LED용 고방열 소재/부품 기술 동향 정하나 기자입력 2018-03-09 09:04:31

* 자료 : 화학소재정보은행(www.matcenter.org)
* 필자 : 한국광기술원 이광철 책임연구원

 

1. 서론

LED(Light Emitting Diode)는 일반적으로 발광 효율이 높고 가벼우며 환경 친화적이기 때문에 현재 조명, 차량, 의료, 농생물 분야 등에 널리 사용되고 있으나, 일반적인 실리콘 반도체 대비 상대적으로 에너지 변환 효율이 낮아서 동작 중 부작용으로 많은 열이 발생하므로 <그림 1> (a)와 같이 LED 소비전력이 증가함에 따라 LED 접합온도가 오르면서 발광효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 또한, LED 구동 시 발생하는 열을 효율적으로 방출시키지 못할 경우 신뢰성에도 영향을 줘서 <그림 1> (b)와 같이 접합온도가 오르면서 소자의 수명이 떨어지는 문제가 발생한다.

 

<그림 1> LED 소비전력 증가에 따른 접합온도 상승 및 발광효율 저하 문제(a) 및 주위 온도 증가에 따른 접합온도 상승 및 수명 저하 문제(b)

 

LED를 포함하는 대부분의 반도체 칩은 동작 중 줄열(Joule Heating)이 발생한다. 이 열은 칩을 가로질러서 칩 접착부위를 지나 패키지, 모듈, 시스템 순으로 우선 전도가 되고 부차적으로 대류, 복사 현상에 의해 주변으로 방출되는데, 일반적인 실리콘 반도체에 비해서 LED는 에너지 변환 효율이 낮아서 상대적으로 좁은 칩 면적에서 많은 열이 발생해서 칩을 가로지르게 되므로 <그림 2>와 같이 칩 면적 당을 통과하는 열량으로 표현되는 Chip Heat Flux가 매우 높은 수준으로 <표 1>과 같이 단순한 자연 방열 수준(약 50W/㎠)을 넘는 경우가 많아서 칩의 접착제부터 높은 방열 수준을 요구하는 경우가 많다.

 

Chip Heat Flux가 높은 수준인 LED는 적절한 방열을 위해 다양한 고방열성 소재/부품이 필요하며, 일반적으로 열전도성계면물질(Thermal Interface Materials), 고방열성 인쇄회로기판(이하 PCB), 힛싱크, 방열핀, 힛파이프, 고방사율코팅제 등에 널리 적용되고 있다.

 

<그림 2> 반도체 소자의 Chip Heat Flux 증가 추세

 

<표 1> 일반 실리콘 반도체 및 대표적인 LED 간의 Chip Heat Flux 비교

 

LED용 열전도성계면물질은 발열부위 및 방열부위 계면 간의 구조적, 열적 연결 물질로서 패키징용 칩 접착제(Die Attach/Adhesive), 금속성 접착제, 모듈용 점/접착성 시트 등이 가장 효과적인 방열 소재/부품으로 패키지, 모듈, 시스템 등의 모든 수준에서 적용되고 있다. 고방열성 PCB는 LED 패키지를 실장해 모듈화하고 시스템화하는데 소요되는 부품으로 모듈, 시스템 수준에서 주로 적용되고 있다. 기타 LED용 고방열성 소재/부품으로는 힛싱크, 방열핀, 힛파이프, 고방사율코팅제 등이 있으며 PCB에서 출발한 열을 시스템 수준에서 주로 대류, 복사 현상으로 열을 방출하는데 적용되고 있다.

 

본 보고서에서는 LED용으로 많이 쓰이고 있는 고방열성 열전도성계면물질(TIM), 고방열성 PCB를 비롯한 대표적인 고방열성 소재/부품을 중심으로 관련 기술 및 사례 중심으로 소개하고자 한다.

 

2. LED용 고방열 소재/부품

 

(1) 고방열성 열전도성계면물질(TIM)

LED용 열전도성계면물질은 재료 및 형태 기준으로 분류하면 <표 2>와 같이 분류할 수 있으며 가장 많이 이용되고 있는 것은 고분자복합체형 접착제(Non-solderble Adhesive), 금속성 접착제(Solderable Sdhesive), 점/접착성 시트, 그라파이트 시트 등이다.

