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LED는 교통 신호등, 디스플레이, 조명과 같은 분야에서 저전력, 작은 크기, 긴 수명 등의 장점으로 널리 사용되고 있다. 최근 마이크로 LED와 같이 크기는 작으면서 고출력이 요구되면서, 동시에 야외 환경 등 사용 분야가 확장됨에 따라 고온과 UV와 같은 열악한 환경에 노출되고 있다. 이에 따라 산업계에서 LED를 선택하기 위한 여러 가지 고려 사항 중 방열 설계[10]와 수명 등 LED의 신뢰성에 관한 사항의 중요성이 증가하게 되었다.

그림 1은 LED의 신뢰성에 영향을 미치는 LED 패키지의 구조와 구성 물질의 일반적인 사례를 보여준다. 먼저, 세라믹 또는 플라스틱 패키지 안에 LED 칩을 접착하고 Wire와 연결 후, 높은 결합 에너지를 갖는 Silicon(Si)과 Oxygen(O)의 Siloxane 결합으로 구성된 실리콘 소재의 충진재가 LED 칩 주위에 채워진다 [3]. 이후, 외부의 전원을 연결하기 위한 전극이 형성된 금속 PCB(Printed Circuit Board) 위에 접착되는 형태로 LED 패키지가 제작된다. LED 패키지의 구성 물질 중 LED 칩과 Wire을 둘러싼 실리콘 충진재는 먼지, 충격 등 외부 요인으로부터 LED 칩과 Wire을 보호하고, 일반적으로 형광체와 함께 사용되어 LED 칩으로부터 생성된 광의 파장 변환 및 방출을 위해 광학적으로 높은 투과율이 요구된다. 그러나, 실리콘 충진재를 LED 패키지에 적용한 상태로는 실리콘 충진재 자체의 투과율 측정이 불가능하므로, 소재 자체를 투과율 측정이 가능한 형태의 샘플로 제작하여 시험할 필요가 있다.

Fig. 1. 
Structure and materials of LED package

LED 패키지의 신뢰성 확보를 위해서는 여러 가지 신뢰성 시험에도 실리콘 충진재의 투과율이 일정하게 유지되어야 하므로, 실리콘 충진재의 신뢰성은 주로 투과율을 변화시킬 수 있는 고온 시험이나 UV 노출 시험 등의 신뢰성 시험을 통해 평가된다 [3]. 참고문헌 [3]에서는 충진재로 사용되는 3가지 소재, 에폭시, 고굴절률(RI, Refractive Index) 실리콘, 그리고 저자가 개발한 고성능 실리콘을 2mm 막대 형태의 샘플로 제작하여 각각 480 시간동안 120°C 고온 시험, UV 노출 시험, 120°C 고온-UV 복합 시험을 수행하고 투과율의 변화를 관찰하였으며, 충진재를 LED 패키지에 적용하여 상온에서 350mA, 1,500시간의 동작 시험을 통해 LED 패키지의 광출력 변화를 분석하였다. 그림 2는 각각 3가지 소재의 충진재에 대한 120°C 고온-UV 복합 시험 수행 중 상대적인 투과율 손실을 보여준다. 그림 2의 X축은 고온-UV 복합 시험의 시험시간, Y축은 460nm에서 충진재의 초기 투과율 대비 상대적인 손실을 %로 나타낸다. 저자가 개발한 고성능 실리콘의 경우, 투과율 손실이 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 그림 2에서는 충진재 샘플들의 투과율을 460nm에서만 측정하였고, 투과율 손실의 원인을 분석하지 않았다. 그리고, 고온-UV 복합 시험도 LED 패키지에서 나오는 광이 아닌 (300~400)nm 대역의 UV 램프를 사용한 한계가 있다. 그러므로, 이러한 한계들을 개선한 복합 시험이 요구된다.

Fig. 2. 
Example of relative transmittance loss[3]

또한, LED 패키지의 수명에 고온뿐만 아니라 LED 패키지 자체의 광출력도 영향을 주는 것으로 판단되는 상용 제품의 신뢰성 자료가 발표되었다 [9]. 그림 3은 참고문헌 [9]에서 LED 패키지의 동작 전류(Forward current)에 따른 LED 칩의 접합 온도(Junction temperature)에서의 수명을 보여준다. 접합 온도에 따라 LED 패키지의 수명에 차이가 나타나는데, 임의의 접합 온도에서는 동작 전류가 높을수록 수명이 감소하는 경향을 보여준다. 일반적으로 동작 전류가 증가하면, LED 패키지의 광출력도 증가하므로, LED 패키지의 광출력이 LED 패키지의 수명에 영향을 주는 것으로 판단된다.

Fig. 3. 
Example of lifetime of LED package[9]

본 논문에서는 참고문헌 [3]의 한계를 극복하고 고온 환경과 LED 패키지의 광출력이 실리콘 충진재와 LED 패키지의 신뢰성에 주는 영향을 파악하기 위해, 투과율 측정이 가능하도록 직경 30mm인 원통 형태의 실리콘 충진재 샘플을 제작하여, 고온 시험과 고온-광 복합 시험을 수행한다. 표 1은 선택된 실리콘 충진재의 물성을 나타낸다. 그림 4는 제작된 실리콘 충진재 샘플을 보여준다.

