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‘LED 기술 선점’을 위한 핵심기술 확보 경쟁 Essential News

고출력 LED 패키징 기술의 현황

▲ LED의 구조.     © 한국LED산업신문



원천적 핵심기술 중에 중요한 하나가 패키징 기술

LED 패키지에서 방열은 LED 수명과 밀접한 관련

LED 패키지 기술은 LED의 조명화와 실용화에 초점

최근 들어 발광다이오드를 이용한 조명산업의 발전이 가시화되면서 이의 기술적 선점을 위한 국가 간 기업 간의 경쟁이 뜨거워지고 있는 추세이다. 모든 기술이 그렇듯이 이러한 LED 기술 역시 기술 장벽과 원천적 핵심기술들이 존재하며 그중에 중요한 하나가 바로 패키징 기술이라 할 수 있다.  이러한 LED 패키징 기술에서도 가장 중요시되고 있는 여러 기술에 대한 현황 및 향후 전망에 대하여 알아본다.

발광다이오드.(LED)는 크게 SMD타입과 램프타입으로 구분된다. 램프타입의 경우 주로 투명한 몰드(mold)로 싸여져 있으며 내부에 LED칩이 들어 있다. 표면실장소자(Surface Mount Device)는 부품의 다리를 인쇄회로기판(PCB)의 구멍에 끼워서 납땜하지 않고 부품을 회로기판에 얹어 놓은 상태로 납땜하여 사용한다. 따라서 SMD타입 LED는 소형화가 가능해 주로 휴대폰 등 모바일 기기에 사용되고 있다.



LED 패키지 구성 요소

LED 패키지는 크게 칩, 접착제, 봉지재, 형광체 및 방열 부속품 등으로 구성되어 있다. LED 칩은 빛이 발생하는 부분으로 p-n 접합 구조를 가지고 있어 전류의 흐름에 따라 여분의 전자와 정공이 발광성 재결합에 의해 빛이 발생한다.

접착제는 LED 패키지에서 각 물질들 간의 접착에 주로 사용한다. 주요 기능은 칩과 패키지, 패키지와 기판 또는 기판과 히트싱크 등의 면과의 기계적 접촉, 기판이나 패키지와의 전기 전도, 열 방출이다. 금속을 이용한 LED 칩의 접착은 합금을 이용한 솔더링 공정을 이용한다. 최근 상용화되는 LED 칩용 접착제는 대부분 에폭시 계열의 고분자 접착제가 사용되고 있다.

봉지재의 경우는 기본적으로 LED 칩을 보호하고 빛을 투과시켜 외부로 빛을 방출시키는 기능을 하고 있다. LED 봉지용 수지는 에폭시 계열과 실리콘 계열이 주류를 이루고 있다. 최근의 고출력 LED 패키지 물질로 실리콘 봉지재가 대부분 사용되고 있다. 실리콘 봉지재는 기존의 에폭시에 비하여 청색이나 자외선에 내구성이강하며 열적으로나 습기에도 매우 강한 면모를 보이고 있다.

LED 형광체는 염료, 반도체 등의 파장 변환 물질 중 대표적인 것으로, 전자선, X-선, 자외선 등의 에너지를 흡수한 후 흡수한 에너지의 일부를 가시광선으로 방출하는 물질을 말한다. LED 패키지가 백색조명으로 성장하는데 매우 중요한 역할을 하였다. 형광체를 제조하는 방법으로는 고상법, 기상법, 액상법이 있으며, LED용 형광체의 제조는 경제성을 이유로 대부분 고상법을 이용한다.

마지막으로 LED 패키지를 구성하는 요소는 방열 부속품이다. LED 패키지에서의 방열은 LED 패키지의 수명과 밀접한 관련이 있기 때문에 매우 중요한 요소이다. LED 패키지의 방열 부속품에는 여러 가지가 있는데, 대표적으로 수냉식, 공랭식, TEC를 이용한 강제 대류, 강제 전도 방식이 있고 자연 대류를 이용한 heat sink와 slug가 있다.



