많은 기업들이 LED 산업에 뛰어들고 있지만, 기초 핵심 소재인 사파이어 단결정은 현재 수입 의존율이 80%를 넘고 있다. 무역역조 개선 및 LED 산업의 기반확대를 위해서는 경제적인 사파이어 단결정 소재의 개발이 절실한 상황이다.

LED는 디스플레이, 조명, 의료기기 등 생활의 혁명을 불러 일으킬 수 있는 핵심 산업이다. 장기적으로는 또 하나의 대규모 반도체 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다.

이 중 핵심 소재인 사파이어 소재를 모든 결정방향으로 단결정 성장을 확보해 신규 시장을 창출하고 시장 주도권을 확보한다는 전략이다.

모든 결정 방향으로 단결정 성장 기술을 바탕으로 300㎜ 웨이퍼 제조가 가능한 단결정 잉곳, 고품질, 그리고 50% 이상의 cylinder core yield 가능한 성장 기술의 개발을 통해 LED용 사파이어 단결정 소재의 핵심 요소 기술을 확보한다는 것이다.

1960년대 적색 LED의 상용화 이후, 1993년 일본 니치아화학공업의 나카무라 슈지氏(現 미국 산타바버라대 교수)에 의해 청색 LED가 발명됨에 따라 LED의 적용범위와 시장규모가 확대되는 새로운 전기를 마련하게 됐다.

청색 LED는 초기에 GaN을 이용했지만, In, Al 등 새로운 원소를 첨가하면서 발광효율과 총천연색 구현이 가능하게 됐다.

LED 기판으로 GaN이 사용되지 못했던 가장 큰 이유는 GaN의 단결정 성장이 어렵고 생산단가가 높았기 때문이다.

이러한 이유로 청색 LED의 기판으로 GaN을 대신해 사파이어가 활용되고 있다. 사파이어는 알루미나(Al₂O₃)를 고온에서 녹인 후 서서히 냉각해 단결정 성장 시키면 된다.

▲ LED 용 사파이어 단결정 소재 기술 흐름.

최근에는 기술개발을 통해 사파이어 단결정의 직경을 4인치 이상으로 확대하는 것이 가능해져 LED 생산량이 증가하게 됐다.

4인치 웨이퍼를 사용하게 되면 2인치 웨이퍼를 사용할 때보다 생산량이 33% 증가하게 된다.

또 증착 면적이 증가하고 가장자리 길이 감소 등을 통해 웨이퍼 가격 등 생산비용이 20% 상승함에도 불구 에피성장 업체는 생산량 증가에 따른 수익성 증가요인이 더 클 것으로 예상된다.

4인치 웨이퍼 비중증가는 LED 패키지 제품 하락속도를 빠르게 하여 LED의 적용범위를 더욱 확대하는 역할을 할 것으로 보인다.

사파이어는 결정학적으로 롬보헤드랄(rhombohedral) 구조를 갖는 α-alumina(α-Al2O3) 단결정(single crystal)을 말한다. 사파이어는 1892년 베르누이(Verneuil)가 산화크롬(Cr₂O₃)을 불순물로 첨가한 인조 루비(ruby) 성장에 성공한 후, 1903년에 인조보석용 사파이어 성장에 성공하면서 공업용으로 사용되기 시작했다.

그 후 냉각종자법(Kyropoulos법), 회전인상법(Czochralski법), EFG법(Edge Defined Film Fed Growth), 수직수평온도구배법(VHGF: Vertical-Horizontal Gradient Freezing) 등으로 공업용 사파이어를 성장시켜왔다.

특히 청색 영역대의 파장이 발진하는 GaN 화합물반도체의 기판재료로서 널리 이용되고 있다.

Display Search자료에 따르면 올해 세계 LED 산업은 61억300만달러가 예상되며, 우리나라는 6억7,130만달러로 9.1%의 점유율을 확보한다는 예상이다.

세부적으로 사파이어 단결정 소재(사파이어 기판) 부분을 보면 세계시장은 3억5,000만달러, 우리나라는 4,020만달러로 8.75%를 차지할 것으로 예상하고 있다.

더욱이 2019년에는 사파이어 단결정 소재의 세계시장은 2조4,000억원 규모로의 성장이 예상되고 있다.
이에 정부는 LED용 기판 소재의 세계 1등을 목표로 대구경·고효율 사파이어 기판 기술 개발을 통해 LED 부품의 기술경쟁력을 제고한다는 것이다.

