LED 전구 기술
조명시장에서는 이산화탄소의 삭감대책이 가속화되고 있다. 발광효율이 낮은 백열전구로부터 전환시키려는 움직임이 전 세계적으로 확산되고 있는 것이다. 앞으로 전구시장은 에너지 절약형 전구로 전환되어 2012년에는 전체시장의 3/4 이상이 에너지 절약형 전구를 사용할 것으로 전망된다.
에너지 절약형 전구의 하나로 기대되는 LED 전구는 광원 LED의 수명이 길고, 소비전력이 적으며, 환경성능이 우수한 특성을 갖고 있다. 발광 스펙트럼에 포함된 적외선, 자외선 등이 적으므로 빛을 받은 물체의 온도가 거의 상승하지 않는다.
LED 전구는 백열전구와는 달리 방출된 광 속에 열로 느껴지는 적외선이 거의 포함되지 않는다. 따라서 빛을 받은 물체가 뜨거워지지 않는 특성이 있으나, LED와 전원회로에서 발생한 열은 LED 전구 본체에 남아 있으므로 열전도, 복사 등에 의해 이를 발산시킬 필요가 있다.
광원으로 이용되는 LED는 유리 커버 내부의 알루미늄제 LED 장착 기판에 탑재된다. LED에서 발생한 열은 LED 장착 기판을 경유해 광체(알루미늄제 히트싱크)에 열 전달되고 복사에 의해 외부에 전달된다.
전원회로는 광체(알루미늄제 히트싱크)의 내부에 절연 케이스를 거쳐 설치된다. 반도체 부품 등에서 발생한 열은 광체에 열 전달되고 복사에 의해 외부에 방열된다. 전원부에서의 발열량이 많은 경우, 열을 보다 효율적으로 전달하기 위해 열전도성 플라스틱으로 회로 전체를 포함해 외부로 방열한다.
LED 전구에 사용되는 LED는 거의 100%의 빛이 전방으로만 복사된다. 빛을 받은 부분만 밝게 하려면 LED의 배광특성이 유리하므로 배광특성, 광속량 등 측면에서 최적화시키고 있다.
커버의 유리가 없으면 LED 단일체의 복사특성만으로 반치(half value) 각도는 120도로 되고, 전구의 후방으로 복사되는 광량은 0으로 된다. 한편, 산란재료를 도포한 커버의 유리가 있으면 후방으로 복사량이 증가한다. 산란재료의 도포량을 증가하면 투과율은 94%, 88% 등으로 낮아지지만, 후방으로 배광이 증가해 배광각도도 증가한다.
백열전구의 광색을 조정하기 어렵지만 LED 전구의 경우, 다수의 LED를 발광원으로 탑재하기 위해 이용함으로써 색 온도가 2,700 K, 5,700 K 등 발광색이 다른 LED를 두 종류 탑재하는 것이 좋다. 두 종류의 LED에 흐르는 전류를 조정하고 발광비율을 조정함으로써 색을 조정하는 기능을 실현할 수 있다.
LED에 흐르는 전류량을 조정함으로써 밝기를 변화시키는 밝기 조정 기능을 실현할 수 있다. 이와 같이 색을 조정하는 기능(조색기능), 밝기 조정 기능(조광기능)을 조작하기 위해 LED 전구에 리모컨을 이용한다. 리모컨을 이용함으로써 조광기를 설치하는 공사에서도 밝기를 조정할 수 있는 전구를 이용할 수 있다.
조광, 조색기능을 갖춘 경우, 발광색의 색온도의 변화, 전체 광속의 변화 등을 표시할 수 있다. 실험결과에 의하면 색온도가 2,700 K인 전구색일 때 약 5,400 K까지 7단계의 발광색을 조정할 수 있다는 것이다.
오늘날 LED 전구는 기존의 백열전구보다 수명이 길고, 발광효율은 백열전구보다 5배 증가한 성능을 갖고 있다. LED 칩의 특성, 형광체의 개발, 구동방법의 개선 등에 따라 LED의 발광효율은 형광등의 것보다 향상될 것으로 전망된다. 앞으로 조명과의 상승효과에 의해 가격이 저렴하게 될 것이며, LED 전구시장은 더욱 확대될 것으로 기대된다.
출처 : 詠田浩明, “LED電球”, 「シャープ技報(日本)」, 101, 2010, pp.17~20
LED는 연구개발이 크게 진보되어 그 성능이 현저하게 향상되고 있다. 개발 당초에는 LED의 휘도가 낮았으며, 용도로는 표시패널, 인디케이터 등의 표시기능을 갖는 제품에 한정되었지만 LED의 고휘도화가 진전됨에 따라 카메라의 플래시나 조명 등의 기능을 갖는 제품으로 용도가 확대되고 있다.