 

<표 2> 대표적인 LED용 열전도성계면물질

 

일반적으로 방열 소재/부품의 방열성을 평가할 때 열전도율(k)과 열저항(Thermal Resistance) 개념을 가장 많이 이용하고 있다. 열전도율은 물질 고유의 열적 전달 특성을 대변하는 절대적인 값으로 표면, 접촉 면적 등에 대한 현실적인 고려가 결여돼 있으나 열저항은 물질 고유의 특성뿐만 아니라 계면의 특수성을 고려한 값으로서 열전도성계면물질의 방열성을 평가할 때 유용하다. 열 흐름에 대한 저항의 성분이므로 낮을수록 방열성이 우수함을 나타낸다.

 

열저항은 방열 현상이 모두 전도 현상으로만 이뤄진다는 가정 하의 개념으로 <그림 3>과 같이 발열량 대비 접합부위의 온도상승을 의미함으로써 일반적으로 K/W 단위를 많이 이용하고 있으며, 열저항 구조곡선으로도 표현할 수 있으므로 열저항 구조곡선 내에서 구간 열저항으로 세분화할 수 있어서 특정 구간의 열저항을 다른 시료와 상호 비교가 가능해 유용하다.

 

<그림 3> 열저항 정의 및 열저항 구조곡선

 

 <그림 4> 다양한 LED 칩 접착제와 적용 시 LED 열저항

 

<그림 4>는 열전도성계면물질 중 하나인 고방열성 LED 칩 접착제를 선정하기 위해 종류별로 동일한 LED 패키지에 적용한 후 열저항과 접착상태를 비교한 것으로서, 가장 우수한 경우는 열저항이 적을 뿐만 아니라 칩 접촉 부위가 지저분하지 않게 접착된 첫 번째 경우가 가장 우수한 것으로 판단할 수 있다.

 

상기 사례에서 발열체인 칩 및 방열체인 패키지 프레임 간의 유효한 열저항(Rth.eff)은 <그림 5>와 같이 상부 접촉 열저항(Rth.cont.t), 계면물질 열저항(Rth.TIM) 및 하부 접촉 열저항(Rth.cont.b)의 합으로 구성돼 있다. 계면물질 열저항은 열전도성계면물질의 본질을 구성하는 모재(Matrix)와 보충 개념의 충진제(Filler)의 고유 물질 특성 및 상호 결합 상태 등에 의존하고, 접촉 열저항은 열전도성계면물질과 접착물, 피접착물 간의 계면 젖음성과 같은 상호 결합 상태 등에 의존하므로 전체적인 열저항을 낮추기 위해서는 열전도성계면물질의 점성, 극성, 표면장력, 젖음성, 휘발성, 부착력 등의 전반적인 물리화학적 특성 향상에 대한 연구·개발이 중요하다.

 

<그림 5> 열전도성계면물질 적용 시의 열저항 분석

 

LED용 열전도성계면물질 중 가장 이슈가 큰 분야인 접착제의 경우, 점성, 젖음성, 점/접착성, 열/광경화성, 광투과/흡수성, 열/전기전도성 등의 특성을 갖는 모재에 열/전기전도성, 전기절연성, 광투과/반사성 등의 특성을 갖는 충진제가 분산제, 결합제, 윤활제, 내산화제, 소포제 등의 첨가제 등과 함께 분산된 형태로서 구성돼 있다.

 

모재의 경우, 주로 에폭시, 실록산 등의 고분자 수지 성분, 주석, 인듐, 비스무스, 은, 구리 등의 금속 성분 등이 적용되고 충진제로서 주로 은, 구리, 주석, 인듐 등의 금속 성분, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 산화규소, 질화규소, 질화붕소, 산화마그네슘 등의 세라믹 성분, 탄소나노튜브, 그래핀, 흑연 등의 탄소나노소재, 에폭시, PMMA, PPS, PC, PE 등의 고분자 수지 성분 등이 다양하게 적용되고 있다.