방열 설계의 중요성


실제로 LED가 백열등과 형광등을 대체하는 조명용으로 사용되려면 광 출력을 현재보다 더 많이 높여야 하는데 고출력 LED의 경우, 소비전력이 높아 발생되는 열을 해결하기 위해 방열이 필수적이다. 그렇지 못하고 생성된 열을 내부에서 지속적으로 지니게 되면 소자의 온도가 상승하여 효율적인 광 방출을 저해하게 되고 열적 스트레스에 따라 수명이 급격히 저하된다. 미국의 한 통계 자료에 의하면 전자 소자의 고장은 55% 정도가 온도에 의하여, 19% 정도는 습도에 의하여 야기되는 것으로 나타났다.

LED 패키지 역시 온도에 따른 특성변화가 심하게 나타나고 있다. Junction 온도가 증가함에 따라 LED의 효율은 감소하게 된다. LED의 효율 감소는 LED 수명 저하로 이어지기 때문에 발열문제의 해결은 소자의 신뢰성을 제고하는 제일 중요한 요소이다.



패키지 요소의 연구 동향 및 이슈


LED 패키지 기술은 LED의 조명화와 실용화에 초점을 맞추고 있다. 최근에는 패키지 요소의 연구동향 및 이슈 역시 이 부분에 맞추어 활발히 진행 중에 있다. 특히 패키지 요소 중 기판, 형광체, 봉지재, 고 방열 소재부분인 LED 패키지 핵심요소의 연구가 활발히 진행 중에 있다.


기판의 경우 LED chip을 형성하는 매우 중요한 요소이다. 근래에는 생산성
향상을 위한 4 inch 웨이퍼의 양상기술이 일반적으로 연구되고 있으며 추후2014년에는 6 inch 웨이퍼의 양산기술이 개발될 것으로 보고 있다.

이와 더불어 GaN 단결정 성장기술과 GaN 웨이퍼의 가공기술 역시 활발히 연구 중에 있으나 상용화를 위해서는 앞으로 더 많은 연구가 필요할 것으로 예상된다.

LED 기판에 대한 기술 이슈들은 ● 활성이온 탐색 및 주입기술 ● 6 inch 사파이어 단결정 성장 및 가공기술 ● GaN 웨이퍼 대구경화 기술 ● 전위발생을 최소화하는 성장속도 제어기술 ● a/c축 성장속도 제어기술 ● 결정성장 유체해석기술 ● 초임계 암모니아기술 ● 품질평가 기술 및 유해물질 제거기술등이 앞으로 LED 기판 요소부분에서 각광 받고 있는 연구 분야이며 LED 상용화를 위해 반드시 필요한 기술이다. 특히 우리나라의 경우 LED 기판 및 chip에 대해 종사하고 있는 업체는 전체의 9%만 차지하고 있다. 이는 LED 부품소재의 기초가 되는 부분에 연구가 얼마나 시급한지를 단편적으로 보여 주고 있다.

다음으로 LED 패키지부품 중 중요한 부분은 형광체이다. LED의 경우 빛을 내는 반도체이기 때문에 LED의 특성은 빛으로 좌우된다. LED에서의 빛은 LED 자체에서 나오는 파장을 그대로 이용하는 방법이 있고 두 번째로는 형광체와 같은 물질을 도포하여 원하는 빛의 색상을 만들어 내는 방법이 있다. LED에서 발생하는 빛의 파장만을 이용할 경우 파장 대에 한계가 있어 형광체의 이용이 필수적이다.

특히 고체 백색조명이 휴대폰용 디스플레이 광원이나, 노트북컴퓨터, 자동차용 광원에 실용되고 있으며, 그 용도를 일반 조명용 시장으로 점차 넓혀가고 있는데 이러한 고체 백색 조명의 성장은 형광체의 도움이 없었다면 불가능했을 정도로 LED에서의 형광체 비중은 크다.

이러한 형광체에 대해 연구가 진행되고 있는데 대표적인 형광체 연구 분야는 녹색/황색 형광체 기술과 적색 형광체 후보 물질 및 합성 기술, 양자점/나노/Glass ceramic 형광체 기반 기술 분야이다. 녹색/황색/적색 형광체 개발 기술은 새로운 조성에 고 신뢰성을 갖는 적/황/녹색의 마이크로 단위의 형광체를 제조하는데 목표를 두고 있으며 glass ceramic 형광체는 조성 설계 및 결정화 제어 기술 그리고 효율 향상 기술에 주안점을 두고 있다.

