LED 소자 원천기술 개발과 지적재산권 확보를 위한 선결과제

LED(Light Emitting Diode, 발광다이오드)는 반도체로 빛을 발생시키는 소자로 기존 광원 대비 고효율, 저전력, 장수명(반영구적), 빠른 응답속도, 친환경성(무수은) 등의 장점을 지니고 있어 각종 전자기기와 조명기기, 자동차 계기판의 전자표시판에 주로 활용된다. LED 산업은 LED 소자 산업, LED 조명·응용산업, LED 부품소재산업, LED 장비산업으로 구성된다. 이 중 LED 소자 산업은 기판으로부터 에피웨이퍼를 가공하여 LED 칩/패키지 및 모듈을 생산하는 일련의 산업을 의미한다. LED 소자는 LED조명 및 응용제품의 성능을 1차적으로 결정하는 핵심소자이다. LED 소자 제조 공정은 기판 위에 단결정의 얇은 막을 성장시키는 웨이퍼(Wafer) 및 에피웨이퍼(Epitaxy) 공정, 에피웨이퍼에 전극을 형성시키고 각각의 소자로 절단하는 칩 공정(Fabrication), LED 칩이 빛을 발산하도록 접착, 배선 등을 통해 LED 램프 등을 만드는 패키징(Packaging) 공정, 다양한 애플리케이션과 접목되어 제 기능을 하도록 하는 모듈 공정 등으로 나눌 수 있다. LED 기판인 웨이퍼는 LED 에피웨이퍼를 만들기 위한 반도체 기판이다. 기판은 반도체의 성장을 결정하는 기반이 되는 것으로 주로 사파이어(Sapphire), GaN, SiC, GaAs기판들이 웨이퍼로 사용되며 이들 기판 중 가격 경쟁력이 있는 사파이어와 SiC가 주로 사용되고 있다. 에피는 기판 위에 금속유기화학증착장비(MOCVD)를 사용하여 화합물 반도체를 성장시켜 에피웨이퍼를 제조하는 단계이다. 이는 LED의 휘도를 결정하고 LED의 품질을 결정하는 핵심적인 단계로 기술적 난이도가 가장 높고 부가가치가 높은 공정이다. 칩은 LED 개별 소자를 말하는 것으로, 칩의 구조는 발광 효율을 극대화하는 방향으로 발전해왔는데 전극의 종류, 배치 형태, 칩 형태를 설계하는 연구가 진행되고 있다. 패키지는 내부에 LED 칩을 실장하고 칩과 리드(lead)를 연결하며 PCB에 부착이 가능하도록 제작된 소자이다.

Strategies Unlimited(2011. 9) 보고서에 따르면 세계 LED 소자 시장은 2009년 53억 달러 규모에서 2010년 TV부문의 백라이트 장치 애플리케이션의 선전으로 전년대비 108% 성장한 112억 달러를 달성하였다.

그러나 2011년 LED 소자 시장은 LED 칩 공급 과잉, 단가 인하 압력 증가, 효율 증가에 따른 LED 칩 수요 감소, LED 조명 시장의 더딘 성장세 등의 이유로 전년대비 9.8% 성장한 123억 달러 수준으로 전망되고 있다. 그리고 2014년 최고 162억 달러를 기록한 후 2015년에는 153억 달러까지 떨어질 것으로 전망된다. 2015년의 시장 규모 하락은 일시적 현상으로 그해 이후 조명 시장이 성장 동력으로 작용하며 시장이 회복될 것으로 보인다. LED 소자 가격은 헤드램프와 같은 특수 애플리케이션을 제외하고 20%~40%까지 하락했다. 따라서 가격경쟁에서 살아남지 못한 중국의 몇몇 신규 업체들은 시장에서 퇴출될 것이고, 대표 업체들만 불안정한 시장에서 살아남게 될 것이다. 간판용 LED 소자 시장은 대다수의 간판생산이 중국에서 이루어지고 있어 중국의 제조 시장 동향에 영향을 받을 것이다. 전 세계의 간판산업은 2010년 34억 달러의 급격한 성장을 이루었고, 중국 시장은 2010년 19억 달러에서 2015년까지 연평균성장률 14%로 예측된다. 간판용 LED 소자 시장은 2010년 11억 달러로 이는 2015년 16억 달러까지 증가할 전망이다.