 

LED용 접착제는 일반적으로 고분자 경화형(Polymer Cure Type), 상변화형(Phase-change Type), 금속 소결형(Metal Sintering Type) 등으로 분류되며, 고분자 경화형의 경우, 열이나 광에 의해 경화할 수 있는 액상 모재 내에 열/전기전도성, 전기절연성 충진제 및 첨가제가 분산된 경우로서 대표적인 사례로는 고방열성의 실버페이스트(Ag Paste), 광투과율이 높거나 광반사율이 우수하면서 방열성이 우수한 실리콘페이스트(Silicone Paste) 등이 있다. 주요 연구·개발은 경화 공정을 용이하게 하면서 열전도율을 충진제의 1/4 수준 이상으로 향상시키는 방향으로 진행되고 있다.

 

LED용 접착제 중 고분자 경화형 접착제 구현 시 열전도율을 향상시킬 수 있는 가장 효율적인 방안은 Bruggeman 모델을 고려해 보다 높은 열전도율을 갖기 위해 결정성이 보다 강한 모재를 적용하는 것이다. 부차적으로 충진제를 대상으로 열전도율이 높은 것을 적용하고 Horsfield 충진 모델을 고려해 다중 모드 개념으로 충진 함량을 증가시키며 표면 가공, 커플링제 표면 처리 등을 통해 젖음성 및 분산성을 향상시키는 방법을 적용하는 것이다.

 

<표 3>, <그림 6>은 방열성 및 광학특성을 고려해 개발된 고분자 경화형 LED 칩 접착제의 종류 및 적용 사례로서 투명 접착제는 방열성은 떨어지지만 저렴하고 광학적 특성이 우수해서 저출력 LED용에 적용되고 실버페이스트는 방열성은 우수하지만 광학적 특성이 상대적으로 열악해 고출력 LED용에 적용된다. 또한 백색 접착제는 절기절연성이면서 방열성이 우수하고 광학적 특성도 우수한 편이라 중출력 LED용에 적용되고 있다.

 

<표 3> 고분자 경화형 LED 칩 접착제의 종류

 


<그림 6> 고분자 경화형 LED 칩 접착제별 발광특성 및 열저항

 

상변화형 접착제는 주로 금속형으로서 용융점 이상으로 주위 온도를 올려서 액상 상태에서 젖음성을 통한 접착을 수행한 후 온도를 다시 내려서 고화시켜서 고정하는 방식으로 접착을 하며, <표 4>와 같이 주로 300℃ 이하의 용융점을 갖는 주석, 납, 금, 은, 인듐, 구리, 비스무스 등의 금속 합금 모재에 탄소나노소재, 세라믹 성분의 충진제나 플럭스, 윤활제 등의 첨가제가 혼합된 형태이다. 대표적인 사례로는 솔더링할 수 있는 솔더페이스트(Solder Paste), 금속성 상변화물질(Phase-change Materials) 등이 있다. 주요 연구·개발은 기존 솔더의 젖음성, 접착력, 내creep성 등을 보완하면서 열전도성을 향상시키는 방향으로 진행되고 있다.

 

 <표 4> 상변화형 접착제로서 주요한 솔더

 

<그림 7>은 상변화형 접착제의 연구·개발 사례로서 대표적인 솔더인 SAC305(96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu) 모재 표면에 열전도율이 높은 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)를 강제충격법으로 부착시킨 솔더-탄소나노소재 복합체 구조의 상변화형 LED 칩 접착제의 제조과정과 50W급 고출력 LED 적용 시 방열특성을 나타내고 있다. Sn계 솔더에 대한 MWCNT의 젖음성을 향상시키기 위해 MWCNT 표면에 SnO2를 코팅해서 SAC305 솔더 표면에 부착시켰으며 결과적으로 SAC305 솔더의 방열성을 적정량의 MWCNT 첨가로 향상시켰다.

 


<그림 7> 솔더-탄소나노소재 복합체구조 상변화형 LED 칩 접착제 제조 과정 및 LED 적용 결과

 

<그림 8> 일반적인 은소결페이스트 제조과정 및 LED 적용 결과

 

금속 소결형의 경우, 표면에 분산제가 코팅된 미세 금속 입자 및 미량의 결합제, 희석제 등으로 균질하게 혼합된 형태로 200℃ 이상의 고온과 일정 수준 이상의 압력 하에서 소결(Sintering)을 진행해 접착제로 적용된다. 대표적인 사례로는 순수 은의 절반 이상 수준까지 열전도율을 구현할 수 있는 은소결페이스트(SSP; Silver Sintering Paste) 등이 있다. 주요 연구·개발은 공극률을 낮춰서 열전도율을 향상시키기 위해 보다 낮은 온도에서 보다 낮은 압력 혹은 대기압에서 소결할 수 있는 방향으로 진행되고 있다.

