상용화 및 보급확대를 위해 백열등을 에너지 효율이 높은 대체조명으로 대체하기 위한 법안인 ‘EISA 2007(Energy Independence and Security Act) Section 321’을 2007년에 통과시켰다. 법안이 발효되는 2012년 1월1일부터는 미국 전역에서 100와트 백열등의 판매가 금지되며 2013년 1월부터는 75와트 백열등 판매가 금지된다. 2014년 1월부터는 60와트와 40와트 백열등 판매가 금지되면서 백열등을 대체할 콤팩트 형광등, LED 등의 판매를 정책적으로 유도하고 있다. 이렇듯 EISA 2007 Section 321에 의해 일반용 백열등은 전력세기, 밝기, 수명 등에 관한 의무충족 요건을 부과함으로써, 사실상 2012 ~2014년 사이 백열등이 CFLs이나 LED 조명으로 교체될 전망이다.
미국은 연간 전기 사용량의 22%가 조명용으로 사용되고 있으며, 이중 51%가 상업용으로 소비되고 있으므로, 이 법안이 시행되면 미국의 각 가구는 현재보다 연간 85달러의 전기세를 절약할 수 있을 것으로 분석되고 있다.
미국은 에너지부를 중심으로, LED조명의 장점을 극대화하는 연구개발과 소비자의 LED조명에 대한 신뢰도를 높일 수 있는 인증 및 실증을 위해, SSL Qualtity Advocate, 에너지 스타, CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting) 등의 시장 기반의 LED 보급 및 활성화 프로그램을 추진하고 있다.
■CALiPER
CALiPER는 실제 시장에 유통되고 있는 제품을 샘플링하여 제조자가 표기한 LED 조명 제품의 성능과 실제 측정된 제품의 성능이 일치하는지를 측정하는 프로그램이다. 이를 통해 각종 시험방법이나 규격 제정을 위한 데이터를 획득하고 성능이 떨어지는 제품을 막고 있다.
또한 광출력 광효율, 색온도, 연색지수, 정격전력, 열특성, 배광, 광특성 열화특성 등을 측정하며 기존 조명과의 상호 비교 분석을 통해 어느 용도의 조명 제품군이 현재 LED 조명으로 대체 가능한지를 분석하고 이를 CALiPER 웹사이트에 공개해 소비자로 하여금 실제 LED 조명제품의 성능을 공유함으로써 LED 조명제품 신뢰감을 높이고 있다. 2006년부터 시행된 이 시험을 거친 모든 제품들에 대한 정보와 상세한 분석결과들은 매회 공개되며 2011년 4월 현재 11회까지 진행됐다.
美, LED 기술개발·상용화·보급정책 ‘종합적’
원천기술·특허·표준 확보, 브랜드 육성해야
■ENERGY STAR 인증제도
에너지 스타 인증제도는 미국 에너지부와 환경보호국(EPA: Environment Protection Agency)이 공동으로 운영하고 있는 고효율 인증제도로서, 미국 에너지부가 마련한 효율성 및 성능 기준을 충족할 경우, 일반 조명 목적 LED 제품에 대해 에너지 스타 인증마크를 부착하는 제도다.
상업용과 주거용 조명을 대상으로 제품 효율로 성능을 규정해 2009년부터 LED 조명제품에 대한 인증마크를 발급했으며 2011년에 모든 LED 조명기구의 효율을 70lm/W로 규정했다.
LED 조명기구의 광효율은 우리나라 고효율 인증제도보다 비슷하거나 낮지만 수명부분에 대한 엄격한 인증을 요구하고 있다. 특히 연방정부에 제품 조달 시에는 에너지 스타 부착을 의무화하고 있어 기업들에게 인증 획득은 매우 중요하다.
2010년 8월 기준으로 상업용 234개 제품, 주거용으로 226개의 제품이 에너지 스타 인증을 취득했다.
EPA는 2010년에 프로그램 개정안을 발표하여 새로운 인증요구사항을 제시하고, LED제품의 적합성을 지속적으로 확인하기 위해 매년 승인기관이 주관하는 적합시험을 통과하도록 하는 등 규정을 점차 강화하고 있다.
■Solid-State Lighting Quality Advocates
미국 에너지부는 차세대조명산업연맹 (NGLIA, Next Generation Lighting Industry Alliance)가 공동으로 운영하는 프로그램으로 일종의 자발적인 자기 적합성 선언 제도다.
제조자가 스스로 광출력, 광효율, 정격전력, 색온도 (CCT: Correlated Color Temoerature) 및 연색지수(CRI: Color Rendering Index) 총 5가지 핵심 항목에 대하여 측정값을 Lighting Facts라는 일정한 양식에 기반해 제시함으로써 소비자가 쉽게 제품의 특성을 인지할 수 있도록 했다.