형광체는 광학적으로 활성화된 원소와 활성화된 물질을 받쳐 주는 무기 물질인 호스트로 구성되어 있다. 이에 앞으로는 보조 활성제 농도 제어 및 분포 제어 기술, 나노 입자 대량 생산 공정 기술이 새로운 이슈로 부각될 것이며, 여기에 광 미세유체 도포 및 백색광 구현 기술과 형광체 신뢰성 평가 기술 및 특성 표준화 기술도 주요 기술로 본다.

다음으로는 LED 부품에 큰 비중을 차지하고 있는 봉지재이다. 대표적인 LED 봉지용 수지는 에폭시 계열과 실리콘 계열이 주류를 이루고 있다. 에폭시 수지는 주성분인 에폭시 주제 및 산무수물, 아민경화제에 경화촉진제 및 첨가제 등을 배합시켜 만든 투명한 유기고분자이며 실리콘 봉지재의 경우도 주제와 경화제로 나누어져 있으며 반응 후 구조는 실록산 주 체인에 메틸기와 페닐기가 적정 비율로 혼합되어 있는 구조를 나타내고 있다. 단파장 LED용 봉지재는 고출력이고 열이 많이 발생하기 때문에 고 신뢰성의 봉지재가 필요하다. 핵심 봉지재 기술로는 고내열성 봉지재 기술, 고열전도성 접착제 기술, 봉지/접착제용 고분자 합성 기술이 있다.

보다 세부적으로 알아보면, ● 고분자 중합 및 재료 블랜드 기술 ● 광투과율 개선 및 내열특성 향상 기술 ● 팽창률/흡수율 최적화 기술 ● 분자 구조 제어 기술 ● 고열전달 접착 기술 등이 있으며 이러한 기술 모두 봉지재의 안정화 및 신뢰성을 향상시키는데 그 목적이 있다. 열적, 광적 안정성이 떨어질 경우 형광체를 이용한 백색 LED의 경우 그 수명이 매우 짧아 열적, 광적으로 안정한 봉지재의 사용이 필수적이기 때문이다.

LED 봉지재의 투과율의 경우 패키지 효율 및 최종 제품의 신뢰성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요한 봉지재의 특성이다. 굴절률이 높은 실리콘이 제조 회사에 관계없이 90% 이상의 투과율을 나타내고 있으며 같은 실리콘 계열이라도 굴절률이 낮은 봉지재(EG6301, TX2335)가 낮은 투과율을 나타내고 있다.

마지막으로 고 방열소재에 대한 연구 동향 및 이슈로 방열소재는 방열 설계를 하는데 있어 핵심 요소이기 때문에 LED 패키지에 있어서 매우 중요한 요소이다. 방열소재 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 소재 자체의 기술과 소재를 평가하는 기술이다. 소재 자체의 기술로는 고출력 LED용 고 방열 금속 PCB 기술과 고 방열 복합 소재 기술 그리고 하이브리드 구조 성형 기술이 여기에 속한다. 그리고 소재 평가 기술은 계면/접합부 공정 제어 기술 및 측정 평가기술 등이 있다.

세부적인 고 방열소재 기술은 ● 3D 구조 형성 및 도금 기술 ● HDI-Via 형성 및 Thin insulator 기술 ● 후막 배선 응용 및 고열전도성 피막 코팅기술 ● 선택적 방열 구조 형성 및 고 방열 filler 기술 ● Package on Package 지지 구조 형성 기술 등이 있다. 세라믹 패키지의 경우 chip의 팽창계수와 비슷하여 delamination 현상이 적으며 열전도도 역시 우수하여 고 방열소재의 하나로 그 연구가 활발하다.

/안형철 부장 news@lednews.net

Source : LED마켓




 

 


덧글

  • bobjyeon 2010/05/23 20:04 # 삭제

    Led 기술현화에 좋은 자료네. 잘 퍼깔께요. 감사합니다.
  • 2011/09/25 20:42 # 삭제 비공개

    비공개 덧글입니다.
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