2018 에너지 융합교육 교사연수1

서울 교육대학교에서 금, 토요일 이틀에 걸쳐 에너지 융합교육 교사 연수가 있어 참여하였다.

에너지 동아리를 운영하고 있고 올해 자유학기제 주제 탐구 주제도 에너지에 대한 내용이었기에 배울 것이 많을 듯 하여 참여했다.

김정식 수석님이 함께 해주어서 더 흥미가 있었다.

참석자가 5명밖에 안되어 완전 과외하는 분위기이다.

그리고 같이 한 샘들과 토론하는 형식으로 진행되어 시간이 잘 갔다.

오후에 시민운동사례 발표할 때는 뜬금없이 태양열 설치한 장소 이야기만 해서 좀 그렇기는 했지만....

             < 전지에너지와 빛 에너지>

                                                                    박일우 교수

led의 작동원리 및 관련된 노벨상에 대해 알아보는 시간을 가졌다.

우선 반도체에 대해 알아보는 시간부터...

반도체 집적회로는 손톱만큼 아주 작고 얇은 실리콘 칩처럼 보이지만, 그 안에는 수만 개에서 수십 억 개 이상의 전자부품들(트랜지스터, 다이오드, 저항, 캐패시터)이 들어있다. 이러한 전자 부품들이 서로 정확하게 연결되어 논리게이트와 기억소자 역할을 하게 되는 것이다.

그렇다면 반도체 집적회로는 어떤 제조공정을 거쳐 만들어지는 것일까?

반도체 제조는 칩 속의 작은 부품들을 하나하나 따로 만들어서 조립하는 것이 아니다. 부품과 그 접속 부분들을 모두 미세하고 복잡한 패턴으로 만들어 여러 층의 재료 속에 그려 넣는 방식을 사용한다, 그러기 위해서는 패턴을 사진으로 찍어 축소한 마스크를 마치 사진 인화 할 때의 필름처럼 사용한다.

1) 웨이퍼의 기초, 잉곳(Ingot) 만들기

 

모래에서 추출한 실리콘은 반도체 원료로 쓰이기 위해 정제과정이 필요하다. 그래서, 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것으로 실리콘 기둥, 즉 잉곳(Ingot)을 만든다, 실리콘 결정 성장기술인 초크랄스키법(Czochralski, Cz) 혹은 플로팅 존법(Floating Zone, FZ) 등을 이용하여 얻을 수 있다.

 

■ 웨이퍼의 재료와 제조 공정

  특수 공정을 이용해 웨이퍼 위에 전자회로를 새긴 후, 웨이퍼 위 집적회로(IC)를 각각 절단하면 IC칩이 되는 것이다.  

여기서, 웨이퍼(Wafer)란 반도체 집적회로를 만드는 중요한 재료로, 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 얻은 단결정 기둥(Ingot)를 적당한 지름으로 얇게 썬 원판모양의 판 을 말한다.

 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만든다. 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적으로 얻을 수 있는 재료이고, 독성이 없어 환경적으로도 우수하다는 큰 장점을 가지고 있다.

특히, 초크랄스키법은 결정 성장 장치를 이용하여 도가니로 다결정 실리콘을 용해 및 서서히 끌어올려 성장시키는 방법으로, 많이 이용되고 있는 기술이다. 초크랄스키법을 간단히 살펴보면, 다결정 실리콘을 도가니에 넣고 가열하여 녹인다. 이후, 단결정 실리콘(seed)을 내려서 녹아있는 실리콘 용액 위 표면에 접촉시키고 단결정 실리콘(seed)을 천천히 끌어올린다, 이때, 단결정 실리콘(seed)이 끌어올려지면서 고상과 액상 사이의 계면에서 냉각이 일어나고 큰 단 결정체가 성장되어 잉곳(Ingot)이 만들어진다.

