WISET 주니어과학기술논문집 212 Vol. 1 고효율 LED 용렌즈및봉지재대체물질 glass 개발 Development of Alternative glass for encapsulants and lenses for high efficiency LED 채유진 1) ㆍ김지영 2) ㆍ이해리 2) ㆍ김수민 3) ㆍ오하늬 3) ㆍ심재윤 4) ㆍ조성온 4) 성균관대학교 1) ㆍ서경대학교 2) ㆍ동덕여자고등학교 3) ㆍ돌마고등학교 4) 초록 LED용렌즈및봉지재는 LED칩을보호하고빛을투과시켜서외부로빛을방출시키는기능을하며, 현재에폭시계열과실리콘계열이주류를이루고있다. 최근고출력 LED 패키지물질로실리콘봉지재가대부분사용되고있으나, UV영역또는장기이용시황변으로인한성능저하가나타나고있다. 이러한문제점을해결하기위한대체소재로 glass에대한연구가증가하고있다. 따라서본연구에서는비교적낮은연화점과고굴절을갖는 glass를개발하여 UV-LED용렌즈및봉지재로적용하고자하였다. 유리조성은 SiO 2-Al 2O 3-B 2O 3-BaCO 3-Na 2CO 3 를선정하여 135 에서 2분간용융하여제조하였고, 봉지재적용을위한온도를설정하기위해전이점과연화점을측정하였다. 선정한유리조성의투과율은 365nm에서각각 87%, 88%, 89% 굴절률은 365nm에서 1.53, 1.51, 1.51 값을나타내었다. 또한렌즈의적용을위해형광체와저연화점 glass를각각 9:1wt%, 7:3wt% 비율로혼합하여유리기판에코팅하였다. 상온에서 1시간건조된후 65 에서열처리하였다. 제조된렌즈의투과광은 HAZE 측정기를사용했으며, 각각 44.46, 59.43% 으로나타났다. PL측정은 465nm를여기원으로하여 55nm 부근에서 9:1wt% 비율의발광세기가더크게나타났다. The lenses and encapsulants for LED are protected the LED chip from the external environment and emit the lights. The materials of the lenses and encapsulants are used the department of epoxy and silicon series, usually. However, when the LEC package is available in the UV region a long time, the performance degradation is appear due to the yellowing. To solve this problem, research for glass as the alternative material has been increased, recently. In this study, it was develop the glass of a low softening temperature and a high refractive index, and apply to the lenses and encapsulants for UV LED. The glass was select the composition of SiO 2-Al 2O 3-B 2O 3-BaCO 3-Na 2CO 3 system, and was prepared by the melting at 135 for 2min. The lenses were manufactured by screen printing on glass substrates by mixing yellow phosphor with a low soft point glass. The mixture was prepared for the phosphor and glass of 9:1 and 7:3 as a weight ratio. And the prepared lenses were heated to 65 after drying at room temperature. The transmittance of lenses was measured with HAZE METER. The transmittance of the manufactured various glasses have from 87% to 89% at 365nm, and the refractive of glasses were from 1.51 to 1.53 at 365nm. The transmittance of lenses showed 93