(단위 : 억 달러) 구분 (년도) 2008 2009 2010 2011 2014 2015 CAGR ’10~’15) LED 소자 50.8 54 112 123 162 153 6.44% 자료： Strategies Unlimited(2011. 9)

스마트폰과 태블릿PC를 제외한 휴대폰, 노트북 등의 모바일 어플라이언스 시장은 포화 상태에 도달하여 가격이 하락함에 따라 모바일 어플라이언스 LED 소자 시장은 전년대비 약 4.1% 감소할 전망이다. 자동차 부문의 LED 소자 시장은 중국 시장의 성장으로 인해 2010년 전년대비 7.8% 성장한 11억 달러에 도달하였다. 그러나 시장 과열 양상 및 일본 쓰나미 영향으로 공급에 차질이 있어 2011년에는 약 5% 성장한 11.55억 달러가 예상된다. 낮 시간용 조명 및 헤드램프의 LED 사용 증가로 외부 자동차 조명 시장의 성장은 매년 10%를 기록할 것이다. 그러나 가격 하락 및 자동차 계기판의 LED 사용이 포화 상태를 이루고 있어 LED 소자 시장성장률은 이보다 낮을 것으로 보인다. 우리나라의 경우에는 2010년 삼성LED, LG이노텍 등 기업을 중심으로 대규모 투자가 이루어졌으며, 이를 바탕으로 LED 소자 생산 순위가 2009년 세계 4위에서 2010년 2위로 올라섰다. 이에 따라 국내 LED 소자 시장은 2010년 2조 3,937억 원에서 2015년 9조 2,000억 원으로 성장할 전망이다.

(단위 : 억 원) 구분 (년도) 2008 2010 2012 2015 CAGR ’10~’15) LED 소자 8,275 23,937 54,600 92,000 30.9% 자료： 한국광산업진흥회(2011. 8)

LED 소자 시장은 일본의 니치아를 비롯하여 한국의 삼성LED, 서울반도체, 독일의 오스람, 미국의 루미레즈, 크리 등 일본, 미국, 유럽 등 선진국가와 국내 기업이 세계 LED 소자 시장의 80%를 점유하고 있다. 특히 한국은 2010년 세계시장 점유율이 28% 수준으로 과거 10% 미만에서 큰 폭으로 확대된 것으로 나타났는데, 이는 LED TV와 LED 노트북 등 글로벌 디스플레이 시장을 삼성전자와 LG전자 등이 주도하고 있기 때문이다. 중국, 대만 등 후발기업들은 저가품질의 LED를 대량생산해 시장을 공략하고 있다.

Strategies Unlimited(2011. 7)의 조사자료에 따르면 2010년 LED 패키지 소자 매출 기준으로 업체별 시장점유율은 일본 Nichia가 전체 LED 시장의 21.3%를 차지해 독보적인 1위를 지키고 있는 가운데 한국 삼성LED가 11.5%로 2위를, 독일 Osram이 8.7%로 3위를 차지하였고, 한국의 서울반도체는 7.5%로 4위를 차지하였다. 사파이어기판 시장은 일본의 교세라, 신코, 러시아의 모노크리스탈, 미국의 루비콘 등이 시장을 주도하고 있다. 에피웨이퍼 시장은 일본 니치아, 도요타고세이, 미국 크리, 네덜란드 필립스루미레즈, 대만 에피스타 등의 업체들이 시장을 장악한 상태이다. 칩 시장은 독일 오스람, 크리, 도요타고세이, 필립스 루미레즈 등의 해외 업체들이 시장을 주도하고 있으며, 이들 업체는 패키지 사업에도 진출해 있다. 패키지 시장은 진입장벽이 낮아 니치아, 오스람, 크리, 도요타고세이, 필립스 루미레즈 등 다수의 기업들이 치열한 경쟁을 벌이는 중이다. 국내 LED 소자 시장은 서울반도체 등 대부분 패키지 중심의 업체들로 구성되어 있고 에피웨이퍼와 칩 부문의 경쟁력을 보유한 기업은 삼성LED, LG이노텍, 에피플러스, 에피밸리 정도이다. 이는 LED 칩의 경우 원천기술에 대한 특허 진입장벽이 높고 국내 대다수 기업들이 영세하여 LED 칩 관련 연구개발비용을 감당하기 어렵기 때문이다. 다만 삼성LED, LG이노텍 등 일부 대기업이 웨이퍼부터 패키지까지 전 공정을 자체적으로 수행하며 그룹 내 수직계열화를 추진하고 있다. 2010년 현재 국내 LED 소자 업체들은 대규모 시설투자를 단행하여 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 보유대수가 삼성LED 150대, LG이노텍 145대, 서울반도체 100대 등으로 양산역량이 크게 확대되었다. 그러나 LCD TV용 LED BLU 수요로 인해 국내 시장이 크게 확장됨에 따라 국내 수요 공급에 급급한 상황이다. 자사 칩을 아직 세계시장에 수출할 수 있는 상황은 아니며, 조명용 LED는 아직 생산량을 5% 수준에서 조정하고 있는 중이다. 그리고 대부분의 LED조명회사들은 조명용 LED 패키지를 해외에 의존하고 있다. 니치아는 1993년 청색 LED 칩, 크리는 1995년에 고방열 수익형 LED 칩을 최초로 개발하여 특허권을 획득하였다. 이와 같이 LED 소자 시장은 선진기술 보유 기업이 원천기술에 대한 특허 라이센스권을 통해 후발 진입기업을 강하게 견제하고 있다. 또한 니치아, 오스람, 크리, 루미레즈 및 도요타고세이 등 선진업체들이 LED 특허를 공유하는 크로스라이선스를 체결함에 따라 높은 진입장벽이 형성되었다. 따라서 중소기업은 극심한 국제특허분쟁으로 인해 국제시장 진출이 어려우며, 글로벌 시장 진출을 위해서는 특허장벽을 넘어서야만 가능하다.