 

2) 얇은 웨이퍼 만들기, 잉곳 절단(Wafer Slicing)

 

결정이 성장된 후, 얇은 웨이퍼를 만들기 위해서는 성형 공정이 필요합니다. 단결정 실리콘(seed)과 잉곳(Ingot)의 말단을 제거하고, 식힌 잉곳(Ingot)을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 절단하면 바로 '웨이퍼'가 된다. 따라서 웨이퍼의 크기는 잉곳(Ingot)의 지름이 결정한다, 반도체 산업 초기에는 직경이 3인치에 불가할 정도로 작았다. 하지만, 웨이퍼가 클수록 한 번에 생산할 수 있는 IC칩 수가 증가하기 때문에, 웨이퍼의 크기가 점점 커지는 추세이다.

 

3) 거울처럼 반짝이게, 웨이퍼 표면 연마(Lapping& Polishing)

   절단된 웨이퍼는 모양이 그럴싸하지만, 반도체 공정에 들어가기까지 아직 몇 단계가 남아 있습니다. 절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 매우 거칠어 사용할 수가 없다, 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 이용해 웨이퍼의 표면을 거울처럼 반짝이게 갈아 낸다. 이는 광 노광 공정 시, 소자를 형성시킬 수 있도록 매끄러운 표면을 만드는 것이다.

완성된 웨이퍼는 각 부위별 명칭과 기능을 가지고 있다.

■ 웨이퍼 부위 별 명칭

 

① Chip: 웨이퍼 위 전자회로가 새겨진 얇고 작은 조각으로, IC칩이 되는 부분이다.

② Scribe Line: Chip 사이의 경계로, 아무 전자회로가 없는 부분이며, 웨이퍼를 개개의 칩으로 나누기 위한 분리 선이다.

 

③ TEG(Test Element Group): 작은 IC칩 한 개에는 수십만 또는 수백만개의 트랜지스터, 캐퍼시터, 저항, 다이오드, 배선회로 등으로 구성되어 있어 실제 칩의 동작 여부를 판단하기 위해 테스트가 필요합니다. 따라서 칩의 실제 특성을 보기 위해 패턴을 구현한 것이 TEG이다.

 

④Edge Die: 웨이퍼는 가장자리 부분에 손실 부분, 즉 다이(Die)를 가집니다. 직경이 작은 웨이퍼보다 큰 웨이퍼의 다이 부분이 적고 손실률도 줄어든다.

 

⑤ Flat Zone: 웨이퍼 결정 구조는 눈으로 식별이 불가능합니다. 따라서 웨이퍼의 구조를 판별하기 위해 웨이퍼의 한 부분을 평평하게 만드는데, 이를 플랫존이라고 한다.

 

지금까지 웨이퍼의 재료, 제조 공정에 대해 알아보았다. 웨이퍼의 원료인 실리콘은 전기가 통하지 않는 부도체이다.

사파이어로 만든 웨이퍼 칩

UV LED 에 대한 기사를 통해 에너지 효율에 대한 이야기를 해주셨다.

UV LED는 자외선을 방출하는 첨단 반도체 광원이다.

파장에 따라 세균·바이러스를 없애고, 특수 물질과 화학 반응하는 특성이 있어 물·공기·표면 살균, 의료·바이오, 경화·노광 장치 등에 사용된다. 화학약품이나 중금속 없이 빛을 내 친환경적이고, 1만 시간 이상 긴 수명과 강한 내구성, 1센티미터 미만의 작은 크기로 활용도가 높다.

<청색 led를 만들기 위한 기술>

2014년 노벨 물리학상은 청색 발광다이오드(LED)를 개발한 일본의 나고야대학

아카사키 이사무 교수와 아마노 히로시, 나카무라 슈지 3명에게 수상 되었다.

에너지 효율이 높고 친환경적인 새로운 광원인 청색 발광다이오드를 발명한 아카사키 교수와 같은 대학 아마노 히로시, 샌타바버라 캘리포니아주립대(UC샌타바버라) 나카무라 슈지 교수 등 3명에게 수여된 것이다.

거의 불가능하다고 알려진 청색 LED(발광 다이오드) 개발해 노벨상의 영광을 안았다.