이를 통해 자연스럽게 제조자의 기술개발과 소비자의 제품 신뢰도와 수용도를 높이도록 하고 있으며 2010년 8월 기준으로 143개 업체, 997개의 제품이 Lighting Facts 라벨을 취득했다.
■韓·日·中·臺, LED 선점 및 보급 확대 각축
연평균 20%이상 성장하고 있는 LED시장을 선점하기 위해 우리나라는 물론 일본, 중국, 대만 등 주요국은 이러한 LED의 개발 및 수요확산을 위해 많은 정책적 노력을 기울이고 있다. 각 국 정부는 백열전구를 퇴출시키는 계획을 추진 중이며 2014~ 2015년을 기점으로 LED조명으로 급속도로 대체할 예정이다.
우리나라는 선진국에 비해 뒤늦게 LED산업에 진출하였으나, 2006년 ‘LED조명 15/30 보급프로젝트‘, 2008년 ’LED산업 발전전략’ 등을 추진하는 등의 노력으로 단기간에 LED산업 주요국으로 부상했으며 2011년에는 ‘LED조명 2060계획’을 수립하여 LED 보급 및 시장확대에 주력하고 있다.
일본은 21세기 광프로젝트를 통해 조명으로 사용되는 에너지의 20%를 감소시키는데 나섰으며 한시적으로 지원하던 에코 포인트(Eco-point) 제도를 2011년 대지진 이후 연장하는 등 노력을 기울여 2011년 LED 전구 시장점유율은 42.3%에 달하게 됐다.
중국은 2008년의 글로벌 경제위기 이후 경제발전 방식의 전환을 강조하면서 저탄소 친환경산업이자 미래 전략산업인 LED산업을 적극 육성하고 있다. 2009년에는 ‘10개 도시 만개 전등’프로젝트를 통해 LED 가로등 보급률을 확대를 추진하였으며, 2011년에는 ‘백열등 퇴출 로드맵’을 발표했다.
대만 또한 ‘백색LED조명 산업발전지도 4개년 계획’을 통해 LED의 핵심기술개발을 지원하고 있으며, 올해부터는 ‘585 백열등 교체 계획’을 추진해, 5년 이내에 대만 전역의 백열등을 LED 등 고효율 전등으로 교체할 예정이다.
■원천기술·특허 확보, 정책적 육성 필요
우리나라는 반도체 등 연관산업의 제조기술기반을 보유하고 있어 LED산업 육성에 유리한 고지를 점하고 있다. 그러나 아직까지 국내 LED 기업들은 해외 선진기업의 특허공세를 피하기 위해 고가의 핵심부품소재를 수입하는 등 핵심부품의 대일·대만 수입의존도가 높은 실정이다.
현재 세계 LED시장은 원천기술을 확보하고 있는 미국, 일본 및 독일의 기업들이 세계 LED시장의 약 65~70%를 점유하고 있다. 니치아, 필립스, 오스람, Cree, Toyoda Gosei 등 주요 LED 선발업체들은 특허 및 지적재산권을 이용해 높은 진입장벽을 형성하고 있으며 이들 기업들은 LED 후발기업에 대한 특허 소송제기의 빈도수를 늘리고 있는 추세다. 또한 2002년 이전까지의 LED 특허분쟁은 주로 이들 선발업체간 분쟁이었으나 이들 업체간에 크로스라이센스가 체결된 이후로는 주로 선발업체와 후발업체간 특허분쟁이 발생하고 있다.
국내 조명산업 관련기업은 6,500개에 달하나, 약 82%가 5인 미만 영세기업으로 이루어져 있어 선진기업과의 원가경쟁력과 브랜드파워에서 밀리고 있다.
이에 최근 발표된 우리 정부의 계획처럼 향후 세계 LED시장을 선도하기 위해서는 원천기술, 지식재산권, 국제표준 확보가 필수적이며 고부가가치 산업구조를 위해서는 전후방 산업 육성이 중요하다.
특히 원천기술과 관련 원천특허 확보를 위해 적극적인 투자가 필요하며 브랜드 파워를 제고하기 위해서 전후방 산업을 정책적으로 육성해야 하며, 글로벌 인지도를 보유한 대기업의 수직 계열화도 하나의 방안이 될 수 있다.
국제표준에 대한 대응방안 마련도 시급하다. 오스람, 필립스, 파나소닉, 슈뢰더, 도시바, 크리, 삼성LED, LG이노텍 등 134개 회원사가 가입한 사실상의 LED국제표준 컨소시엄인 ‘자가(Zhaga)’컨소시엄이 2010년 2월 공식출범한 이래 영향력 있는 표준활동을 활발히 전개하고 있다. 이에 공적표준 뿐만 아니라 사실상 표준활동에 대해서도 지속적이고 체계적인 대응이 필요한 시점이다.