Fig. 4. 
Silicone encapsulant sample

추가로, 그림 5는 고온-광 복합 시험을 위해 제작된 LED 패키지를 보여준다. LED 패키지는 고온-광 복합 시험과 실리콘 충진재 유무에 따른 광출력의 비교를 위해, 그림 1과 같이 실리콘 충진재가 적용된 것과 그림 6과 같이 실리콘 충진재가 없는 것을 함께 제작한다. 그림 7은 X축은 파장, Y축은 광출력의 상대적인 세기로 제작된 LED 패키지의 광스펙트럼을 나타내며, 중심파장은 445nm이다.

Fig. 5. 
LED package sample

Fig. 6. 
LED package without silicone encapsulant

Fig. 7. 
Optical spectrum of LED package

본 논문에서는 실리콘 충진재와 LED 패키지에 대한 고온 시험과 고온-광 복합 시험에 필요한 시험 지그를 제안한다. 그림 8은 제안한 시험 지그의 개념을 나타낸다. 시험 지그는 LED 패키지에 350mA의 동작 전류를 인가할 수 있고, LED 패키지에서 나온 광이 실리콘 충진재에 도달할 수 있도록 설계한다.

Fig. 8. 
Proposed test jig

고온-광 복합 시험의 유효성을 입증하기 위한 일반적인 고온 시험을 먼저 수행한다. 실리콘 충진재에 대한 고온 시험을 85°C 와 120°C에서 총 1,000시간 수행한다. 고온 시험 중 250시간마다 시험을 일시 중단하고 실리콘 충진재의 투과율을 측정한다.

그림 9는 고온 시험 중 실리콘 충진재의 투과율 측정 결과로 X축은 파장, Y축은 투과율을 나타낸다. 그림 9(a)인 85°C 시험보다 그림 9(b)인 120°C 시험에서 (300~400)nm 대역의 투과율이 감소한다. 이는 85°C 정도의 고온에는 실리콘 충진재가 안정되나, 120°C 이상의 고온에 1,000시간 이상 노출되면 실리콘 충진재에서 열화가 진행되는 것으로 판단된다.

Fig. 9. 
Transmittance in high-temperature test

실리콘 충진재에 대한 고온-광 복합 시험을 고온 시험과 동일하게 85°C 와 120°C에서 총 1,000시간 수행한다. 그림 10은 고온-광 복합 시험의 모습으로 고온을 유지할 수 있는 항온 Chamber 안에 위치한 시험 지그에서 LED 패키지의 청색광이 실리콘 충진재 샘플 밑에서 방출되는 모습을 보여준다. 고온-광 복합 시험 중 250시간마다 시험을 일시 중단하고 UV-VIS 분광기로 실리콘 충진재의 투과율 측정한다.

Fig. 10. 
Picture of combined HTLT

그림 11은 고온-광 복합 시험 중 실리콘 충진재의 투과율 측정 결과로 X축은 파장, Y축은 투과율을 나타낸다. 측정 결과, 그림 11(a)인 85°C 시험보다 그림 11(b)인 120°C 시험에서 (300~400)nm 대역의 투과율이 초기 대비 현저히 감소한다. 이는 120°C 이상의 고온 환경에서 LED 패키지에서 방출되는 광이 (300~400)nm 대역의 투과율의 열화를 촉진하는 것으로 추론된다. 이와 같이 투과율 스펙트럼 측정 방법은 참고문헌 [3]에서 그림 2와 같이 460nm에서만 측정한 투과율의 변화에서는 관찰되지 않은 한계를 개선한 방법으로 본 논문에서 제시한다.

Fig. 11. 
Transmittance in combined HTLT

실리콘 충진재에 대한 고온 시험과 고온-광 복합 시험의 결과를 재료적으로 분석하고자 Raman 분석을 수행한다. Raman 분석은 Wavenumber에 따른 진동수를 나타내는 Raman 스펙트럼을 통해 분자의 결합 강도를 측정할 수 있다.

그림 12는 Raman 분석 결과인 Raman 스펙트럼으로 X축은 Wavenumber, Y축은 상대적인 결합 강도를 보여준다. 그림 12(a)는 85°C 고온 시험에서 실리콘 충진재의 초기 샘플과 시험 종료 후의 샘플의 Raman 스펙트럼을 비교한 것으로, 시험 전과 후에 CC결합이나 C-H 결합의 결합 강도에 차이가 거의 없다. 이는 그림 9(a)에서와 같이 투과율의 변화가 거의 없는 결과와 일치한다. 그림 12(b)는 120°C 고온 시험과 120°C 고온-광 복합 시험에서 각각 시험 종료 후 실리콘 충진재 샘플들의 Raman 스펙트럼을 비교한 것으로, 그림 12(a)에 비해 CC결합이나 C-H 결합의 결합 강도가 급격히 증가한다. 고온에 의해서는 거의 변하지 않았던 CC결합이나 C-H 결합의 결합 강도가, 고온-광 복합 시험으로 급격히 증가한 것은 LED 패키지에서 방출되는 광에 의한 영향으로 판단된다. 또한, 고온-광 복합 시험에서 CC결합이나 C-H 결합의 결합 강도가 증가한 것이 실리콘 충진재에서 광의 투과를 방해하게 되어, 그림 11(b)에서와 같이 (300~400)nm 대역의 투과율이 급격히 감소하는 결과로 나타난 것으로 추론된다.

Fig. 12. 
Results of Raman analysis

본 논문에서는 LED 패키지에 사용되는 실리콘 충진재에 대해, 실제 사용 환경과 유사한 복합 스트레스 환경으로 고온-광 복합 시험을 제안하여, 효과적인 가속시험법으로 제시한다.