▲ 레이저를 이용한 LED 칩 선택적 가열 기술 도식도.

고출력 LED 구동 시 발생하는 열을 효과적으로 방출해 발광 효율과 수명을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 초고방열 접착기술이 한국광기술원 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

한국광기술원(원장 박동욱) 신조명연구본부 광원소재연구센터 김재필박사팀은 은나노 입자로 구성된 LED 접착제 층에 레이저를 이용해 짧은 시간에 집중적인 열을 가해 은나노 입자를 소결함으로써 LED칩을 리드프레임(기판)에 접착하는 ‘LED 칩의 선택적 가열에 의한 초고방열 접착기술’ 개발에 성공했다고 15일 밝혔다.

플라스틱 LED 패키지 소재에 열 손상을 주지 않는 공정 조건에서 유기물 소재의 사용 없이 열전도도가 높은 순수금속을 이용해 기존의 LED 접착제와 동등한 수준의 접착력를 구현하는 초고방열 접착 기술이 개발된 것은 이번이 세계 최초다.

국내 고출력 LED 산업의 세계 시장 선도에 기여할 핵심 기술로 평가되고 있는 한국광기술원의 초고방열 접착기술은 산업통상자원부의 산업원천기술개발 사업을 통해 4년간의 연구 끝에 성공했다.

LED칩을 기판에 부착하고 칩에서 발생한 열을 1차적으로 방출하는 역할을 하는 LED칩 접착제는 고출력 LED의 핵심기술로 그동안 에폭시나 실리콘 등 고분자 재료에 무기물 분말을 혼합하는 방식이 주로 사용돼 왔으나 고분자의 낮은 열전도도로 인해 방열 성능이 제한되는 문제점을 안고 있었다.

또한 은나노 입자를 이용한 접착기술 역시 독일·일본 등 LED 기술개발 선진국 등에서 꾸준히 시도돼 왔으나 만족할 만한 접착력과 열전도성을 구현하기 위해 필요한 섭씨 300도 이상의 열처리를 할 경우 플라스틱으로 되어 있는 LED 패키지 소재가 견디지 못하는 기술적 한계를 안고 있었다.

김 박사팀의 이번 ‘LED 칩의 선택적 가열에 의한 초고방열 접착기술’은 레이저를 이용해 LED칩을 부착할 기판의 접착 부분에만 한정해 짧은 시간 가열, 은나노 소결을 통해 접착함으로써 열 손상에 의한 기판의 변형을 막고 열전도도를 극대화하는 방식으로 기존 접착 기술의 문제점을 완전히 해결할 수 있는 신기술이다.

그동안 고방열 LED 접착제는 독일·일본 등과 같은 소재 강국에서 전량 수입에 의존해 왔으나 이번 한국광기술원의 은나노 소결을 이용한 새로운 접착제 기술 개발로 수입대체효과는 물론 국내 고출력 LED 산업의 경쟁력 향상에도 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

이번에 개발된 초고방열 접착기술을 사용할 경우 정격 전류 2배 세기의 과전류 구동 환경에서 LED 칩 표면 온도 증가가 거의 없이 발광 효율이 유지되고, 수명 역시 기존 접착 기술 대비 2.5 배 이상 향상된 고출력 LED를 구현할 수 있다.

김 박사는 “LED에서 발생한 열을 효과적으로 배출시키는 방열 설계 및 소재개발은 고출력 LED의 핵심기술이지만 그동안 기술적 한계에 봉착했었다”며 “이번 나노 금속을 이용한 접착 기술은 이러한 문제점을 완벽하게 해결할 수 있는 최종 기술로서 국내 고출력 LED 산업이 세계 시장을 선도하는 역할을 하게 될 것이다”고 밝혔다.

이번 기술개발내용은 세계적인 반도체 패키지 전문 학술지 ‘IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology’ 7월호에 게재 됐다.