향후 LED 산업도 LED TV와 자동차용 LED 등 수요가 증대될 것으로 예상되고 있다.

▲ LED 기판 제조용 사파이어 단결정(직경 105mm 이하).

■Czochralski법

이 방법은 회전인상법으로 잘 알려져 있으며, 씨앗 결정을 사파이어 융액에 접촉시켜 회전시키면서 끌어올리는 동안 결정이 성장되는 방법이다.

이 방법은 다양한 단결정을 성장시킬 수 있으므로 실리콘 단결정 기판 성장 방법으로 널리 이용되고 있지만, 특히 사파이어 단결정을 성장시킬 때 장치상의 문제 즉 인상장치 또는 회전장치로부터 야기되는 진동 등에 의해 발생되는 결정 결함과 결정의 지름 조절에 한계가 있기 때문에 크기에 제한이 있으며, 단결정의 형상이 원통형으로 한정되기 때문에 웨이퍼 형태로의 가공 시 가공 수율이 낮아진다.

현재 러시아의 Rubicon과 미국의 Monocrystal이 주로 사파이어 단결정 제조법으로 이 방법을 사용하고 있다. 기판 사이즈는 4인치이며, 잉곳 사용효율은 50%이다. 현재 효율은 높이고 있으며, 잉곳의 대형화로 기술개발이 추진되고 있다.

우리나라에서는 산업체에서 일부 장비를 도입했으며, 이 공정으로 개발이 진행되고 있다.


■Kyropoulos법

기류에 의해 냉각되는 rod 끝에 씨앗 결정을 부착시켜 사파이어 융액 속에 침적시켰다가 끌어올려 바닥의 씨앗 결정이 융액과 접촉하면서 결정이 성장되는 방법이다.

이 방법은 유럽과 러시아에서 사용되고 있으며, 결정 성장 싸이클이 빠르지만 역시 결정을 끌어올릴 때 발생하는 진동 등이 결정의 품질에 영향을 미칠 수 있다. 또한 단결정의 형상이 원통형에 한정되므로 웨이퍼 형태의 가공 시 가공 수율이 낮아진다.

미국의 Hoeywell과 프랑스 Saint Gobain, 일본의 Kyocera가 제조하는 방법이다. 기판 사이즈는 4인치며, 잉곳 사용효율은 70%에 달한다. 일본이 개발을 주도하고 있으며, 고온 공정의 정밀제어 연구가 활발히 진행되고 있다.


■EFG(Edge Defined Film Fed Growth)법

일정 형태의 몰리브덴 재질의 die를 사파이어 융액 위에 위치시키고 die 위에 씨앗 결정을 접촉시켜 die를 통하여 사파이어 융액을 끌어올리면서 냉각하는 과정 중 near-net shape로 결정을 성장시키는 방법이다.

이 방법은 Stepanov법을 개량한 방법으로서 다양한 형태의 단결정과 일정 형상으로 가공하는 가공비가 절감되기 때문에 저비용 성장법으로 알려져 있으나 리본상 결함 등의 제어가 매우 어렵고 기공 등으로 인한 표면결함 발생률이 비교적 높은 방법이다.

일본의 Kyocera와 Namiki가 제조법으로 쓰고 있으며, 기판 사이즈는 4인치, 잉곳 사용효율은 25%이다.
이 방법도 일본이 주도하고 있으며, 품질과 잉곳 효율 개선의 필요성이 제기돼 왔다.

최근에는 Czochralski법으로 전향하고 있는 추세이다.


■VHGF법(Vertical-Horizontal Gradient Freezing)법

초고온 성장로에서 산화 알루미늄을 녹여 액체 상태로 만든 뒤 온도를 조절해가면서 사파이어 덩어리를 응고시키는 방법이다.

만들어진 사파이어 단결정은 기존 제품과 달리 투명해 잉곳상태에서 결함 검사가 가능하고 방위조절이 용이해 후가공비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한 우수한 광학, 기계적 특성, 고온 안정성 및 내화학 특성 등 많은 우수한 특성을 지니고 있다.

우리나라의 사파이어테크놀러지가 개발해 특허를 보유하고 있다. 기판 사이즈는 2인치, 잉곳 사용효율은 50%이며, 현재 4인치 개발이 진행되고 있다.