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“LED 전기광학적특성의 구동온도 및 접합온도 의존성 평가” |
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관리자 |
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2010.02.10 |
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1326 |
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LED 소자나 그 응용제품의 평가에 있어 기존에 통용되던 광측정 방식의 한계점이 이슈로 부각되고 있어 새로운 측정기준을 마련할 필요성이 대두되고 있다. 물론 여러 학회나 연구소에서 다양한 형태의 기준이 제시되고 있지만 기관의 특성상 일반적인 사항을 다루게 되므로 실제 제품개발에 응용하기에 무리가 있는 부분이 있게 마련이다. 따라서 본 실험에서 전기적 특성과 열특성 및 광학적 특성의 상호관계를 구하고 제품설계에 응용할 수 있는 방안을 제시하도록 한다.
주변온도에 따른 광특성 변화를 보면 주변온도가 증가함에 따라 파장 shift가 발생(일반적으로 0.1에서 0.3nm/K)하고 고효율 소자의 경우 B(-0.05%/oC) => W(-0.3%/oC) => G(-0.35%/oC) => R(-0.83%/oC) => A(-1.05%/oC) 의 순서로 광량이 감소하게 되는데 제품설계에 있어 구동조건을 제어하는 것은 비용이 많이 발생하므로 사용할 구동조건에서 최적인 소자나 제품을 사용하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 여기서 특이사항은 Blue 칩을 사용하는 W의 거동이다. Blue의 광속변화가 온도에 상대적으로 둔감한 것에 반하여 W의 변화량은 상대적으로 크다. 이는 칩의 특성이 아니라 형광체의 온도에 따른 효율 변화가 그 요인으로 판단되며 추가적인 검증이 필요한 부분이다.
단품의 평가에는 상대적으로 측정이 용이한 접합전압에 따른 광량변화를 측정하고 접합전압과 접합온도의 상관관계를 이용하여 접합온도 대비 광량변화로 도시하고 이를 이용한 측정기준을 마련하도록 한다. 접합온도가 증가하면 전압강하가 일어나는 원리를 이용하여 온도 상승계수 K factor(통상 -1.5 ~ 2.5mV/K)를 산출하고 접합부의 전압(Vf)에 따른 광량변화를 측정한 후 이를 접합부 온도로 환산하면 접합부 온도에 따른 광특성 변화를 알 수 있는데 접합부온도와 광량은 일차선형방정식의 관계를 가짐을 알 수가 있다. 또한 주변온도 대비 광량변화는 삼차선형 방정식을 따르고 있는데 단품과 달리 모듈의 방열설계에 따라 그 경향성이 달라지므로 품질향상을 위해서 실 제품에 대한 구동온도 의존성 평가가 필요하다.
1. Introduction
기존의 경험에 비추어 보면 우리에게 익숙한 광원 즉 할로겐, 형광등, 메탈 할라이드, 제논의 측정은 비교적 간단한 광학적 지식이나 설비를 가지고 평가를 하더라도 평가 기관이나 업체 또는 장비간의 편차가 심하게 나타나지 않았다. 하지만 LED나 그 응용제품의 평가에 있어 기존의 측정방식은 측정소간의 편차를 심하게 야기시키고 일부는 완성도가 떨어지는 측정장비를 사용하므로 혼란을 가중시켜왔다. 특히 높은 정확도의 색상을 유지해야 하는 LCD 백라이트의 경우 초기에 RGB LED를 사용하여 개발하였으나 박형의 구조와 상대적으로 고온인 구동조건에서 온도제어나 광학설계의 어려움과 광특성 변화등의 여러 가지 요인으로 인하여 현재는 다수의 백색 LED를 채택하는 방향으로 개발계획이 선회하고 있다. 하지만 색재현성이 중요한 디스플레이의 특성상 고급 제품에는 여전히 R,G,B 칩을 사용하고 있으며 이들 소자간의 온도에 따른 경향성이 동일하지 않아 칼라센서나 접합점 온도센서를 이용한 실시간 보정을 실시하고 있다. 또한 상대적으로 저휘도 LED를 사용하기 어려운 조명용이나 자동차 헤드램프에 광원으로 채택되고 있는 고휘도 LED의 경우 무궁무진한 응용분야가 존재하나 온도에 따른 성능 변화가 더 심하여 방열설계 및 개선이 개발자들 사이에서 가장 큰 화두로 대두되고 있다. 따라서 어떤 형태나 제품을 선택하던지 LED나 그 응용제품에 있어 열특성의 평가나 고려는 피할 수 없는 숙제인 것만은 재론의 여지가 없어 보인다.
