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조명부터 헬스케어 까지, LED 성능 향상을 위한 고민과 한계

2019-11-01

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LED는 1879년 에디슨이 전구를 발명한 이래로 130년 백열전구의 시대를 밀어냈습니다. 소비전력이 백열전구의 1/7수준이고 수명도 20배 이상 길어서 환경친화 제품으로 인정받았기 때문입니다. 지구온난화 문제가 대두되면서 어떤 국가에서는 백열전구 판매 금지 정책을 펼치기도 하고, LED로 교체하는 것을 권장해왔습니다.

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현재 LED 시장은 일반 조명을 넘어 헬스케어, 바이오, 디스플레이, 농업에까지 확대되어서 성장 가능성을 계속 보여주고 있습니다. 글로벌 시장조사업체인 자이온마켓리서치에 따르면 세계 LED 시장은 2016년 약 29조원에서 2022년에는 약 60조원으로 커질 전망입니다.

(2013 6%에 불과했던 LED 비중이 2017 35%까지 확대된 것만 보더라도 놓칠 수 없는 시장이라는 것을 알 수 있습니다.)

 

그만큼 제품 기능을 향상시키기 위한 연구가 활발한 분야기도 한데요, 이번 포스팅에서는 LED 조명 개발 과정들에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

1. LED 기술의 발전

 

LED는 실리콘과 그 주변 원소인 게르마늄, 갈륨, 비소 등 반도체 물질에 전기가 흐를 대 물질 내부의 에너지 차이로 빛을 내는 원리를 이용한 소자입니다. 전류가 흐를 대 서로 다른 물질에서 과잉된 전자가 빈자리로 이동하면서 빛을 내는 원리죠.

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우선 고출력의 LED 패키지와 기판의 발전과정을 살펴보겠습니다. 광 효율을 향샹시키는 방법부터 열저항 개선, /기판 개선 등을 통한 기술 발전이 이뤄지고 있습니다. 이와 같이 고출력의 LED 패키지 개발이 이슈가 되고 있는데요, 하지만 여전히 고출력/고휘도의 제품 개발은 쉽지 않습니다.

 

 

2. 열 손실을 줄이기 위한 고민

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에너지 효율 측면에서 살펴보면 기존 백열등 대비 LED 조명에서 에너지가 빛으로 전환되는 것이 더 큽니다. 하지만 기존 조명에서 여전히 문제가 되었던 열 손실에 대해서는 LED 조명에서도 최대 85%까지 차지하고 있습니다. 열 손실이 LED 조명에 어떤 영향을 미칠까요?

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LED 조명에 전압이 인가되면 전류가 발생하게 됩니다. 전류의 발생은 조명의 밝기를 높여주죠. 전류의 증가에 따라 조명의 출력이 향상되지만 이로 인해 LED 칩의 접합부인 Junction의 온도는 높아지게 됩니다. 결국 Junction의 온도가 높아지면 오히려 밝기가 떨어지고, LED 조명의 수명에 영향을 미치는 것도 확인할 수 있습니다.

 

열에 의한 또 다른 문제로, LED 칩에서 발생된 열이 전달되는 과정에서 발생하는 열 피로와 열응력에 따른 열 변형 현상입니다. 실제 조명에서의 구조적인 문제의 원인이 되기도 하죠.

 

 

[ 열 피로 및 열응력에 따른 문제들 ]

- 패키지 재료들의 각기 다른 열특성에 의해 와이어 끊김 현상이 발생

- 칩과 보호막 간의 층간 분리 현상 발생

 -에폭시 레진(epoxy resin)의 노란색 변색이 발생

 - 땜납 접속 분리 현상이 발생

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와이어 끊김                                                                                                                      층간 분리

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노란색 변질                                                                                                               땜납 분리

 

 

3. 실험을 통한 LED 성능 측정 방법

 

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결국 LED 조명의 열을 분석할 대 가장 중요한 부분은 Junction 온도입니다. 왜냐하면 LED 조명의 수명은 Junction 온도를 기준으로 정해지기 때문입니다. 그래서 Junction 온도를 알고, 이 부분의 온도를 기준 대비 약 20~30% 낮은 상태로 유지하는 방열 설계를 목표로 합니다.

 

하지만 Junction 온도는 측정 불가한 부분이며 대체하여 측정 가능한 부분은 Solder(Tsp)입니다. Junction을 직접 측정하지 못하기 때문에 Solder 부를 측정하여 다음의 공식으로 계산을 하게 됩니다.

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실험에서는 써의 온도를 바로 측정할 수 없는 한계가 있고 더 나아가 열피로, 열응력으로 인해 발생되는 문제에 대해서는 실험을 통해 확인이 불가능합니다. 실험을 통해 간접적으로 확인이 가능한 Tsp 측정 방법은 열화상 카메라를 사용하는 것과 열전대를 이용한 측정 방법이 대표적입니다.

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일단 열화상 카메라는 조명의 전체적인 온도와 주변 공기의 온도까지 측정할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 우리가 원하는 내부 온도는 측정이 불가능합니다.

 

그에 반해 열전대의 경우 원하는 위치에 열전대를 부착하여 온도 측정이 가능하지만 전체 온도 분포를 측정할 수 없다는 것과 Tsp를 측정하기 위해서는 제품을 분리해야 하는 한계성이 있습니다.

 

LED의 효율에 대한 연구와 개발은 계속되지만 실제 제품을 검증하기 위한 실험의 한계성으로 결과 분석이 제한적이라는 것을 알 수 있습니다. 그래서 최근에는 많은 기업들이 CAE를 활용하여 시제품 제작 전 성능을 평가하고 있습니다.

 

 

‘LED 조명, 최적의 방열 설계를 위한 고민 2에서는 방열 설계에 CAE를 어떻게 적용하고 있는지에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

태그 LED #방열설계 #열효율 LED조명

MeshFree Team

Written by MeshFree Team

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