 청색 LED란 빛의 효율성과 내구성이 특출한 조명의 일종으로 지난 20년 이상 적색과 녹색 LED만 존재해왔다. 

 청색 LED만 있으면 빛의 3원색 즉 RGB 컬러가 생겨 1600만 색의 표현이 가능해지고, 이는 곧 조명기기, 디스플레이 등의 대혁명으로 이어지기 때문에 전 세계적으로 개발 경쟁이 치열했다.

노벨위원회는 수상자들의 업적에 대해 LED 램프의 등장으로 우리는 기존의 광원을 대신할 수 있는 더 오래 사용할 수 있고 더 효율적인 대안을 갖게 되었다.

中 본토까지 노리는 韓 LED의 역습…'UV LED'가 뭐길래

처음에 미국이 선두였다가 일본에서 한국, 중국이 LED 생산에 선두를 달리고 있다.

그런데 기존의 LED는 가격이 싼데 청색 LED가 비싸므로

입력 2018.03.08 18:50 | 수정 2018.03.09 06:00

한때 디스플레이·조명 등에 쓰이는 발광다이오드(LED)는 중국산(産)이 판을 쳤습니다. 중국 정부 지원을 등에 업고 저가로 물량 공세를 펼쳤기 때문입니다. 하지만 중국 정부의 LED 업체 보조금이 중단되고, 저가 제품과 차별화된 고부가 제품에 집중한 한국 업체의 승부수가 통하면서 국내 LED 산업이 침체를 벗어나 부활할 조짐을 보인다는 관측이 나옵니다.

국내 업체가 선보인 고부가 LED 제품의 대표적인 예로 UV(자외선) LED를 꼽을 수 있습니다. 디스플레이나 조명으로 쓰이는 LED는 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선을 방출합니다. UV LED는 이름 그대로 자외선을 방출합니다. 자외선은 눈에 쬐면 해롭기 때문에 광원 목적으로 쓰지는 않고 물, 공기, 물체 표면에 존재하는 세균이나 바이러스, 곰팡이 등을 제거하는 데 쓰입니다. UV LED는 친환경적으로 위생 문제를 해결하는 차세대 광원 소자로 주목받습니다.

UV LED 제품 모습. / LG이노텍 제공

기존에는 살균용 광원으로 주로 수은 UV 램프가 쓰였으나, 수은이 인체와 환경에 미치는 악영향을 고려해 각국에서 사용을 자제하려는 움직임을 보입니다. 수은 중독에 의한 대표적인 병인 '미나마타병'에서 이름을 따 2013년 유엔 환경계획(UNEP) 주도로 체결된 수은 금지 협약 '미나마타 협약'에는 현재 한국도 가입한 상태입니다. 미나마타 협약이 발효되는 2020년부터 가입국은 수은 함유 제품을 수출입할 수 없게 되므로 수은 UV 램프를 대체할 UV LED에 대한 관심도 자연스럽게 커지는 추세입니다.

UV LED는 파장에 따라 315~400나노미터(㎚, 10억분의 1m)의 경우 UV-A, 280~315㎚는 UV-B, 100~280㎚는 UV-C로 구분합니다. 이 중 UV-C LED가 살균 용도로 적합합니다. 시장조사업체 욜 디벨롭먼트에 따르면, UV LED 시장 규모는 2016년 1억5190만달러(1620억원)에서 2021년 11억1780만달러(1조1950억원)로 7배 이상 늘어날 전망입니다. 살균용 UV-C LED는 2016년만 해도 전체 UV LED 시장에서 차지하는 비중이 2.1%에 불과했지만 2021년 52.8%를 차지하며 시장 성장을 주도합니다. 

