김완호
(Wan-Ho Kim)
1
이유성
(Yu-Seong Lee)
2
김재필
(Jae-Pil Kim)
2
여인선
(In-Seon Yeo)
3†
-
(Chonnam National University, Department of Electrical Engineering, Doctor's course)
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(Korea Photonics Technology Institute)
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(Chonnam National University, Department of Electrical Engineering, Professor)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
White LED, Laser curing, Color uniformity, Color temperature, Reliability
1. 서론
최근 백색 LED 패키지는 가격 하락에도 불구하고 광 효율과 수명 향상은 지속적으로 요구되고 있으며, 가격 경쟁력을 확보하기 위해 공정시간 단축 및
수율 향상을 위한 소재 및 공정 기술에 대한 연구가 증대되고 있다[1]. LED 패키지 제조 공정 중 LED 패키지의 광학적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 공정은 디스펜싱과 봉지재 경화 공정이다. 봉지재 경화 공정은
패키지 공정 중 가장 많은 시간이 소요되며, 봉지재의 경화 조건에 따라 LED 패키지의 광학적 특성에 영향을 미치는 가장 중요한 공정이다[2].
봉지재 경화 공정은 컨벡션 오븐을 이용한 열 경화 방식을 가장 많이 사용하며, 열 경화 방법은 형광체와 봉지재의 특성에 맞게 경화 온도 및 시간을
선정하며, 경화 시간은 최소 2시간에서 최대 8시간의 시간이 소요된다.
형광체가 혼합된 봉지재를 리드 프레임에 디스펜싱 장비를 이용하여 토출하며, 토출 후 공정대기 시간과 경화 시간에 따라 형광체의 침전 정도가 달라져
광학적 특성의 차이가 발생하게 된다[3]. 형광체를 도포하는 공정 조건에 따라 형광체의 침전 및 분산 정도의 차이가 발생하며, 봉지재 점도와 형광체 비중은 패키지의 광학적 특성에 영향을
준다. 이러한 공정 편차는 색균일성을 저하시키고 색온도 산포를 커지게 한다[4-6].
본 연구에서는 적외선 레이저를 이용하여 백색 LED의 고속 경화를 통해 형광체의 분산성을 향상시켜 LED 패키지의 광학적 특성을 개선하였다.
2. 본론
2.1 형광체의 침전 속도 측정
LED 패키지의 고속 경화 공정을 개발하기 위해 실리콘 봉지재와 형광체의 특성에 따른 침전 속도를 측정하였다. 실리콘 봉지재의 점도와 형광체의 비중에
따라 침전 속도의 차이가 발생한다. 점도에 따른 형광체의 침전 속도를 측정하기 위해 Dowcorning社의 점도 2,500cps인 저점도 봉지재 OE-6630과
점도 5,600cps인 고점도 봉지재 OE-6370HF를 사용하였다. 형광체는 Force4社의 Yellow 형광체(B90)이며, 입자 크기 평균 25㎛이며,
비중은 3.9g/cm3인 형광체를 사용하였다.
그림. 1과 같이 고배율 전자 현미경(VHX-600)을 이용하여 봉지재 점도와 시간에 따른 형광체의 침전속도를 측정하였다. 1mm 간격으로 표시된 유리병에
봉지재를 채우고 입자 크기 25㎛ 형광체를 micro gripper를 이용하여 투입하였다.
Fig. 1. Test machine of phosphor precipitation rate
UV-A 광원을 조사하면서 동영상 측정 장비를 이용하여 50분 동안 시간에 따른 형광체 침전 정도를 측정하였다. 그림. 2와 같이 점도가 2,500cps 실리콘 봉지재의 침전 속도는 평균 66㎛/min.이며, 점도 5,600cps 실리콘 봉지재의 침전 속도는 27㎛/min.으로
점도가 2.24배 낮을수록 침전속도는 2.44배 증가하였다. 형광체의 침전 속도는 실리콘 봉지재의 점도 차와 유사하게 증가하는 것을 확인하였다.