 

상용화된 은소결페이스트는 일반적으로 표면에 카르복시산 계열의 환원성 분산제를 코팅한 수 ㎚에서 수십 ㎚ 크기의 나노 수준 은 입자 및 미량의 금속 환원제, 희석제 등을 혼합해 구현하며 최근에는 소결 온도를 낮추기 위해 다중 모드 입도 분포로 충진률을 올리면서 은 환원 과정 반응 에너지를 낮출 수 있는 카르복시산계 은염 기반의 아민복합체로서 금속유기화합물(Metallo-organic Compound)을 적용하는 연구가 활발한 것으로 보인다.

 

은소결페이스트는 현재까지 개발된 칩 접착제 중에서 가장 우수한 열전도성을 나타내고 있으며 우수한 경우 250W/mK 이상의 열전도율을 나타내는 사례도 있으며 고분자 경화형, 상변화형 접착제에 비해 열사이클 내성이 월등히 우수하다는 장점이 있다.

 

<그림 8>은 일반적인 은소결페이스트 제조 방안과 패키지 적용 상태 및 LED 적용 후 SAC305 솔더페이스트 및 방열성을 비교한 결과를 나타내고 있는데 은소결페이스트가 200℃이상의 고온에서 접착 공정을 수행해야 하지만 SAC305 솔더페이스트에 비해 방열성이 좋은 것을 확인할 수 있었다.

 

LED용 칩 접착제 종류별 주요 특징은 <표 5>와 같으며 전체적으로 열/전기전도성, 내열성면에서 금속 소결형이 가장 우수한 물성을 나타내고 저온 작업성을 제외하면 고분자 경화형이 가장 열악한 물성을 나타냈다. 특히 은소결페이스트는 현재 고출력 고신뢰성 LED 구현에 가장 적합한 칩 접착제이다.

 

<표 5> 주요 LED용 칩 접착제

 

LED용 점/접착성 시트는 시트, 테이프, 필름 등의 형태로 모듈, 시스템 수준에서 적용되고 있으며 주로 전기절연성이고 얇으면서 열전도율은 높고 점/접착력은 높은 것을 주요 요구 사항으로 하고 있다. 일반적으로 실리콘, 아크릴 계열의 유연 수지 모재에 산화알루미늄, 질화알루미늄, 산화규소, 질화규소, 질화붕소 등의 세라믹 충진제 및 기타 첨가제를 혼입해 시트 형태로 구성하거나 추가적으로 표면에 감압식접착제(PSA, Pressure Sensitive Adhesive) 성분을 코팅한 형태가 가장 일반적이다. 최근에는 디스플레이, 조명 분야에서 모듈과 시스템 사이의 점/접착을 위해 수십 um 이하 수준의 초박형 점/접착성 고방열성 시트의 수요가 증가하고 있다.

 

또 다른 형태의 LED용 고방열성 시트로서 그라파이트(Graphite)로 구성된 그라파이트 시트가 있다. 시트의 수평 방향으로 200~2,000W/mK 수준, 수직 방향으로는 2~20W/mK 내외 수준의 이방성 열전도율 특성을 갖고 있으므로 고출력 조명 분야나 대면적 디스플레이 분야에서 적합하며 최근에는 폴리이미드와 같은 축합 고분자를 소성시켜 천연흑연보다 열전도율이 우수한 열분해흑연(Pyrolytic Graphite)을 적용한 열분해 그라파이트 시트(PGS)가 우수한 방열성을 보여주고 있다.

 

<그림 9> 고방열성 열전도성계면물질의 연구·개발 방향

 

향후 고방열성 열전도성계면물질의 연구·개발 방향은 <그림 9>와 같이 요약할 수 있다. 다중 모드 입도 분포 기술, 고분자 섬유 및 금속 합금 기술을 통해서 열전도율을 향상시켜서 열전도성계면물질을 최적화하고, 표면의 마이크로구조화 기술로 접촉면 간격을 줄이면서 나노스펀지구조 계면 처리를 통해 계면 저항을 줄여서 표면을 최적화하며, 충진제를 정렬해서 열전도율을 향상시키면서 충진제 간의 포논 전달을 향상시킬 수 있도록 나노 수준의 최적화를 진행하는 것이다.