WISET 주니어과학기술논문집 212 Vol. 1 44.46% and 59.43% at the 9:1wt% and 7:3wt%, respectively. The optimum manufactured lenses was in case of contained a 9wt% of phosphor. 키워드 : LED, Glass, 봉지재, 투과율, 굴절률 Ⅰ. 서론 1. 기본이론 가. LED 원리 LED(Light emitting diode, 발광다이오드 ) 는전기에너지를빛에너지로변환시키는반도체광원으로, p-n 접합다이오드에순방향전압을인가할때단파장광이방출되는현상인전기발광효과를이용한화합물반도체소자이다. 그림 1. 처럼양과음의전기적성질을가진두화합물이접합하여전기가흐르면빛이발생되는원리를이용한것으로 LED의소재가되는물질의화합물조성비를조절함으로써다양한색상의빛을구현할수있다. 이러한 LED 는고효율, 고속응답, 장수명, 소형화, 경량, 저소비전력에의한에너지절감등의장점과함께, 일산화탄소발생이전혀없고, 무수은광원이므로폐기물처리가간편한친환경광원등의우수한특징을가지고있어많은응용이되고있다. 그림 1. LED 작동원리나. 일반적인 LED 구조와설명 LED 패키지는그림 2와같이크게칩, 접착제, 봉지재, 형광체및방열부속품등으로구성되어있다. 칩은전류의흐름에따라여분의전자와정공이발광성재결합에의해빛을발생하고, 접착제는 LED 패키지에서각물질들간의접착에주로사용한다. LED 형광체는염료, 반도체등의파장변환물질중대표적인것으로, 전자선,X선, 자외선등의에너지흡수한후흡수한에너지의일부를가시광선으로방출하는물질을말한다. 또한방열부속품의경우, 패키지에서의방열은 LED 패키지의수명과밀접한관련이있기때문에매우중요한요소이다. 봉지재의경우는기본적으로 LED 칩을보호하고빛을투과시켜외부로빛을방출시키는 94
고효율 LED 용렌즈및봉지재대체물질 glass 개발 기능을하고있다. 봉지재의내구성은방열과밀접한관계를가지는데, 고출력 LED와같이많은열을방출하는경우에는쉽게성능저하가일어난다. 보완하기위해대체물질로 glass에대한연구가증가하고있다. 본연구에서는 UV 영역에서투과율이높고, 고굴절률을갖는유리조성을설계하여특성을관찰하였다. 또한, 유리기판위에형광체를도포하는방법으로렌즈를제작한후특성을관찰하였다. 유리를봉지재에적용하면 LED 의광추출효율을높이고가스투과율이낮춰황변현상을현저히줄일수있다. 이러한유리의특성을이용하여고효율 LED를구현하고자한다. 그림 2. UV-LED 램프및칩의기본구조 2. 연구배경 LED는고효율, 친환경, 고응답성, 장수명, 소형 / 경량등많은장점을가지고, 탄소배출이없고, 무수은광원으로다양한용도로널리쓰이고있다. LED 패키징소재기술은 LED 소자의광출력을높이면서도수명을좌우하는핵심요소로서전체 LED 조명의신뢰성을높이는데매우중요한역할을하고있다. 패키지중에서도봉지재의역할이효율을높이는데큰부분을차지하고있다. 일반적으로칩의보호역할을하는봉지재및렌즈는주로에폭시나실리콘레진등의열경화성수지가사용되고있다. 하지만기존에널리사용되던에폭시는고온에서의광투과율저하, 황변등의문제로적용하는데문제가있어현재 LCD BLU용 LED, 고출력 LED용으로는실리콘이주로적용되고있으나가격이매우고가이고전량수입에의존하고있다. 이를 Ⅱ. 실험및방법 1. 유리조성설계 LED용봉지재및렌즈로적용하기위해기계적강도가높고내열성이높은조성식을선택하였다. 밝기등에관련하여, 기술적으로선정한조성은 boro silicate glass 조성으로비교적굴절률이높은 3가지조성을선정하였다. 2. 유리용융사용된시료로는 SiO 2, Al 2O 3, B 2O 3, BaCO 3, Na 2CO 3 powder를주원료로사용하였다. 배치에따라각각조성별로균질한혼합배치를위해 1시간동안볼밀혼합하였다. 전기로에서 135 에서 2분간알루미나도가니에용융하였다. 상온에서유리표면의 crack을방지하기위해, 용융된유리를 5 에서예열된카본도가니에부었다. 용융된유리는바로전기로 5 95