Fig. 2. Precipitation rate of phosphor
형광체의 침전에 따른 LED 패키지의 광학적 특성 차이를 평가하기 위해 황색 형광체 20wt%를 혼합한 저점도 OE-6630 실리콘 봉지재를 5050
리드 프레임에 디스펜싱하였다. 형광체가 분산된 패키지(그림. 3(a))의 제작을 위해 디스펜싱 후 바로 150℃ 컨벡션 오븐에 2시간 경화하였고, 형광체가 침전된 패키지(그림. 3(b))의 제작을 위해 상온에서 24시간 방치 후 150℃ 컨벡션 오븐에 2시간 경화하였다.
Fig. 3. LED package image
패키지의 광학적 특성을 평가하기 위해 Instrument社의 CAS 140CT Spectrophotometer를 형광체 분산 패키지와 침전 패키지
각 20개씩 측정하였다. 입력 전류 100mA 조건에서 광속, 스펙트럼, 색 좌표 산포를 측정하였다.
측정결과 그림. 4(a)와 그림. 4(b)에서 볼 수 있듯이, 형광체가 분산된 패키지는 광속 34.4lm, 색 좌표 Color x 0.385, Color y 0.442, 색온도는 4,273K이며,
형광체가 침전된 패키지는 광속 32.8lm, 색 좌표 Color x 0.378, Color y 0.432, 색온도는 4,374K로 형광체 분산 패키기의
색좌표 산포가 작았다.
Fig. 4. Test result of optical characteristics
스펙트럼을 분석한 결과 LED 패키지 내부 형광체의 분산성이 높을수록 형광체의 여기 효율이 증가하여 광속이 증가하고, 색좌표 산포가 감소하며, 색온도가
낮아지는 특성 나타내었다.
LED 패키지 내부 형광체의 분산성이 높을수록 광속, 색 좌표 등 광학적 특성이 향상되므로 봉지재의 고속 경화를 통해 형광체의 분산성 향상이 가능한
것을 확인할 수 있었다.
2.2 면 조사 레이저 광학 설계 및 제작
Horiuchi Eletronics社 반도체 레이저(λ=980nm)는 빔사이즈가 1,200㎛이고 가우시안 빔 패턴을 갖는다. 3.0x3.0mm 크기의
사각 구조의 균일한 빔 형상을 구현하기 위해 Condenser lens, Collimator lens, Micro lens를 LightTools 광학
설계 프로그램을 이용하여 그림. 5(a)와 같이 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과 3.0x3.0mm 크기에서 균일도 90%를 갖는 빔 형상을 확보하였으며, 이를 바탕으로 그림. 5(b)와 같이 Homogenizer를 제작하였다.
Fig. 5. Optical design and manufacturing of Homogenizer
레이저 빔 프로파일러(BC106-VIS)를 이용하여 제작한 Homogenizer의 패턴 형상을 측정한 결과 그림. 6과 같이 3.0x3.0mm 크기의 균일한 레이저가 조사됨을 확인하였다.
Fig. 6. Test result of laser beam pattern
2.3 레이저 경화 공정 평가
레이저 경화 공정을 실험하기 위해서 레이저 파워는 최대 40W, 조사 시간 설정이 초단위로 가능한 장비를 사용하였다. 형광체의 종류에 따른 레이저
경화 반응을 평가하기 위해 YAG(Y2Al5O12:Ce/YAG4-3-2 /Nemoto社) 형광체, Silicate ((Sr, Ba)2SiMgO4:Eu/
EG2726/Intermatix社)형광체와 Nitride(CaAlSiN3-xFx :Eu/R6634/Intermatix社)형광체를 사용하였다. 5450
리드 프레임 패키지에 실리콘 봉지재(OE-6630)와 형광체 종류별 5wt% 혼합하여 패키지에 토출하였다. 레이저 파워에 따른 경화 반응을 평가하기
위해 10W에서 25W까지 5W 간격으로 증가하고, 조사 시간을 5초로 고정하여 레이저를 조사하였다. 레이저 조사 후 봉지재의 경화 정도를 측정하기
위해 DSC(Differential Scanning Calorimeter) 장비를 사용하였으며, 측정 조건은 30℃에서 200℃까지 10℃/min.
상승시키면서 실리콘 봉지재의 발열 피크를 측정하였다. 측정결과 그림. 7(a)-그림. 7(c)에서 볼 수 있듯이 레이저 파워가 증가할수록 봉지재 경화가 진행되어 발열 피크가 감소하였으며, 형광체 종류에 따른 경화 반응은 Nitride 형광체,
YAG 형광체, Silicate 형광체 순서로 경화 정도의 차이를 보였다.