 

(2) 고방열성 인쇄회로기판(PCB)

1962년 GaAs 기반 LED 출현 이후 현재까지 LED 패키지는 <그림 10>과 같이 외관상으로는 고분자 재질 저출력 고열저항성 관통실장형(THD, Through Hole Device)에서 금속/세라믹 재질 고출력 저열저항성 표면실장형(SMD, Surface-Mount Device)으로 진화하고 있다. 이에 발맞춰 최근의 고출력 LED 패키지는 성능 및 신뢰성 유지를 위해 솔더페이스트와 같은 고접착력, 고방열성 금속형 접착제를 통해 <표 6>과 같은 고방열성 PCB에 실장되도록 요구받고 있다.

 

<그림 10> 주요 LED용 고방열성 PCB

 

<그림 6> 주요 LED용 고방열성 PCB

 

고방열성 PCB는 일반적으로 위에서부터 회로층(Circuit Layer), 전기절연층(Dielectric Layer), 기판(Substrate) 총 3개 층 혹은 회로층 및 전기절연기판 총 2개 층으로 구성돼 있다. 회로층은 전기저항이 낮고 열전도율이 높은 금속으로 주로 구성하고 전기절연층은 회로층 및 기판 간의 접착력이 우수하면서 얇고 열전도율 및 전기저항이 높고 절연파괴전압이 높은 세라믹 함유 고분자 복합체나 세라믹층으로 구성한다. 기판은 지지체로서 탄성계수가 크고 열전도율이 높은 금속이나 열팽창률이 반도체 소자 재료처럼 낮은 세라믹으로 구성하는 것이 일반적이다. 각 층의 소재 및 구조에 따라 금속기반인쇄회로기판(MCPCB, Metal-Core Printed Circuit Board), 저온/고온 동시소성 세라믹스(L/HTCC, Low/High Temperature Co-fired Ceramics) 기판, DBC/DPC(Direct Bonded Copper/Direct Plated Copper) 기판 등으로 분류돼 LED용 고방열성 PCB로 적용되고 있다. <표 6>은 LED용 고방열성 PCB 종류별 특징을 보여주고, 방열성능과 비용 면에서 MCPCB가 가장 널리 적용되고 있으며 고신뢰성 분야에서는 열팽창율계수가 비교적 낮으면서 방열성이 우수한 DBC/DPC가 적용되고 있다. 방열성보다는 비용을 고려할 경우 FR-4 등의 일반 PCB에서 방열성을 극대화한 방열성 강화 구조의 일반 PCB를 적용하고 있다.

 

고방열성 PCB의 기판 소재로는 일반 PCB에서는 수지에 유리섬유직물과 각종 충진제를 함침시킨 프리프레그(Prepreg)가 가장 일반적이나 방열성에는 한계가 있으므로 MCPCB에서는 내식성이 우수한 50계열이나 열전도율이 우수한 60계열의 알루미늄합금을 널리 이용하고 있으며 방열성을 극대화하기 위해 구리합금이나 경량화를 위해 알루미늄-실리콘 합금을 이용하기도 한다. 세라믹 재질인 L/HTCC에서는 제조 공정 상 유리질 알루미나가 기본이고 DBC/DPC에서는 가격 대비 성능비가 우수한 알루미나 기판이나 방열성이 알루미늄 수준으로 우수한 질화알루미늄 기판을 이용한다. MCPCB의 기판 재질로서 구리는 열팽창률이 높고 작업성이 좋지 않을 정도로 연성이 강하므로 이를 보완하기 위해 최근에는 흑연, 탄소나노튜브 등의 탄소나노소재를 고온고압상태에서 구리 모재에 함침시킨 구리-탄소나노소재 복합재료가 개발돼 고방열성 및 고신뢰성을 요구하는 분야에 적용되고 있다. 대표적인 사례로는 MMCC사 CopperMetGraf 등이 있다.

