‘모듈 고출력화’, ‘멀티칩 구성’ 트렌드 따라 방열 요구 높아져
열방출 특성 높이는 것이 최우선… 첨단 신소재 개발에도 박차
LED 산업에 있어 늘 꼬리표처럼 따라 다니는 것은 바로 발열 문제다.
때문에 LED 발열 문제 해결을 위해 관련 회사 및 연구기관들은 저마다 발열과의 전쟁에 총력을 기울이고 있는데, 좀처럼 쉽게 풀리지 않는 난제이기 때문에 앞으로도 상당 기간 기술 개발과 투자가 이뤄져야할 것으로 보인다.
LED에 있어 발열문제가 대두되고 있는 이유는 LED가 패키징·제품화됐을 경우 반영구적인 LED 소자 자체의 수명이 줄어들기 때문이다. 전문가에 따르면, LED의 반영구적인 수명을 유지할 수 있는 적정 온도는 25~30도 수준인데, 현재의 패키징 기술로는 발열을 막지 못하기 때문에 이 온도를 유지하는 것이 어렵다. 따라서 LED를 패키징하고 제품화 할 경우 발열과 이로인해 파생되는 여러 가지 요인에 의해 5~10만 시간이라는 수명의 절반조차 활용하지 못하게 된다.
그렇다면 발열 문제를 해결하기 위한 대안은 무엇일까? 이와 관련 전문가들은 방열구조를 그 핵심 대안으로 꼽고 있다. 고출력칩, 멀티칩의 사용의 확대로 방열구조의 중요성이 더 부각되고 있는 지금, LED모듈의 방열구조의 현 주소를 진단해보는 지면을 마련했다.
▲발열이 LED 수명 최대의 적
형광등, 백열등과 같은 일반조명기구는 열과 빛이 함께 발생한다.
하지만 LED의 경우 빛은 앞으로 나가지만 열은 뒤쪽에서 발생, 모듈 내부로 향하게 된다. 이 열이 외부로 배출되지 않으면 고스란히 모듈 내부에 머무르게 되고, 이는 LED칩, PCB 등의 부품의 파손 및 변형을 일으켜 LED 제품의 수명이 줄어들게 된다. 결국 발열은 LED의 단수명화를 초래하게 되는 가장 큰 요인.
패키지 제조업체 도미넌트코리아 관계자는 “발열이 심해지면 접합부에서의 크랙이 생길 수있고 칩 자체에 손상을 줄 수 있다”며 “백색 LED의 경우 백색 빛을 만들어 주는 도료 옐로우 퍼스퍼(Yellow Phosphor)가 열에 의해 변색되면 빛의 색 자체가 변질된다”고 설명했다.
코레즈 유정희 대표는 “LED의 열이 높아지면 LED칩을 보호하는 인캡슐런트 레진의 경화 및 탄화로 인해 휘도가 떨어질 수 있다”고 전했다.
한국조명기술연구소 노재열 주임연구원은 “멀티칩 제품에서는 발생하는 열은 LED모듈에 설치된 다수의 LED칩에게 고르게 배분되는 것이 아니라 일부에 집중될 수밖에 없다”며 “이로 인해 칩간의 색온도차가 발생한다”고 강조했다.
뿐만 아니라 열방출이 제대로 이뤄지지 않으면 함께 사용되는 PCB(인쇄회로기판)와 패키지, 저항 등 부품들의 열전도성이 달라져 결합부에서 열병목 현상이 일어날 수 있다는 전문가의 지적. 이같이 LED에서 발생하는 문제점들은 대부분 발열이 그 원인이 되고 있다. 이에 따라 관련 업계는 모두 발열을 줄이기 위한 대안 찾기에 진땀을 빼고 있다.
방열구조를 높이기 위해 전도성이 높은 알루미늄 케이스를 적용하는 제품들의 출시가 늘고 있다. 사진은 나노라이트의 LED모듈.
▲업계 발열 잡기에 총력
LED발열과 가장 밀접한 것은 LED칩의 성능이다. 광출력을 높이고 소비전력을 줄일 수 있다면 발열이 줄어드는 것은 당연하다. 하지만 현재까지 LED의 광출력이 50%를 넘지 못하는 상황에서 단지 고급 칩의 사용만으로 발열이 억제되길 바라는 것은 요원한 일이다.
코레즈 유정희 대표는 “전류에 민감한 LED에 있어 니치아와 같은 고급 브랜드 칩은 수용할 수 있는 최대 전류값이 일반 칩에 비해 30% 이상 높기 때문에 일정 수준의 발열을 막을 수 있는 게 사실”이라며 “하지만 이는 1개의 모듈에 1개의 칩이 사용될 경우에만 가능한 게 현실”이라고 설명했다.
