오늘은 LED 제품의 Chip의 종류에 관하여 자세히 설명하겠습니다. 손실이 적은 구조를 만들기 위해, 광 효율을 향상 시킬 수 있는 전극 구조를 디자인하고 칩구조를 제작합니다. 하지만 칩 사이즈와 전극의 구조의 상관 관계에서도 광효율이 영향을 미치기 때문에, 칩의 디자인은 매우 중요합니다. 칩에서 나오는 광효율뿐만 아니라 열 빠짐까지 고려하면 칩 구조가 완전하게 바뀌는데, 그런 칩 종류에 대해 설명드리고, 계속해서 LED효율에 대해 설명드리겠습니다.
1. 칩의 종류에 따른 구분
a) COB Chip 구조
COB (Chip On board) Chip 구조에 대해 설명드리면, PCB Board를 중심으로 칩을 PCB 위에 얹었을 때 전극이 위를 향한 상태가 되었을 때의 모양을 이야기합니다. 칩을 PCB에 얹어 고정을 하고, P 전극과 N 전극을 와이어로 본딩 하여 전극으로 연결한 상태를 COB라고 합니다. 보통 단일 칩으로 사용하기보다는 작은 칩을 여러 개로 묶음이 되어있는 형태나 혹은 밀집 형태의 구조로 많이 쓰입니다. 열 효율성과 소형화, 경량화, 그리고 가격 문제를 한 번에 모두 해결할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 열을 방열판으로 직접 방출시키도록 설계해야 하는 점이 일반 LED PKG와 다르다고 볼 수 있겠습니다.
b) Flip Chip 구조
일반적인 Flip Chip의 경우를 살펴보면, LED 전극이 PCB에 직접 닿아있는 것을 알 수 있습니다. ‘Flip’이라는 의미는 ‘홱 뒤집히다’ , ‘휙 던지다’라는 뜻으로 COB 구조와 비교해 보면 전극이 Board에 직접 Stick 되어 있으므로 ‘와이어 본딩’이 없이도 연결이 되어 있으므로 전류 공급이 가능한 점이 특징입니다. 구조상 와이어가 없이 빛을 가리는 부분이 없기 때문에 광을 효율적으로 뽑을 수 있고, 전극이 Board에 직접 닿아 있어서 전류 공급뿐만 아니라 열 방출이 뛰어난 장점이 있습니다. 실제적으로 열방출이 필요한 High Power LED에서 많이 적용하고 있습니다.
2. LED 효율 (LED Efficiency)
먼저 ‘효율’이라는 사전적 의미를 알아보면, [명사]1. ‘들인 노력과 얻은 결과의 비율’이라고 해석되어 있습니다. ‘LED 효율’ 측면에서도, 사전적 의미 그대로 ‘들어간 에너지와 나온 에너지의 비를 비교한 것’이 ‘효율’입니다.
a) 이상적인 ‘양자효율’
LED 효율에는 ‘주입 효율’, ‘내부 양자 효율’, ‘광 추출효율’, ‘ 형광체 변환 효율’등으로 구분할 수 있는데 각각의 효율을 계산하여 LED 제품에서 얼마의 ‘광효율’이 방출되는지 검토할 필요가 있습니다. 이상적으로 LED에 ‘전기에너지’를 주입하여 생성된 ‘한 개의 전자’는 빛 입자인 ‘광자를 1개’ 생산합니다. ‘IQE'( Internal Quantum Efficiency)라고 하는 ‘내부 양자 효율’은 식으로 표현하면 ‘LED내로 주입된 전자수’ 분에 ‘활성영역에서 방출되는 광자수’의 ‘비율’을 나타냅니다. 이때 LED 자체에 ‘결함’이 있거나 ‘Crack’등이 존재하면 주입된 전자가 광자로 되기 전에 소멸되는 경우가 많기 때문에, ‘내부 양자 효율’이 좋고 나쁨에 따라 LED의 결함 정도를 알 수 있습니다.
b) ‘광추출 효율’
이상적으로 LED 내에서 방출된 광자(Photon)들은 LED밖의 자유공간으로 빠져나가야 합니다. 그러나 실제 LED에서는 Active layer로부터 방출된 모든 광자는 자유 공간 속으로 방출되지 못할 뿐 아니라, 어떤 광자들은 아예 LED 밖을 빠져나가지도 못합니다. 방출된 빛은 LED의 기판 자체에 재흡수될 수도 있고, 금속 전극표면에 입사하는 빛은 금속에 흡수되어 열로 변환될 수도 있습니다. 이것을 ‘광추출 효율’이라고 부르고 식으로는 ‘Active layer에 서 방출되는 광자수’ 분에 ‘자유공간으로 방출되는 광자수’의 비율을 ‘광추출 효율’이라고 합니다.
3. 마치며
이상으로 오늘은 ‘칩의 종류에 따른 구분’에서 ‘COB’와 ‘Flip Chip’에 대해 설명하였고, ‘LED 효율’에서는 ‘이상적인 양자 효율’과 ‘광추출 효율’에 대해서 알아보았습니다. LED ‘광추출 효율’을 계속 Check 하여 효율이 가장 떨어지는 부분을 개선하면서, LED 광효율을 높여나고 있습니다. 다음시간에는 White LED PKG에서의 백색광 구현에 설명드리도록 하겠습니다.