Fig. 7. DSC test result of laser radiation power
레이저 조사 시간에 따른 실리콘 봉지재의 경화도를 평가하기 위해 YAG432 형광체(Nemoto社)를 적용한 패키지에 레이저 파워를 25W로 고정하고
조사 시간을 5초, 7초, 10초로 조사하였다. 조사 시간에 따른 레이저 경화 후 실리콘 봉지재의 경화 정도를 평가하기 위해 그림. 8과 같이 FT-IR 장비(Spot FT-IR/PerKin Elmer社)를 이용하여 실리콘 봉지재가 경화되면 사라지는 2,200cm-1의 Si-H 피크
변화를 측정하였다.
Fig. 8. FT-IR test result depending on laser irradiation time
측정 결과 레이저 조사 시간이 증가함에 따라 Si-H 피크가 감소하는 것을 확인하였으며, 10초 조사 후 Si-H 피크가 사라지면서 완전 경화됨을
확인하였다.
2.4 LED 패키지 제작 및 특성 평가
경화 방법에 따른 LED 패키지의 광학적 특성 평가를 위하여 컨벡션 오븐을 이용한 열 경화 방법과 레이저를 이용한 고속 경화 방법을 이용하여 LED
패키지를 제작하였다. 5450 크기의 리드 프레임 패키지와 Bridgelux社 600x600㎛ 크기의 460nm 피크 파장을 갖는 수평형 칩, Dowcorning社의
OE-6630 봉지재 그리고 Nemoto社의 YAG432 황색 형광체를 이용하였다. 컨벡션 오븐을 이용한 열 경화 조건은 70℃에서 1시간 경화 후
150℃에서 2시간 추가 경화하고, 레이저를 이용한 경화 조건은 레이저 파워 25W에 조사 시간 10초로 설정하여 각 30개씩 제작하였다.
LED 패키지의 광 특성을 측정하기 위해 500mm 적분구에 연결 후 Instrument社의 CAS140CT Spectrophotometer를 이용하여
광속, 스펙트럼, 색온도 산포를 비교하였다. DC전원공급기(Keithley2420)을 이용하여 100mA 인가하였다. 그림. 9(a)와 같이 경화 방법에 따른 광속을 측정한 결과 컨벡션 오븐을 이용한 열 경화 방법은 47.09lm이였으며, 레이저를 이용한 경화 방법은 50.06lm으로
6.0% 상승하였다. 광속 차이를 분석하기 위해 그림. 9(b)와 같이 스펙트럼을 비교한 결과 레이저 경화 패키지가 청색(460nm)의 빛은 감소하고 형광체 전환 파장(500～800nm)의 빛은 증가하였다.
Fig. 9. Test result of optical characteristics
그림. 10은 색온도 산포를 분석한 결과이며, 컨벡션 오븐에 경화한 패키지는 평균 3,830K이며 500K의 산포를 가지며, 레이저 경화 패키지는 평균 3,550K이며
110K의 산포를 가졌다.
Fig. 10. Test result of color temperature distribution
2.5 신뢰성 평가
실리콘 봉지재의 경화 방법에 따른 신뢰성을 평가하기 위해 고온 고습 동작 시험을 수행하였다. 고온 85℃, 습도 85% 환경에서 입력전류 150mA를
인가하고, 초기 0, 500, 1,000시간에 광속을 측정하여 광속 변화율을 측정하였다. 그림. 11과 같이 광속 변화율을 측정한 결과 컨벡션 오븐 경화 패키지의 광속 유지율은 94%이며, 레이저 경화 패키지의 광속 유지율은 103%로 신뢰성 또한
9% 향상된 것을 확인하였다.
Fig. 11. Luminous flux maintenance rate after high temperature and high humidity operating
life
3. 결 론
본 논문에서는 백색 LED의 광학적 특성을 향상하기 위한 레이저 경화 방법에 대해 연구하였다. 기존 컨벡션 오븐 경화 공정보다 레이저 경화 공정을
통해 형광체의 분산성을 향상할 수 있었고, 이에 따른 LED 패키지의 광속, 색온도 산포 특성을 평가하고, 고온고습 신뢰성을 검증하였다. 이와 같이
레이저를 이용한 경화 방법을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
[1] 디스펜싱 및 경화 공정에서 형광체 침전 속도 차이로 인해 백색 LED 스펙트럼과 색 좌표 산포에 영향이 있음을 확인하였다.