기존 측정 방식에 의하면 상온(25oC)에서 측정을 하거나 이를 개선하기 위해 고안된 방식이 소자 하단 접촉부의 온도를 변화시켜가며 온도 특성을 평가하고 있으나 이에 따른 여러 가지 문제점들이 대두되고 있다. 본 설비는 광원 특히 LED와 같은 열 저항에 따른 광학특성 변화가 존재하는 샘플의 정밀한 광학측정 및 온도 특성을 파악하기 위하여 설계되었다.
LED소자나 응용제품의 개발에서 직접 온도제어에 의한 평가나 연구개발이 주를 이루어왔으며 그간 몇몇 선도 연구기관이나 업체에서만 관심을 보여왔던 주변온도가 LED나 그 응용제품에 미치는 영향에 대한 연구에 관심이 집중되고 있다. 따라서 2005년 당사에서 발표한 연구결과가 현재 LED 소자개발 및 제조기술의 눈부신 발전과 더불어 재조명되어야 할 필요성이 여러 분야에서 대두되어 보완 논문을 발표하기로 결정하였다.
5년 전 당사 연구진이 디스플레이 산업에서 LED 산업으로 이동하였을 때만해도 제품공급업체간의 데이터 편차가 심하여 전혀 신뢰하기 어려운 상태로 이 분야의 측정기술은 초보단계에 불과하였으나 관련기관과 업체들의 부단한 노력으로 현재는 그 편차가 다소나마 줄어들어 고무적인 현상이라 아니할 수 없다. 하지만 아직도 각 사의 측정 데이터에서 전기적 특성은 연관성을 가지나 광학특성이나 열적 특성의 경우에는 측정자나 측정시기 또는 측정 장비에 따라 상당한 차이를 보이고 있으며 특히 고출력 소자일수록 더 큰 차이를 나타낸다. 이러한 특성들은 LED 만의 고유한 특성인 narrow 지향각과 전원인가와 동시에 발생하는 열저항에 의하여 소자 내부의 온도가 증가하고 이에 따른 주파장의 shift와 광속이 감소하는 특성을 가짐에 따라 발생한다. 고 휘도 LED의 연구 개발은 발광 특성을 높이기 위한 칩 자체의 개발, 고 효율과 내구성의 향상을 위한 패키지 재료 개발, 광량과 그 지향성 향상을 위한 기하 광학적 디자인 설계 그리고 패키지 디자인 설계외에도 열적 내구성 향상을 위한 방열설계등으로 구분되어질 수 있다. 이 중에서 LED의 효율과 수명에 직결되는 항목이 발열에 관련된 것인데 그 LED의 열구조 분석은 소자온도 직접제어방식과 주변온도 제어방식으로 나뉘게 된다. 따라서 LED를 조명이나 디스플레이 등에 사용하는 경우에 소자의 출력을 최대한 활용할 수 있도록 광학계나 방열설계를 하는 것이 중요한데 완성제품의 구동온도를 원하는 조건으로 조절하기가 어려우므로 이 광학계나 방열설계와 같이 그 제품이 사용될 구동 조건에서 전기광학적특성 평가를 실시하여 좀더 나은 효율의 부품이나 제품을 선정하는 것이 중요하다. 또한 온도의 영향을 최소화하는 방법의 하나로 PWM(Pulse Width Modulation) 제어가 권장되고 있으나 어느 조건에서 최적의 output을 내는지는 제품에 따라 검증이 되어야 하며 주변온도에 따라 구동조건을 다르게 설정할 필요가 있다.
결과적으로 측정오차를 줄이기 위한 다양한 방법의 강구 및 표준화가 진행되어야 하며 또한 그 중요성이 부각되고 있는 방열설계에서 열저항이나 주위온도와 구동조건의 영향도 간과할 수는 없으며 본 논문에서는 그 영향을 측정 및 분석하기 위하여 열저항 측정기 및 온도 조절 수단을 구비한 광속구 시스템에 관하여 설명하고 본 장비에서 측정된 데이터를 도시하여 실제 LED나 그 응용제품 개발에 적용될 수 있는 방안을 제시하는데 그 목적이 있다.
본 설비는 온도조절수단 내부에 샘플을 장착하고 이에 대한 열특성 변화(열저항, K factor, 허용전류)를 측정할 수 있도록 설계되었다. 단일 소자의 경우에는 TE를 통한 직접제어가 가능하나 모듈상태로 조립이 되면 특성평가가 용이하지 않은 단점이 있다. 따라서 샘플을 온도조절수단을 구비한 적분구 내부에 장착하고 평가를 하게 될 경우 두 종류의 샘플을 모두 평가할 수가 있다. 후자의 경우 대류에 의한 열전도(Convection heat transfer)와 접촉에 의한 열전도(Conduction Heat Transfer)의 영향을 모두 감안한 평가방법이라고 할 수 있으며 열특성과 함께 광속, 색온도, 연색성과 같은 분광특성을 동시에 평가할 수 있는 장점이 있다.
/김유성 기자 news@lednews.net
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