 

고방열성 PCB의 구현 방식을 살펴보면 <그림 11>의 (a)와 같이 가장 일반적인 MCPCB는 3층 구조로서 하부 금속 기판과 상부 구리 호일 사이에 수지 및 세라믹 충진제의 혼합물 형태이다. 불완전 경화 상태(B Stage)의 프리프레그 시트(Prepreg Sheet)를 놓고 가열·가압해 프리프레그 시트를 완전경화시켜 고방열성 전기절연층으로 구현하는 프리프레그 접합방식으로 제작하므로 프리프레그 시트에 의해 방열성 및 전기절연성이 크게 영향을 받는다. 또 다른 MCPCB 구현 방식인 금속기판 표면산화 방식은 양극산화기술 등을 적용해 알루미늄 기판 표면을 산화시켜서 금속산화물 절연층을 구현하며 절연층 내의 미세기공을 막고 상부에 회로층을 형성하는 방식이다. 프리프레그 접합방식의 절연층에 비해 절연층 두께가 얇아서 열전달 경로가 짧고 열 전달 주체인 포논(Phonon)의 전달을 저해하는 고분자 성분이 없으므로 열전도율이 상대적으로 우수하다.

 

<그림 11> MCPCB 구현 방식 비교: (a) 프리프레그 접합방식 (b) 금속기판 표면산화 방식

 

<그림 12> 일반 PCB의 방열성 강화 구조: AGSP, Thick Copper, Copper Inlay, PTV

 

세라믹 재질의 기판으로서 L/HTCC 구현 방식은 회로층 및 전기절연기판을 동시 소성 공정으로 구현하는 방식으로 유리 세라믹 분말, 결합제, 용제 등으로 구성된 생소지를 제작하며 표면에 저온소성은 은, 금 페이스트로 고온소성은 몰리브덴, 텅스텐 페이스트로 회로층을 스크린 프린팅하고 적층, 재단한 후 소성 공정을 거쳐서 구현하므로 방열성은 유리 세라믹 기판에 의해 결정되나 유리 성분에 의해 열전도율에 한계가 있다.

 

또 다른 세라믹 재질의 기판인 DBC/DPC는 미리 제작된 세라믹 재질의 전기절연기판 위해 회로층을 고온에서 접착하는 방식(DBC)이나 도금하는 방식(DPC)으로 구현하며, 열전도율이 우수하고 열팽창율이 반도체 소자의 열팽창률에 근접한 산화알루미늄, 질화알루미늄 등을 전기절연기판으로 적용하므로 L/HTCC 기판에 비해 방열성 및 신뢰성이 상대적으로 우수하다.

 

주요한 고방열성 PCB의 사례를 살펴보면 먼저 일반 PCB의 경우 방열성을 강화하기 위해 <그림 12>와 같이 열전도율이 열악한 프리프레그 층을 가로질러서 열전도율이 우수한 금속 성분을 배치한 구조로서 구리 범프(Bump)를 삽입한 AGSP(Advanced Grade Solidbump Process) 구조, 두꺼운 구리층을 내부에 삽입한 Thick Copper 구조, 복층 PCB 구조를 관통해 구리 덩어리를 삽입한 Copper Inlay 구조, 수직방향으로 via hole을 형성한 후 금속성분으로 채운 PTV(Plugged Thermal Via) 구조 등이 적용되고 있으며 PTV 구조가 제조 비용이 저렴하므로 가장 일반적으로 적용되고 있다.

 

<그림 13> 금속기판 표면산화 방식의 MCPCB 구현 사례: (a)Cambridge Nanotherm의 Nanotherm DM (b)RUSALOX의 ALOX

 

<그림 14> MCPCB 구현 방식별 방열성 비교: 프리프레그 접합방식 vs 금속기판 표면산화 방식

 

 

<그림 13>은 일반적인 프리프레그 접합방식에 비해 방열성이 우수한 금속기판 표면산화방식의 MCPCB 구현 사례를 보여주고 있다. <그림 13> (a)에서 보인 것처럼 금속기판 표면산화 방식을 적용할 경우 방열성이 우수한 질화알루미늄 기반의 DBC/DPC 기판과 비슷하거나 보다 더 양호한 결과를 나타내고 <그림 14>와 같이 일반적인 프리프레그 접합방식에 비해 월등히 방열성이 우수하므로 최근 금속기판 표면산화 방식으로 구현한 MCPCB가 고출력 LED 모듈에 점진적으로 진입하고 있다.

