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2010.07.08 17:04

‘발열’을 잡아라… LED업계 ‘열’과의 전쟁

  • 신한중 기자 | 200호 | 2010-07-08 | 조회수 3,545 Copy Link 인기
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LED방열 기술 특허 출원 활발… 신소재 개발에도 박차
 
LED조명산업에서 늘 꼬리표처럼 따라다니는 것은 바로 발열 문제다. 발광소자인 동시에 발열소자인 LED는 유입되는 전류 중 30%에도 못 미치는 에너지만을 빛에너지로 생성시키고 나머지는 모두 열로 빠져나가게 된다.
이때 발생되는 열이 신속히 처리되지 않으면 LED칩은 물론 주변 회로에 영향을 미쳐 제품의 신뢰성을 떨어뜨리는 주요인이 된다.
결국 LED조명에서 발열문제는 최우선적인 해결과제라고 할 수 있다. LED칩의 광효율이 비약적으로 향상될 경우 열에너지로 변환되는 전류량, 즉 발열 자체를 줄일 수 있지만 현재의 기술로는 아직 요원한 일. 이에 따라 LED패키지 제조사부터 세트제품 제작사에 이르기까지 관련 업체들은 발열문제의 해결을 위해 총력을 기울이고 있다.
특히 최근에는 LED패키지 제조사에서 방열 기술 개발을 위한 움직임이 두드러지게 나타나고 있는 추세로 관련 기술의 특허 출원도 매우 활발하게 진행되고 있다.  

6월 특허청에 따르면 LED칩·패키지의 방열기술에 관한 특허출원은 지난 2003년까지는 매년 10건 이하에 불과했으나, 2004년에 39건으로 늘어났으며 2009년에는 135건으로 급증하는 양상이 나타났다.
서울반도체, 삼성전기, 엘지이노텍 등 국내 주요 LED칩 제조업체들이 LED칩·패키지 방열 기술에 대한 특허를 출원했으며, LED분야 전문 연구기관인 한국광기술원이 그 뒤를 이은 것으로 나타났다.
이제까지 LED칩 방열을 위해 사용된 기술은 LED칩의 뒷면(바닥)에 열전도성이 뛰어난 방열판을 부착함으로써 LED칩에서 발생한 열을 기판으로 보내는 방식이 대부분이었다.

하지만 최근 특허를 출원한 기술들의 면모를 살펴보면 LED칩에 전원을 공급하는 금속제 리드프레임의 형태를 변형시켜서 방열에 이용하거나, 빛을 특정 방향으로 반사시키는 칩의 반사판을 방열수단으로 활용하는 등 다각적인 형태가 나타나고 있다.
특허청 관계자는 “향후 수년간 전세계 LED칩 시장규모가 매년 30% 정도씩 커질 것으로 예상된다”며 “LED칩 발광효율 개선을 위해 필수적인 방열기술 관련 특허출원은 앞으로도 꾸준히 증가할 것”이라고 전망했다.
아울러 고출력의 LED조명제품이 활용되기 시작하면서 세트 제품 제작사에서도 다양한 방식의 방열구조를 개발하며 LED조명의 발열 잡기에 나서고 있다. 
LED조명의 방열 방식으로는 공랭식, 수냉식, 펜 등 냉각장치를 활용하는 방식 등이 있는데, 이중 방열판의 열복사 특성을 통한 공랭식 방열구조가 가장 일반적으로 활용되고 있다.

이 방식은 열의 전도특성을 통해 방열판으로 전달된 열을 공기의 대류를 통해 조명기구 외부로 배출하는 구조다. 즉 조명 제품 내외부에 알루미늄 등 열전도 특성이 뛰어난 구조의 방열판을 장착하는 형태이다.
방열판으로 전달된 열은 공기의 대류작용을 통해 외부로 배출되는데, 방열판 표면에 열복사 특성이 뛰어난 소재를 코팅하게 되면 공기 대류작용과 더불어 열복사 특성을 통해서도 열이 외부로 방출될 수 있기 때문에 방열 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이에 따라 방열판 표면에 코팅 처리해 방열판의 열 복사특성을 향상 시킬 수 있는 방열 코팅제에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
최근 방열코팅제를 개발한 한국전기연구원 박효열 박사는 “방열 코팅제를 활용할 경우 방열판의 방열특성을 10~20%가량 향상시키는 것이 가능하며, 발열온도가 높을수록 더 큰 비율로 방열특성이 높아진다”며 “향후 LED조명의 제작공정에서 방열 코팅제의 사용이 확산될 것으로 본다”고 말했다.  

한편 고출력 제품으로 갈수록 방열판에 의한 공랭방식만으로는 효과적인 방열을 기대하기 어렵다. 때문에 최근에는 특수 냉각 소재를 활용한 수냉식 방열구조의 개발도 다각적으로 진행되고 있다.
방열판을 파이프 형태로 제작해 내부에 특수한 냉각 촉매를 넣거나, 냉각 액체를 꾸준히 순환시키는 방식 등이다.
관련업계에 따르면 이같은 수냉식 방열구조의 경우 방열판에 의존하는 일반적인 제품보다 배 이상 뛰어난 방열효과를 얻을 수 있다. 더불어 방열판을 구성하는 금속재료의 사용이 줄어 제품의 원가 절감에도 도움이 될 것으로 예상하고 있다.
관련분야의 한 전문가는 “현재 LED조명이 가진 문제점은 가격과 발열이라고 할 수 있는데, 가격의 문제는 공정 개선, 시장 확대 등에 따라 점진적으로 해결되고 있지만 발열 문제는 여전히 풀리지 않는 숙제로 남아있다”며 “LED조명에 있어 발열은 단순히 제품의 신뢰성 뿐 아니라 디자인, 가격에까지 영향을 미치기 때문에 LED조명의 보급 확대를 위해서는 조속한 해결이 필요하다”고 강조했다. 

신한중 기자 [ⓒ SP투데이 무단 전재 및 재배포 금지]

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