WISET 주니어과학기술논문집 에서 1시간어닐링하였다. 3. 렌즈제조형광체 (Yellow) 와제조한저연화점glass frit 을각각무게비로 9:1, 7:3의비율로혼합하고, 혼합한형광체와 glass frit과같은양의무게비에해당하는 paste용 binder를혼합하였다. 렌즈를제조하기위한기판으로는유리기판 (2cm 2cm) 을사용하였으며, 제조한 paste 형광체혼합물을유리기판에올려놓고유리막대로밀어 2 μm정도의코팅막을입힌다. 제조한코팅막은상온에서 1시간정도건조한후열처리하였다. 열처리조건은 65 까지시간당 1 로승온하고 65 에서 2시간유지한후같은속도로냉각하였다. 4. 유리특성관찰가. 전이점, 연화점측정용융된유리를표준시편인가로 세로 높이를각각 5mm 5mm 15mm 크기로연마하였다. Sample을 TMA (LINCES) 측정장비에장착하고, 1 /min 승온속도로 1 까지온도를올려전이점과연화점, 열팽창계수를확인하였다. meter (HORI BA) 로굴절률을측정하였다. 측정범위은 8 nm에서 2nm 까지측정하였다. 다. HAZE 측정제조된렌즈의투과광을관찰하기위해 HAZE 측정을하였다. HAZE (NIPPON DENSHOKU) 측정시광원은 555nm이다. 라. PL 측정제조된렌즈의형광특성을관찰하기위해 PL(PSI) 측정을하였다. Ⅲ. 결과및토론 1. 제조한유리표면 그림 3은 3조성으로설계한 glass를용융하여제조한시편의표면을나타내었다. 육안으로보았을때, 3가지모두투명하고기포가없는깨끗한상태를나타내었다. 나. 투과율, 굴절률측정 투과율을측정하기위해투과장비 (JASCO) 를사용하였다. 그림 3과같이유리시편을가로 세로 높이가각각 2mm 2mm 3mm로가공하였다. 투과율과같은시편을 Ellipso (a) 조성 1 (b) 조성 2 (c) 조성 3 그림 3. 용융된유리 96
고효율 LED 용렌즈및봉지재대체물질 glass 개발 2. 렌즈제조상태그림 4는형광체를포함한 paste를사용하여제조한렌즈의상태를나타내었다. 사진에서보면 (a) 는형광체와저연화점 glass가 9:1 wt% 비율로혼합되어코팅한렌즈이고, (b) 는 7:3 wt% 으로혼합되어코팅된렌즈이다. 두렌즈모두균일한표면을나타내어, glass 기판에형광체가균일하게도포되었다. CTE (X1-6 / o C) 9 8 조성 3 7 조성 1 6 조성 2 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Temperature( o C) 그림 5. 조성 1, 2, 3 의 TMA 측정 2) 렌즈두께측정 (a) 9:1 wt% (b) 7:3wt% 그림 4. 제조된렌즈 제조된렌즈의두께를확인하기위해알파스텝으로측정하였다. 형광체와 glass frit의비를 9:1 wt%, 7:3 wt% 로제조한경우막두께가각각 15.4μm, 13.3μm로측정되었다. 3. 유리의물리적특성 1) TMA 측정조성 1,2,3 유리의 TMA 측정결과를그림 4 에나태었다. 그림에서보면 SiO 2, Al 2O 3, B 2O 3 함량이각각 64%, 2.4%, 4.8% 인 H-B-1은전이점과연화점이각각 54.6, 64.2 이고, 열팽창계수는 46.6 ppm/ 이다. 조성 2의전이점, 연화점이 555.9, 615.7 이고, 열팽창계수가 4.E-6 이다. 조성 3의전이점, 연화점은 551.2, 62.1 으로측정되었다. 열팽창계수는 9.21E - 6 이다. 설계한조성에서 SiO 2 와 B 2 O 3 함량이많은조성 1이가장낮은연화점을나타내었다. 이는망목형성구조를가진 4. 유리의광특성조성설계한유리를 8nm에서 2nm영역까지투과율을측정해보았다. 그림 5에서보면가시광영역에서높은투과율을나타낼뿐만아니라 UV 영역 (25~4nm) 365nm에서각각 87.42%, 88.2%, 89.55% 의투과율을나타내어 9% 에가까운투과율을나타내었다. 기존에봉지재및렌즈에주로쓰이는 Silicone resin (Dow corning) 과비교해보았다. Silicone resin 이조성설계한 glass 보다투과율이떨어지는것을확인할수있다. Blue LED 뿐만아니라 UV-LED에서도높은투과율을나타낼수있다. 97