 

<그림 15>는 FR-4 계열의 일반 PCB 및 MCPCB의 방열성을 비교하기 위해 동급 LED를 실장하며 열저항을 측정하고 열화상 이미지를 찍은 것으로 전반적으로 FR-4 계열 일반 PCB보다 MCPCB가 월등히 열저항이 낮고 표면 온도가 낮아서 방열성이 우수함을 나타내고 있다. 세부적으로는 FR-4 계열에서 Thermal Via를 채운 것이 채우지 않은 것에 비해 방열성이 우수했고 MCPCB의 절연층의 열전도율이 높을수록 방열성이 우수함을 보여줬다.

 

<그림 15> 일반 PCB(FR-4) 및 MCPCB간의 방열성 비교

 

<그림 16> 일반 MCPCB 및 DBS MCPCB의 구조 및 적용 사례

 

LED 업계에서는 좁은 면적에서 높은 광출력을 확보하고자 할 때, 기판에 LED 패키지를 솔더링해 실장하는 기존 방식인 POB(Package-On-Board) 방식과 달리 기판에 칩을 직접 붙여서 방열 경로를 줄여 방열성을 향상시키는 COB(Chip-On-Board) 방식을 많이 적용한다. 특히, 일반 MCPCB의 방열성 개선 구조로서 직접연결금속기판(DBS, Direct Bonded metal Substrate) 구조를 추가로 적용해 고출력 LED 모듈에 널리 적용하고 있다. <그림 16>에서 나타낸 바와 같이 일반 MCPCB는 칩을 MCPCB 3층 구조에서 절연층에 부착하지만 DBS 구조에서는 절연층을 제거한 상태에서 칩을 금속 기판에 직접 부착하므로 방열성을 극대화할 수 있다. 그러나 칩 및 금속 기판 간의 열팽창율의 차이가 비교적 크므로 열사이클 내성이 취약할 수 있으므로 칩 및 기판 사이에 열팽창율 완화부품인 서브마운트(Submount)를 추가하거나 칩 접착제의 선택이 신중히 요구된다.

 

<그림 17> LED용 고방열성 PCB 간의 방열성 비교(FR-4, MCPCB, DPC, DBS MCPCB)

 

<그림 17>은 LED용 고방열성 PCB의 방열성을 COB 방식에서 열저항과 칩의 접합온도로 비교한 결과이다. 결론적으로 방열성은 DBS MCPCB, DPC, MCPCB, FR-4 순으로 우수했다. DBS MCPCB의 경우 칩을 직접 열전도율이 우수한 구리합금 기판에 절연층 없이 부착했기 때문이며 DPC가 MCPCB보다 우수한 이유는 알루미늄합금 및 질화알루미늄은 열전도율이 비슷하지만 MCPCB의 경우 절연층이 중간에 끼여있기 때문이다. FR-4계열 일반 PCB는 비록 Plugged Thermal Via 구조를 채택했지만 열 경로 상 면적이 협소하기 때문에 한계가 있었다.

 

<그림 18>은 전형적인 MCPCB용 프리프레그 구현 시 충진제 배합 비율에 따른 PCB 물성 변화에 대한 것으로 질화알루미늄 및 알루미늄이 각각 65vol.% 함유시킨 상태에서 추가적으로 질화붕소를 추가 범위 내에서 0~100vol.% 범위로 첨가시키면서 PCB의 주요 물성인 기공율, 절연파괴전압, 벗김강도, 열저항을 평가한 것이다. 결론적으로 벗김강도를 일정수준으로 유지하면서 절연파괴전압이 높고 열저항 및 기공율이 낮은 조건인 50vol.% 내외 수준이 적정하다는 것을 확인할 수 있었다.