국내 LED 소자 업체가 원천기술을 보유하지 못한 점은 국내 업체가 사업규모를 확대하고 해외시장을 개척하는 데 저해요인이 되고 있다. 국내 LED 소자 기술 수준은 독자적인 원천기술, 고휘도/고효율 칩 기술, 고품위 에피성장 기술, 고출력/고신뢰성/고방열 패키지 기술 측면에서 선진국 대비 3~4년 정도의 격차가 있는 것으로 평가되고 있다. 국내 LED 소자 기업체들은 선발 업체에 대한 기술적 열세, 중국 등 후발 주자에 대한 가격경쟁력에 밀리는 넛 크래커 현상 속에서 세계시장 진입이 아직 저조한 실정이다. 따라서 현재의 기술적 장벽을 극복하기 위해서는 저가격화, 고출력/고효율 LED 소자 관련 핵심 원천기술의 확보가 필수적이다.

국내 LED 소자 기업들은 해외 선진기업의 특허공세 회피를 위해 부가가치가 높은 에피ㆍ칩ㆍ패키지 등의 핵심부품을 수입하고 있으므로 핵심부품의 대일ㆍ대만 수입의존도가 높다. 청색·백색 LED 기술에 있어 후발주자인 국내 업체들은 고휘도 백색 LED 시장에서 일본 니치아 등의 선발 업체들이 출원한 특허를 피해가야 하는 실정이다. 최근 서울반도체를 비롯한 국내 LED 업체들은 일본 업체들의 특허 공세에 시달려 수익의 대부분을 소송비용으로 지불하는 등 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 로열티 지급을 통한 라이선스 확보, 자체기술을 무기로 한 특허 라이선스 공유, 독자적인 기술 확보 등이 있다. 각 업체별 특성에 맞는 특허 공세 회피 방식을 찾아야겠으나 가장 바람직한 것은 독자적으로 지적재산권을 확보하는 것이다. 막대한 투자가 필요한 칩과 패키지는 성과를 보기 어려운 영역이기 때문에 우선 LED 조명의 방열과 회로기술 개발 등에서 핵심 원천기술 개발에 주력하여야 할 것이다. 상호 라이선싱, 방어특허 확보 등으로 LED 특허침해 소지를 제거하고, 학계, 연구소 등과 함께 특허 풀(pool)을 구성하여 대응해야 할 것이다. 최근 LED 선두업체들은 기판에서 패키지에 이르는 전 공정 라인업을 구축하여 기술유출을 막고 특허장벽을 강화하고 있다. LED 선두업체의 수직적 통합은 후발업체에 불리하게 작용할 전망이므로 후발업체는 선진업체와의 전략적 제휴 및 네트워크 구축을 적극 추진해야 한다. 또한, 미국, 일본, 유럽 등 선진 산ㆍ학ㆍ연과의 활발한 기술 교류와 업계 동맹 구축을 통해 특허분쟁에 대비하여야 한다. 아울러 방열, 회로, 디자인 등에서 경쟁력 있는 중소기업을 발굴하여 수직 계열화된 대기업과 상생 협력을 통해 LED 시장에 진출한다면 LED 소자 원천기술 확보와 특허분쟁에 대응이 가능할 것이며, 이는 결국 LED 소자 산업의 글로벌 경쟁력 확대에 기여하게 될 것이다.