[2] 레이저 파워에 따른 경화 반응 차이를 분석하기 위해 DSC 장비를 이용하여 발열 반응을 분석한 결과 레이저 파워가 증가할수록 미경화 현상이
감소한 것을 확인하였다.
[3] 레이저 조사 시간에 따른 경화 여부를 분석하기 위해 FT-IR장비를 이용하여 2,200cm-1의 Si-H 피크 변화를 분석한 결과 25W/10초
조건에서 완전 경화를 확인하였다.
[4] 경화 방법에 따른 백색 LED 패키지의 광학적 특성을 평가하기 위해 제작한 패키지의 광학적 특성을 평가한 결과 레이저 고속 경화를 통해 광속은
6.0% 향상되었으며, 색온도는 동일한 형광체 함량에서 280K 낮아 형광체 함량을 감소시킬 수 있으며, 색온도 산포는 110K 줄어 색 균일성을
개선하였다.
[5] 고온고습 동작 평가를 통해 패키지의 광속 유지율을 평가한 결과 컨벤션 경화 대비 약 9%의 신뢰성이 향상되었다.
[6] 레이저 고속 경화 방법을 통해 형광체의 침전을 억제하고 분산성을 증가하여 백색 LED의 광학적 특성을 개선할 수 있었다. 뿐만 아니라, 기존
경화 공정보다 경화 공정 시간을 혁신적으로 단축하여 자동화 공정이 가능할 것으로 사료된다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다 (No. 20162020108310).
References
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Zheng H., Ma J., Luo X., 2012, Conformal phosphor distribution for white lighting
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control, IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol., Vol. 3, No. 3, pp. 417-421
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of phosphor-converted white light-emitting diode, J. Lumin., Vol. 132, No. 5, pp.
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Liu Z., Liu S., Wang K., Luo X., 2008, Analysis of factors affecting color distribution
of white LEDs, Electronic Packaging Technology & High Density Packaging, IEEE International
Conference, pp. 1-8
Biography
Wan-Ho Kim received the M.S. degree in electrical engineering from National Chonnam
University, Gwang -Ju, Korea, in 2002, where he is currently coursing the Ph.D. degree
with the Department of Electrical Engineering. he has more than nine years of industrial
experience in LED package development, LED manufacturing process, and product design.
Since 2010, he has been with the Korea Photonics Technology Institute, Gwangju, Korea,
as a Senior Researcher. His current research interests include UV LED packaging application,
phosphor thermal dependence, lighting engine module, and integrated primary optics
as well as LED packaging.
Yu Seong Lee received the B.S. degree from the Department of Mechanical Engineering,
Chonnam National University, Gwangju, South Korea, in 2012, and the M.S. degree from
the Department of Material Science, Chonnam National University, in 2015.
He has been a Researcher with the Lighting Sources and Materials Research Center,
Korea Photonics Technology Institute, Gwangju, since 2012.
His current research interests include LED packaging technologies and materials, and
LED lightings.
Jae-Pil Kim received the M.S. degree in forestry from Chonbuk National University,
Jeonju, South Korea, in 1997, and the Ph.D. degree in materials science and engineering
from the Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju, South Korea, in 2002.
He was with the Korea Photonics Technology Institute, Gwangju, in 2003, where he is
currently a Team Leader of Lighting Sources and Materials.
His current research interests include lighting sources and materials, LED packaging
process, and lighting engines.
In-Seon Yeo received the B.S., M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from
Seoul National University, Seoul, Korea, in 1979, 1981, and 1989, respectively.
Since 1987 he has been a professor in the Department of Electrical Engineering, Chonnam
National University, Gwangju, Korea.
During 2011 and 2012 he worked as the President of Society of Electro-Physics &
Application in Korean Institute of Electrical Engineers.
His research interests include characterization of SSL, lighting design and implementation
for optimum lighting environment, and graphic rendering of illuminated environments.