 

<그림 18> MCPCB 절연층 프리프레그 소재 배합 비율에 따른 물성 변화

 

현재 LED용 고방열성 PCB 중에서 가장 널리 적용되고 있는 것은 MCPCB이므로 주요 연구·개발 대상이다. 프리프레그 접합방식에서는 기존 MCPCB용 프리프레그가 열경화성 수지에 세라믹 충진제를 80vol.% 정도까지 함유한 복합체이기 때문에 고열전도성 고유동성 결정성 수지, 저표면결함 고유전율 세라믹 충진제, 수지 및 충진제 배합 기술 등이 주요 연구·개발 대상이다. 금속기판 표면산화 방식에서는 절연층을 주로 알루미늄의 양극산화 방식에 의한 알루미나 세라믹층 형성 및 화학적인 봉공 처리를 통해 구현하므로 세라믹층 미세구조 제어 기술, 봉공 기술, 질화물 세라믹층 형성 기술, 이종기판접합기술 등이 주요 연구·개발되고 있다. 전반적인 MCPCB의 연구·개발 방향은 열전도율 및 절연 파괴전압을 동시에 올리는 기술을 확보하는 것이다.

 

(3) 기타 소재/부품

LED용 고방열 소재/부품으로 고방열성 열전도성계면물질, 고방열성 PCB 외에 주로 대류, 복사에 의한 열전달 메커니즘을 이용하는 힛싱크, 방열핀, 힛파이프, 방열팬, 고방사율코팅제 등이 LED 모듈 및 시스템에 적용되고 있다.

 

대표적인 LED의 방열 경로는 LED 칩에서 발생한 열은 고방열성 열전도성계면물질인 칩 접착제를 지나서 LED 패키지에 전달되고 LED 패키지 접착제를 지나서 고방열성 PCB에 도달하며 열전도성계면물질을 지나서 힛싱크로 전도된다. 여기에서 일부 대류, 복사 현상에 의한 방열이 이뤄지고 나머지는 힛파이프, 방열핀으로 전도되며 자연 상태 혹은 방열팬에 의해 강제 대류 현상으로 방열이 이뤄지거나 힛싱크, 방열핀 표면에서 복사 현상으로 방열이 이뤄진다.

 

때로는 힛싱크 냉각을 위해서 물, 냉매, 공기 등의 유체를 강제로 불어넣는 강제 수냉식/공냉식 힛파이프 방식을 적용하기도 한다. 힛싱크, 힛파이프, 방열핀은 주로 열전도율이 좋은 알루미늄계열, 구리계열 등을 많이 이용하고 있으며 방열핀의 표면에는 방사율이 높은 물질이 함유된 고방사율코팅제로 코팅해 복사 현상을 유도해 방열성을 증진시키기도 한다. 상기 언급된 LED용 고방열 소재/부품으로서 최근 연구·개발이 활발히 이뤄지는 분야는 힛파이프 및 PCB를 융복합화한 힛스프레더, 방열성에 심미성을 가미한 고방사율코팅제이다.

 

<그림 19> 대류, 복사현상을 이용한 주요한 LED용 고방열 소재/부품

 

3. 결론

시장조사 기관에 따르면 전 세계 LED 시장은 2016년 기준 약 18조 원 규모였으며 방열이 필수적인 고출력 LED는 시장의 43%인 7.7조 원 정도이고 전체 LED 시장 규모가 2022년까지 약 22조 원 규모로 성장할 것으로 예측하고 있으므로 LED 시장 규모 증가에 따른 LED용 방열 소재/부품의 수요도 더불어 증가할 것으로 예상된다. 특히 향후 LED 시장은 고출력 LED가 소요되는 초대형 디스플레이, 차량전장, LCD BLU 분야에서 수요가 크게 확대될 것으로 보고 있으므로 LED용 방열 소재/부품 시장의 전망은 매우 밝다. 그러므로 이러한 분야의 연구·개발과 병행하는 고방열 소재/부품에 대한 연구·개발 진행이 필요한 상황이다.

LED용 고방열 소재/부품 별로 향후 중점 연구·개발해야 하는 분야는 열전도성계면물질에서는 마이크로 LED용 접착제, 고열전도성 결정성 고분자 수지, 탄소나노소재 충진 기술, 소결 온도 저하 기술 등이고 고방열성 PCB에서는 세라믹 절연층 구현 기술, 이방성 충진제의 정렬 기술, 구리계 기판 단점 보완 기술 등이며 기타 소재/부품에서는 전기절연성 고열전도율 몰딩 재료, 고열방사코팅제 등으로 요약할 수 있다.

 

 

정하나 기자
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