또 그는 “따라서 대부분의 제품이 칩을 멀티방식으로 사용하고 있는 현재의 구조에서는 고급 브랜드 칩의 사용만으로 발열을 완벽하게 해결할 수 없다”며 “방열구조가 꼭 필요하다”고 강조했다.
방열구조의 관건은 우수한 LED패키지의 제작이다. 일반적으로 패키지 제조업체들은 열전도를 위해 플라스틱 리드프레임 겉면에 J밴드 형태의 방열판을 구성, 칩에서 발생하는 열을 PCB로 전도시키는 형태의 방열구조를 구성하고 있다.
하지만 칩의 출력이 높아져 감에 따라 방열기능의 중요성이 더욱 부각되어 따라 패키지 설계에 있어서도 메탈, 세라믹 등의 소재를 중심으로 한 방열구조로 변화가 이뤄지고 있다.
일본 니치아와 교세라는 내열성, 전도성이 뛰어난 세라믹을 활용한 패키지의 상용화를 시작했으며, 국내에서도 삼성전기, 알티전자, 서울반도체 등이 세라믹 패키지 개발 및 상용화를 시작했다.
패키지 제조업체 도미넌트 코리아는 기존 형태의 리드프레임을 탈피, 방열기능을 강화한 제품을 선보이고 있다.
도미넌트 코리아 관계자는 “패키지의 방열구조에서 가장 신경쓰는 부분은 바로 리드프레임을 통한 열전도”라며 “패키지의 열방출을 극대화하기 위해 기존 방식 대신 리드 프레임 전체를 구리합금으로 제작하여 열전도율을 높이고 있다”고 전했다.
이밖에도 다수의 업체들이 방열기능이 높은 패키지 제작을 위해 여러 가지 방법을 연구중이다.
저전류 패키지 구현도 그 방법 중 하나. 이는 전류에는 민감하지만 전압에는 강한 LED의 특성을 이용한 것으로 전압을 높이고 전류량을 낮추는 방식을 통해 출력대비 전류를 줄여 발열을 낮출 수 있는 패키지를 위한 연구도 꾸준히 진행되고 있다.
한편, 칩을 보호하는 인캡슐런트 레진에 사용되는 소재도 달라지고 있다. 기존에는 투명도와 견고성이 우수하고 가격이 저렴한 에폭시 등 유기 소재를 주로 사용했으나 발열에 따른 경화·탄화 문제가 심각해 다수의 업체들이 에폭시 대신 발열에 강한 무기질의 실리콘 인캡술런트 레진을 사용하는 추세다.
모듈 뒷면에 방열판을 장착, 열방출 특성을 높인 인성엔프라의 LED모듈.
▲열전도성 높은 소재 활용이 관건
방열구조는 이차적으로 세트 제작업체 즉, 모듈·조명 등 제작사의 문제가 된다.
패키지에서나오는 열을 외부로 배출시키는 것은 바로 세트제작업체의 몫이기 때문.
칩에서 발생한 열은 패키지의 리드프레임을 통해 PCB(인쇄회로기판)로 전달되는데, 이 열을 얼마나 효율적으로 제어하는 지가 세트제작사들의 관건이다.
현재 가장 많이 활용되고 있는 FR4(글라스에폭시기판)등 수지계열PCB의 경우 0.5W 이하에서는 발열에 대한 대응이 가능하나 그 이상에서는 문제발생 소지가 있다는 것이 전문가들의 의견이다. 수지 자체가 열화할 가능성이 있으며, 열전도성의 차이로 인한 열병목 현상 등의 문제점이 발생할 수 있다는 것.
기판의 방열성은 LED의 성능 및 수명에 큰 영향을 미치는 부분이기 때문에 고휘도, 고출력 LED제품을 설계함에 있어 최근 일부 업체들 위주로 알루미늄과 동합금 등 내구성과 열방출 특성이 뛰어난 메탈소재 PCB(MPCB)를 사용한 제품이 늘어나고 있는 추세다.
패키지에서 기판으로 전도된 열을 외부로 배출해 주는 역할도 중요하다. 고출력의 LED조명 제품의 경우 방열구조 중요성이 일찌감치 대두되었기 때문에 다양한 외부 방열판 설계, 쿨러를 이용한 공랭식 열제어 방법 등으로 열방출 특성을 강화하고 있었다.
하지만 저출력의 채널사인용 모듈의 경우 대부분의 제품이 PC재질의 수지로 감싸여져 있어 내부의 열이 외부로 전도되기가 어려웠던 것. 이는 0,2~0,3W정도의 저출력이었기 때문에 제작사, 소비자 모두 발열에 둔감했던 까닭이다.
