LED 방열 기술 분석

 

LED 방열 기술 분석

 

Ⅰ. 개 요

Ⅱ. 동향 분석

1. LED 기본 구조

2. LED 방열 기술

Ⅲ. 향후 전망

 

 

Ⅰ. 개 요

LED(Light Emitting Diode), 발광 다이오드는 화합물 반도체 단자에 전류를 흘려서 전자와 홀을 결합시켜 빛을 방출하는 소자이다. 이러한 LED는 최근 들어 조명 시장산업의 발전이 가시화되면서 다양한 분야에서 사용되고 있다. 또한, 기존 조명기기 뿐만 아니라 휴대폰, 대형 LCD용 BLU, 자동차 헤드램프, 프로젝터 등으로 실용화 되고 있으며 그 용도가 점차 확대되고 있다. 하지만, LED는 전력을 열로 소비하는 특성을 가지고 있어 LED 기기에 전력을 높이 인가할수록 기기에서 발생하는 열은 더 높아져 효율이 떨어지게 된다. 즉 LED 내부에서 발생된 열을 외부로 얼마나 잘 방출시킬 수 있는가 하는 것이 기본적인 전기적, 광학적 특성과 함께 가장 중요한 인자이다.

실제로 LED가 백열등과 형광등을 대체하는 조명용으로 사용되려면 광 출력을 현재보다 더 많이 높여야 하는데 고출력 LED의 경우, 소비전력이 높아 발생되는 열을 해결하기 위한 방열이 필수적이다. 그렇지 못하고 생성된 열을 내부에 지속적으로 지니게 되면 소자의 온도가 상승하여 효율적인 광 방출을 저해하게 되고 열적 스트레스에 따라 수명이 급격히 저하된다.

미국 공군의 통계 자료에 의하면 전자 소자 고장의 55% 정도가 온도, 19% 정도는 습도에 의하여 야기되는 것으로 나타났다1). LED 패키지 역시 온도에 따른 특성변화가 심하게 나타나고 있다. <그림 2>에서와 같이 온도가 증가함에 따라 LED의 효율은 감소하게 된다2). LED의 효율 감소는 LED수명 저하로 이어지기 때문에 발열문제의 해결은 소자의 신뢰성을 제고하는 제일 중요한 요소이다.

따라서 이러한 발열 문제를 해결하기 위한 LED 방열 기술에 대해서 알아보고자 한다.

<그림 1> 전자소자의 고장을 유발하는 요소2)

<그림 2> 온도에 따른 LED 패키지 효율2)

 

 

Ⅱ. 동향 분석

1. LED 기본 구조

LED를 이용한 조명 또는 디스플레이 기본 구조는 LED 칩, 패키지, PCB(Printed Circuit Board), TIM(Thermal Interface Material), 히트싱크(Heat sink)로 구성되며 칩이 내부에 포함된 LED 패키지는 LED 시스템을 구성하기 위한 기본 단위소자로 사용되며 PCB상에 실장 된다. 실장 된 PCB는 Thermal Tape나 Thermal Grease와 같은 열전달 물질을 통해 Heat sink에 부착된다.

LED(발광다이오드)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.

<그림 3> LED 구조3)

2. LED 방열 기술

LED에 있어 방열 설계는 LED 성능 및 신뢰성을 확보하는 매우 중요한 요소로서 LED 칩으로부터 발생된 열을 신속하게 외부로 내보내어 정션(Junction) 온도를 낮은 수준으로 관리하는 것이다.

LED 칩에서 발생된 열은 대부분 칩 아래 방향으로 전달된다. 칩 위쪽으로는 빛이 방출되어야 하므로 가능한 한 칩 아랫 방향으로 열이 방출되도록 구조 및 소재를 이용하여 대책을 세워야 한다. 이러한 LED 방열 기술은 크게 4가지로 나눌 수 있다.

 

가. 칩 본딩 방열 기술

칩 본딩에 따른 방열 기술은 칩 레벨에서의 열 방출 경로를 조절하여 LED 패키지의 열 방출을 최대로 하는 것이다. 칩 형태는 <그림 4>에 나타내었다. 칩의 형태에 따라 epi-up 방식의 논플립칩(non-flip chip)과 epi-down 방식의 플립칩(flip chip)으로 나누어 방열 설계가 진행되며 각각 Au 범프와 패드를 칩의 실장에 따라 디자인하여 열 설계를 할 수 있다.

논 플립칩은 기판의 취약한 방열특성이 전체 패키지의 열 특성에 영향을 미친다. 이에 반해 플립칩의 경우 칩들이 각각 열전도도를 갖는 열접착 물질(Ag paste)을 통해 알루미늄 금속 기판 위에 직접 실장 되기 때문에 알루미늄 금속 기판은 칩에서 발생한 열의 방출을 위한 방열판 역할과 외부 전극과의 연결을 위한 chip on board 역할을 한다. 따라서, 논 플립칩의 경우 플립칩에 비하여 접합온도가 높게 나타나고 있다.

<그림 4> Non flip chip vs. Flip chip

 

나. 패키지 방열 기술

최근 패키지 방열기술은 기존 PPA를 대신하여 세라믹 패키지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 세라믹 패키지의 장점은 기존 PPA에 비하여 열전도도가 6배 정도 우수하며 열팽창계수가 LED 칩과 유사하다.