WISET 주니어과학기술논문집 1 3. H-B-2.6 8 2.5 Transmittance (%) 6 4 2 조성 1 조성 2 조성 3 Silicone resin n(refrective index) 2. 1.5.4.2. k 2 3 4 5 6 7 8 Wavelength (nm) 그림 5. 조성 1,2,3 의투과율 1. -.2.5 -.4 2 3 4 5 6 7 8 Wavelength (nm) (b) 조성 2 그림 6 에서와같이굴절률도같은영역에서 측정을한결과, UV 영역 (365nm) 에서각각 6 H-B-3 5 1.53, 1.51, 1.51로나타났다. 이는 UV 영역에서도고굴절률로인해 UV-LED가광추출효율을향상시킬수있음을알수있다. n(refrective index) 5 4 3 2 4 3 2 1 k n(refrective index) 3. 2.5 2. 1.5 H-B-1.6.4.2. K 1-1 2 3 4 5 6 7 8 Wavelength (nm) (C) 조성3 그림 6. 조성 1, 2, 3의굴절률 1. -.2.5 -.4 2 3 4 5 6 7 8 Wavelength (nm) (a) 조성 1 5. 렌즈의광특성제조된렌즈의광투과광을확인하기위해 HAZE 측정을하였다. 형광체와 glass frit의비를 9:1 wt%, 7:3 wt% 로제조한경우광투 98
고효율 LED 용렌즈및봉지재대체물질 glass 개발 과광은각각 44.46, 59.43% 로나타났다. 이는형광체의함량이더많은렌즈가막두께도두껍고투과광이낮게측정되었다. 그림 7. 에서 465nm의여기원에서형광체함량에따른 PL 스펙트럼의변화를나타내었다. 형광체가 9% 함유된렌즈의형광특성이 55nm 부근에서 7% 함유된렌즈보다발광세기가높은것으로확인되었다. 이는 Y3Al5O12 :Ce 형광체의농도가짙어짐에따라발광세기가증가한것으로생각된다. Intensity 35 3 25 2 15 9:1 7:3 냈고, UV 영역 (25~ 4nm) 으로이동할수록유리가실리콘보다높은투과율을나타낸다. 이는기존에사용되는실리콘레진보다제조된유리가봉지재로써좋은특성을나타낼것이라고예상된다. 또한유리조성의굴절률은제조한조성모두 1.5 이상의값을나타내었고, UV 영역 (365nm) 에서도각각 1.53, 1.51, 1.51로나타났다. 형광체를도포한렌즈의특성을관찰한결과, 형광체의함량이많은렌즈가 15.4μm로두께가더두껍고, 투과광은 44.46% 로낮게측정되었지만, 형광발광세기는더높게측정되었다. 위와같은실험결과, LED 봉지재및렌즈를유리로대체되었을때, 기존의실리콘이나에폭시의문제점을보완할수있다. 1 5 9:1wt% 7:3wt% 3 4 5 6 7 Wavelength(nm) 그림 7. 렌즈의형광특성 Ⅴ. 참고문헌 I. 송민재, 고출력LED 인캡슐런트용실리콘레진의경화공정중잔류응력발달에대한유한요소해석, 제 28권 2호, pp219-225, 한국정밀학학회지 (211) Ⅳ. 결론 설계한 1,2,3 조성은용융후육안상투명한상태로비교적높은투과율을나타내었다. 특히, UV 영역 (365nm) 에서투과율은 365nm에서각각 87.42%, 88.2%, 89.55% 의투과율을나타 Ⅱ. 학위논문 : 정구원 (23). 보석감별용굴절계의 Hemicylinder 용고굴절유리에관한연구. 석사학위논문. 동신대학교대학원. Ⅲ. Yin Cheng, Structure and crystallization of B 2 O Al 2 O 3 SiO 2 glasses, Physica B 44, 12 3 1234, (29) 99
WISET 주니어과학기술논문집 Ⅳ. 이지영, Sm 농도변화에따른백색LED용 ZnS:Mn,Sm 형광체의발광특성, Vol.24, No.1, pp 27-31, 전기전자재료학회논문지 (211) * 이연구는한국여성과학기술인지원센터 212 WISET 여대학 ( 원 ) 생팀제연구지원사업의지원을받아수행되었습니다. 1