하지만 사인용 모듈 역시 고출력화 됨에 따라 기존의 방식에서 벗어나 열을 효과적으로 외부로 방출시킬 수 있는 구조의 제품들의 출시가 점점 늘어나고 있다.
인성엔프라는 모듈의 뒷면에 열이 배출될 수 있는 메탈 방열판(Heat sink)을 장착, 모듈 내부의 열방출 특성을 강화하고 있으며, 퓨처라이트, 아크로젠텍, 나노라이트 등의 업체는 PCB와 케이스 모두를 메탈 소재로 구성해 제품의 방열성을 높이고 있다.
▲세라믹·CNT 등 특수 소재 접목 ‘대두’
열전도성과 내구성이 높은 세라믹은 최근 LED산업의 ‘핫 이슈’라고 할 수 있다. 앞서 언급한 패키지분야 뿐 아니라 PCB 방열판 등 전 분야에서 세라믹의 사용을 확대해 가고 있다.
한 업계 관계자는 “세라믹 PCB 및 방열판은 기존 메탈소재보다 내마모성, 내구성이 뛰어나며, 열전도율이 좋아 방열도 우수하다”며 “세라믹 등 방열성이 우수한 특수 소재를 채용한 제품의 수요가 앞으로 지속적으로 증가할 것으로 예상된다”고 전했다.
이와 함께 CNT(카본나노튜브)의 활용에 관한 연구도 빠르게 진행되고 있다.
카본 즉, 탄소소재는 열전도가 우수하고 빠르게 냉각되기 때문에 방열소재로서는 최적이라는 것. 또한 메탈소재의 단점인 중량을 대폭 줄일 수 있음에도 강도는 더 높일 수 있기 때문에 상용화가 된다면 LED의 발열을 효율적으로 잡을 수 있고, 디자인의 다양화도 가능하다.
최근 기존 알루미늄 방열소재를 CNT 방열소재로 대체한 LED 조명등을 개발, 시제품을 선보인 클라스타의 정춘균 대표는 “CNT 방열소재가 적용된 LED 조명등의 시제품의 표면온도가 7도 이상 떨어지는 것이 확인됐고, 이에 따라 CNT 방열소재의 양산 규모를 확대할 방침”이라고 전했다.
한국조명기술원 노재엽 주임 연구원은 “CNT와 세라믹 등 신소재를 LED조명에 접목하는 기술은 LED조명산업의 중요한 과제 중 하나”라며 “이에 관한 연구를 지속적으로 진행하고 있다”고 밝혔다.
▲방열구조 따른 비용 상승에 업체들 고심
이같은 첨단 소재의 활용은 LED 방열구조를 획기적으로 개선할 수 있는 대안. 하지만 비용에서 현실적인 문제가 대두된다. 세라믹, CNT와 같은 소재들을 사용할 경우 제작단가는 비약적으로 상승하기 때문. 또한 현재 방열소재로 많이 사용되는 메탈소재 PCB 역시 수지계열 PCB보다 월등히 가격이 높다. 메탈케이스 등 외부 방열판 역시 마찬가지다.
특히 채널사인용 모듈의 경우 방열구조에 있어 기술적인 역할보다는 방열성이 높은 소재의 사용에 의지하는 경향이 강하다. 결국 방열구조는 제작원가와 직결되는 문제가 되기 때문에 방열구조와 비용 사이에서 업체들은 딜레마에 빠질 수밖에 없다.
퓨처라이트 조성익 대표는 “현단계에서는 LED모듈의 방열구조는 기술보다 자본에 의지하는 경향이 크기 때문에 방열성과 제품의 제작원가는 비례할 수밖에 없다”고 전했다.
LG이노텍 관계자 역시 “방열 소재로 다양한 소재들이 거론되고 있지만 현실적으로 모두 고가이기 때문에 현실적으로 적용이 어려운 부분이 있다”며 “이 때문에 저출력 모듈의 경우 가격이 저렴한 FR4 PCB를 기반으로 최적 방열 설계를 하는 것에 중점을 두고 있다”고 설명했다.
업체 대부분이 방열구조의 필요성에 대해서는 깊이 공감하고 있지만 가격경쟁이 치열한 국내 시장상황 속에서는 어쩔 수 없이 단가에 맞는 제품을 생산할 수밖에 없는 게 현실. 하지만 더욱 고휘도화, 고집적화로 발전하고 있는 LED산업에 있어 발열문제는 지속적인 이슈가 될 것이고, 업계 모두가 함께 풀어가야 할 과제다.
부천시에 설치된 LG이노텍의 LED 가로등. 방열설계에 중점을 둬 LED의 수명을 극대화시켰다.
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