세라믹 패키지의 경우, 소재의 종류에 따라 HTCC(High Temperature Co-fired Ceramics)와 LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) 패키지로 나눌 수 있다. LTCC는 alumina 등을 주성분으로 하는 종래의 세라믹 다층기판 (HTCC)이 약 1,500℃ 이상의 소성온도를 필요로 하는데 반해, glass계 재료를 첨가함으로써 1,000℃ 이하에서의 ‘저온’소성을 가능하게 한 것이다. 따라서, 낮은 유리 열전도도로 인해 LTCC의 열전도도 역시 낮은 수준이다. HTCC의 경우, 높은 열전도도를 바탕으로 고출력 패키지용 소재로서 사용되고 있다.

<표 1> LTCC와 HTCC4)

다. 멀티칩 방열 기술

멀티칩 패키지를 위한 방열 기술은 LED 동일 패키지 내에 많은 수의 칩을 집적하여 보다 고출력을 얻기 위한 연구의 일환으로 최근 많은 연구가 진행 중이다. 그러나 멀티 칩 열 설계를 위해서

<그림 5> 칩 개수에 따른 온도 변화

단일 칩 패키지에서는 고려하지 않았던 다양한 변수에 대한 연구가 필요하며 이에 따라 칩의 수, 칩의 배열, 칩의 크기 등 다양한 요소들에 대해서 연구가 이루어지고 있다. <그림 5>는 칩의 수에 따른 LED 패키지의 정션 온도를 나타낸 그래프이다. 칩의 개수에 따라 정션 온도가 변화하는 것을 확인할 수 있다5). 이처럼 고출력 멀티칩 열 설계를 위해서 다양한 연구가 진행되고 있으며 앞으로도 보다 많은 연구가 필요하다.

라. LED 시스템 방열 설계

주변 환경 및 구동 조건에 따른 LED 시스템 방열 설계이다. LED 패키지는 경우에 따라 여러가지 주변 환경에서 작동한다. 그러므로 방열 설계 시 미리 주변 환경이 LED 패키지에 주는 영향을 파악해야 한다. LED 패키지에 영향을 주는 주변 환경은 주변 온도, 냉각 방식, 계면 물질(TIM)과 압력 등이 있다. 냉각 방식에  따라서는 대표적으로 수냉식, 팬, 히트싱크 (heatsink)를 이용한 강제/자연 대류 방식, TEC (Thermal Electric Cooler) 냉각6), heat pipe를 이용한 전도6) 등이 있다. 현재 업계에서는 열전도성과 내구성이 높은 세라믹, CNT를 이용한 전도 방식을 많이 채택하고 있으나 비용에서 현실적인 문제가 대두되고 있다.

냉각 방식에 따른 연구는 일정 수준 정립되어 있다. 자연 대류를 인가하는 방식은 JEDEC 51-2에 규정되어 있다. 주변 온도 및 계면 물질과 압력 등도 LED 패키지의 열 특성에 미치는 영향이 크기 때문에 앞으로 연구가 더욱 필요한 분야이다.

<그림 7>, <그림 8>은 주변 온도에 따른 영향과 압력에 따른 LED 패키지의 열 특성 변화를 나타낸 그래프이다7). 주변 환경과 함께 LED 패키지에 인가되는 구동 환경 역시 LED패키지의 열특성을 좌우하는 중요한 요소이다.

지금까지의 LED패키지는 직류(DC)에서 구동되어 왔다. 하지만 LED의 응용분야가 넓어짐에 따라 교류(AC)에서 동작되는 교류 전원용 LED(AC LED)패키지의 연구가 활발하다. 교류 전원용LED(AC LED)는 여러 개의 소형 발광 셀을 단일 칩에 모아 수십 개의 LED에 버금가는 밝기를 구현한 것으로, LED소자를 쌍방향으로 배열해 일반 AC 전원에서도 작동할 수 있다. 이러한 교류전원용 LED는 응용분야 확대뿐만 아니라 LED 패키지의 열 설계에 있어서도 매우 중요한 계기가 되고 있다. LED에서 열이 발생하는 원인인 전력을 조절함으로써 보다 효율적인 방열 설계가 가능하기 때문이다.

 

 

Ⅲ. 향후 전망

LED에 있어 발열문제가 대두되고 있는 이유는 LED가 패키징ㆍ제품화 되었을 경우 반영구적인 LED 소자 자체의 수명이 줄어들기 때문이다. 본 보고서에서는 이러한 LED 발열 문제를 칩 본딩, 패키지, 멀티칩 그리고 LED 시스템으로 나누어 각각의 방열 기술 동향에 대하여 살펴보았다.

방열설계를 위한 원가와 제품이 추구하는 광출력 및 수명을 연계하는 결정이 선행 되어야 하며

<그림 6> TEC와 Heat pipe를 이용한 LED 방열 모듈

<그림 7> 외기에 따른 열저항

이로부터 각 제품에 맞는 방열 설계가 진행되어야 한다. LED 발열 문제 해결을 위해 관련 회사, 학교 및 연구기관들은 저마다 발열과의 전쟁에 총력을 기울이고 있는데, 좀처럼 쉽게 풀리지 않는 난제이기 때문에 앞으로도 상당 기간 기술 개발과 투자가 이뤄져야 할 것으로 보인다.

<그림 8> TIM별 압력에 따른 열저항

 

 

<참고문헌>

1. US Air Force Avionics Integrity Program.

2. J. Park, M.W. Shin, and C.C. Lee, Optics Letters 29, No.22, 2004

3. IT SOC Magazine vol.23, pp.48, 2008

4. 김병국, 전자부품 pp.110~113, 2003

5. Lan Kim and Moo Whan Shin, IEEE Trans. Component and Packaging Technology 30, No. 4, 2007

6. http://www.mett-innovation.com

7. Lianqiao Yang, Jianzheng Hu, and Moo Whan Shin, Solid State Phenomena 124-126, 483-486, 2007

 

LG전자 지 태 호 선임연구원

Source : gtnet.