보호재료로서 사용되는 투명 봉지재료에 있어서는 LED로부터 방출되는 높은 에너지의 광이나 열에 대해서 투명성의 보존과 동시에 수지 특성의 열화가 없는 재료의 개발이 필요하다.
이러한 관점에서 고출력 LED 또는 내구성이 요구되는 LED의 경우에는 내광성, 내열성이 우수한 실리콘 재료로의 전환이 진행되고 있다. 또한 LED칩을 리드 프레임에 고정하는 접착재료(die bond) 또는 LED로부터 출력되는 광을 외부로 반사하기 위한 반사경(reflector) 재료에도 실리콘 재료의 사용이나 검토가 진행되고 있다.
봉지재료는 LED 칩, 전극재료, 배선재료 및 반사경 재료를 피복하도록 봉지하는 투명한 재료이다. 이 재료의 역할은 LED로부터 방출되는 광을 외부로 유도함과 동시에 외력이나 외부환경으로부터 내부재료를 보호한다.
이외에도 LED 칩으로부터 광 방출효율의 향상이나 청색광을 의사 백색광으로 변환시키기 위해 사용되는 형광체를 분산, 유지하는 등의 광학 특성에 관한 기능을 한다. 실리콘 봉지재료로는 메틸계, 메틸페닐계, 신규 페닐계 및 유기변성 실리콘 봉지재료 등이 사용 및 검토되고 있다.
실리콘 재료 중에서도 메틸계 봉지재료는 내열변색성이 매우 우수한 재료로서 150℃ 환경 하에서 20,000시간의 내구시험에서도 초기의 투명성을 유지하는 특성을 나타낸다. 이러한 성능에 의해 메틸계 봉지재료는 장기 신뢰성
이 요구되는 고출력 LED, LED 전구, 일반 조명, TV용 백라이트 등에 적합한 재료이다.
의사 백색 타입의 LED를 제조하는 경우에는 형광체를 봉지재료에 분산하여 경화시키는 방법이 일반적이지만 백색광 제품의 균일한 품질을 얻기 위해서는 형광체의 균일한 분산이 매우 중요하다. 가열경화 시에 형광체 침강방지에 우수한 중간 굴절률의 재료로서 메틸페닐계 봉지재료가 개발되고 있다. 또한 LED의 장기 신뢰성을 얻기 위해서는 가스 투과성이 낮은 것이 중요하다.
외부환경으로부터 부식성 가스의 진입에 의한 은도금 전극의 변색이나 수증기의 진입에 의한 패키지로부터의 박리 등과 같은 문제를 해소하기 위한 봉지재료로는 신규의 페닐계 실리콘이 개발되고 있다. 한편 일반적인 실리콘재료는 에폭시 재료에 비해서 경도와 강도를 양립시키는 것이 곤란하지만 특수한 유기작용기를 실리콘에 도입함으로써 우수한 경도와 강도를 동시에 얻는 것이 가능하다.
종래 LED 칩을 고정하기 위한 다이본드(die bond) 재료로는 에폭시 수지가 사용되어 왔지만 요즈음에는 LED의 고출력화에 따라 열 및 광에 대해서 안정한 실리콘 접착재료로 전환되고 있다. 현재 내열성이 우수한 베이스 수지를 사용한 3종류의 다이본드 재료가 개발되고 있다.
투명타입은 은도금 전극을 사용하는 패키지에 사용되며, 전극에서 광을 반사시키는 설계에 적합하다. 한편 백색 타입은 다이본드 재료에서 광을 반사하는 경우에 적합하다. 또한 낮은 열저항 타입은 고출력 LED의 출력저하를 억제하는데 사용된다.
근년 고밀도 LED 실장 COB 패키지용으로서 1액형의 요변성 실리콘 반사경 재료가 개발되고 있다. LED가 실장된 평면기판의 외주부분은 1액형의 요변성 실리콘을 사용하여 디스펜서(dispenser) 방식으로 댐 형상의 반사경을 형성하고, 그 내부를 봉지재료로 충전한다. 이 재료는 댐 형상의 보존성과 광 반사성이 우수하며, LED 전구에 사용되고 있다.
청색 LED(백색 LED)가 출현함에 따라 실리콘이 투명 봉지재료 및 관련재
료로서 없어서는 안 될 재료로 부각되고 있다. LED의 장수명화, 소형화, 경량화, 에너지 저감 및 수은을 사용하지 않는 이점을 발현하기 위해서는 LED디바이스를 구성하는 전체의 재료에 걸쳐서 실리콘이 사용될 가능성이 있으며, 다양한 재료의 연구개발을 적극적으로 추진함으로써 LED의 고출력화 및 고휘도화가 앞당겨질 것으로 전망된다.
출처 : 田部井 榮一, “LED用シリコ-ン材料の技術”, 「JETI(日本)」, 59(4), 2011, pp.95~98
Source : KISTI-ReSEAT 프로그램
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