오늘은 ‘LED PKG’제품에서 구현하는 백색광의 원리에 대해 설명하겠습니다. 기본적으로 빛의 3 원색은 ‘Blue’, ‘Green’, ‘Red’가 합쳐지면 White의 흰색을 나타내고 이를 ‘가산 혼합’이라고 합니다. ‘가산혼합’이란 색을 혼합하면 밝은 색이 되고, 적당한 비율로 섞이면 흰색이 나타나는 것을 말합니다. 참고로 색의 삼원색은 ‘Magenta’, ‘Cyan’, ‘Yellow’로 이 세 가지 색을 섞으면 검은색이 되며, 우리는 이를 ‘감산 혼합’이라고 합니다. 이는 합치면 합칠수록 어두워지며 결국에는 검은색이 됩니다. LED의 경우, 빛의 3 원색 ‘Blue’, ‘Green’, ‘Red’색을 나타내는 3개의 칩이 있으면 ‘White’ 구현이 가능합니다. 본 장에서는 LED의 Chip, 형광체등의 재료를 바꾸었을 때에도 어떤 것을 사용하면 White 구현이 가능한지 짚어 보도록 하겠습니다.
1. ‘White색’ 구현에 필요한 ‘칩’과 ‘형광체’
에너지가 높은 Blue 칩을 이용하면 보다 단순한 구조의 ‘White LED’를 제작할 수가 있습니다. 그에 관련된 ‘Blue 칩’과 형광체의 이야기를 하겠습니다.
a) LED칩 3개(‘Blue’, ‘Green’, ‘Red’)로 White 구현
앞에서 설명한 바와 같이 ‘Blue’, ‘Green’, ‘Red’ 칩만 있으면 간단히 White구현이 가능합니다만 구조가 복잡해지는 단점이 있습니다. 다시 설명드리면 우선 각기 다른 Chip 3개를 PCB위에 얹어 고정시키고, Chip에 전류를 공급하기 위해 Chip당 ‘+’, ‘-‘ , 즉 2개의 Wire ‘본딩'(Bonding)이 필요하므로 3개의 칩에 전류를 공급하기 위해 6개의 ‘Wire 본딩’과 외부에서 공급해야 하는 6개의 전극이 필요하게 됩니다. 결국 하나의 White LED 구현을 위한 공정 프로세스에 3개의 ‘Chip 본딩’, 6개의 ‘Wire 본딩’, 6개의 전극이 필요합니다. 따라서 LED 구조도 복잡해지고 Size도 커지므로, 가격은 높게 책정될 수밖에 없는 구조를 나타내고 있습니다.
b) LED칩 1개와 형광체만으로 White 구현
다른 구조의 White 방법은, 에너지가 가장 높은 ‘Blue chip’과 ‘보색의 Yellow 형광체’만 있으면 ‘White’의 구현이 가능합니다. Application에 따라서 ‘Blue Chip + Yellow 형광체’, 혹은’ Blue Chip + (Green + Red) 형광체’를 PKG화 하면 White LED 구현이 가능합니다. 그러면 상기의 제품과는 다르게 1개의 칩, 2개의 Wire 본딩, 2개의 전극과 형광체만 있으면 ‘White’ 구현이 가능해집니다. 보다 간단한 구조의 White LED 구현이 가능함을 알 수가 있고, Cost적인 측면, Process적인 측면에서도 훨씬 유리함을 알 수가 있습니다.
2. ‘칩’ 혹은 ‘칩+형광체’ 제품의 ‘White’ 비교
구조가 다른 두 개의 LED제품의 광 스펙트럼을 비교해 보고 차이점을 확인하겠습니다.
a) 스펙트럼의 비교
상기 각각의 LED 제품(a), (b)에 전류를 흘려 맨 눈으로 White 색을 비교하면 2가지 제품의 차이를 구분할 수가 없습니다. White광으로 발광하는 빛이 너무 밝아 2가지 제품차이를 알 수가 없기 때문입니다. 단 광 스펙트럼을 비교해 보면 a)의 경우는 정확하게 Sharp 한 3개의 스펙트럼 파장이 나오는 것을 확인할 수가 있습니다. 반면에 b)의 경우, Sharp 한 Blue 칩의 스펙트럼과 브로드 한 Yellow 형광체의 스펙트럼을 확인할 수가 있습니다. 결국 광 스펙트럼 분석으로 LED제품에 어떤 칩과 어떤 형광체가 적용이 되었는지 알 수가 있습니다.
b) 추가적인 방법인 ‘White LED’ 구현
파장이 400nm대의 UV 칩을 이용하고 Blue, Green, Red 형광체를 이용하는 경우도 있습니다. 에너지 가장 높은 Chip을 이용하여 White를 구현하므로 신뢰성과 내구성등을 잘 체크해야 합니다. 또 다른 경우는, 태양 빛의 무지개 스펙트럼과 거의 동등한 파장을 구현하기 위해 칩을 2개 이상 혹은 형광체 2개 이상을 넣어 만든 다양한 스펙트럼 빛을 만들 수가 있는데 이렇게 사용하면 실내에서도 태양 스펙트럼과 비슷한 구조를 나타낼 수가 있습니다. 이렇게 하면 보다 상쾌한 분위기의 광 디자인 연출이 가능하다는 장점이 있습니다.
3. 마치며
이상으로 오늘은 ‘White색 구현에 필요한 Chip과 형광체’에 대해 설명을 한 후, ‘칩’ 혹은 ‘칩+형광체’ 제품의 White 비교에 대해 설명을 했습니다. White 구현에 필요한 기본적인 구조는 다 설명을 했습니다. 더불어 사용하고자 하는 목적에 맞게 조금씩 변형하여 보다 다양한 Application에 사용가능함을 알 수가 있습니다. 추가적으로 형광체에 Red 형광체를 섞거나 Yellow 형광체를 조절하여 색연성을 좋게 하는 방법이 있으나 그것은 다음시간에 설명을 하겠습니다.