UV LED는 수은 UV 램프와 비교해 환경 측면 외에도 전원을 켜는 즉시 살균이 시작된다는 점이 강점입니다. 수은 UV 램프는 예열 시간이 필요해 작동 후 서서히 살균 효과를 내기 시작하다가 완전히 예열이 끝나야 최대 살균 효과에 도달하기 때문입니다. UV LED는 제품 수명도 수은 UV 램프보다 5배쯤 길어 비용 효율적입니다. 또한, UV LED는 광원 자체의 크기가 수은 UV 램프와 비교해 훨씬 작아 소형 제품을 만들기에도 좋습니다. 실제 상용화된 에스컬레이터 핸드레일 살균용 UV LED 제품의 경우 크기가 A4 용지 절반 크기에 불과해 비교적 손쉽게 설치할 수 있습니다.

에스컬레이터 핸드레일 살균용 UV LED 설치 모습. / LG이노텍 제공

UV LED는 몇 년 전만 해도 출력이 10밀리와트(㎽)에도 채 못 미쳐 수은 UV 램프를 대체하기에 역부족이라는 평가를 받았습니다. 하지만, 최근 몇 년 새 빠르게 기술이 발전해 100㎽에 달하는 고출력 UV LED가 등장하며 활용처가 대폭 늘었다는 평가를 받습니다. 관련 업계에서는 애초 100㎽ 출력의 UV LED가 빨라야 2019년에야 나올 것으로 내다봤으나, LG이노텍이 이보다 2년 앞선 2017년 개발에 성공해 큰 주목을 받았습니다.

강동현 서울대학교 농업생명과학대학 교수에 따르면, 100㎽ UV LED로 살모넬라균을 살균하는 실험을 수행한 결과, 3.4초 만에 99.9%의 살균력을 확인할 수 있었습니다. 강 교수는 이외에도 햄버거 균으로 잘 알려진 병원성 대장균, 겨울철에도 끈질기게 살아남아 복통을 유발하는 노로바이러스, 각종 곰팡이까지 UV LED로 효과적으로 제거할 수 있음을 실험으로 보였습니다.

UV LED는 출력이 높아질수록 더 짧은 시간에 살균을 완료할 수 있고, 살균할 수 있는 범위도 커지기 때문에 적용 범위가 무궁무진해집니다. 10㎽ 이하 UV LED는 정수기나 공기청정기와 같은 생활가전에 쓰기 적합합니다. UV LED는 촉매제와 함께 악취 제거 용도로 냉장고에 탑재되기도 합니다. UV LED 출력이 70㎽쯤 되면 생활 유수 정도의 흐르는 물과 공기를 살균할 수 있는 수준이 됩니다. 나아가 UV LED 출력이 200㎽에 이르면 상·하수 처리와 같은 대용량 고속 유수까지 살균할 수 있게 될 전망입니다. LG이노텍은 올해 150㎽급 UV LED를 선보이고, 2019년에는 200㎽급까지 개발 완료한다는 계획입니다.

세계 UV LED 시장에서 주도적인 활약을 보이는 곳은 일본과 한국입니다. LED인사이드가 집계한 매출액 기준 2016년 시장 점유율 순위에서는 일본 니치아와 나이트라이드 세미컨덕터즈가 나란히 1, 2위를 차지했습니다. 뒤이어 한국 서울바이오시스와 LG이노텍이 3, 4위에 올랐고 5위도 일본 우시오·에피텍스였습니다. 하지만 2017년에는 LG이노텍이 선두 니치아에 이은 2위로 치고 올라왔습니다. 한 해 전 2위였던 나이트라이드 세미컨덕터즈는 3위 서울바이오시스에게도 밀려 4위로 내려앉았습니다. 독일 오스람도 5위에 새로 이름을 올렸습니다.

송준오 LG이노텍 LED 사업부장(상무)은 7일 기자간담회에서 "최근 중국 정부에서도 많은 인구로 인한 위생 문제 해결의 필요성을 깨닫고, 친환경적인 수처리에 높은 관심을 보이고 있다"고 말했습니다. 

그동안 중국 저가 LED 공세에 밀린 한국이 차별화된 기술력의 고부가 UV LED 제품으로 중국 시장을 점령하는 모습을 볼 수 있게 될 것인지 귀추가 주목됩니다.