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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 White LED PKGs의 원재료와 구조적 특성에 따른 Ea의 상관관계에 대하여 연구하였다. 연구에 사용된 대상 시료는 제조사가 다른 저출력급(20~60mA) White LED PKGs 7가지, 고출력급(450~700mA) 3가지 모델을 사용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 LED의 수명을 결정짓는 두 개의 미지수를 구하기 위하여 와 같이 세 개 조건의 온도 동작 시험을 설계하였다.
- 본 연구에서는 White LED PKGs의 원재료와 구조별 특성에 대한 Ea 의 상관관계를 조사하기 위하여 제조사가 다른 저출력급 7가지, 고출력급 3가지 모델을 과 같이 선정하였다.
제안 방법
- 그리고 에서 보여주는 바와 같이 LED 발광부는 항온조 내부에 전원공급부는 항온조 외부에 설치하여 시험을 진행하였고, 각 환경조건별 시료 수는 모델당 10개씩 와 같이 선정하였다.
- 그리고 온도외의 변수를 최소화하기 위하여 모든 시료들은 에서 보여주는 바와 같이 개별 정전류 보드를 통해 전원을 공급 받도록 설계 하였으며, LED PKGs의 고장 수명 기준인 L70 이후의 시료들을 대상으로 구조 및 원재료에 따른 Ea의 상관관계를 조사하였다.
- 이때 사용된 조건별 Tj는 실제 조명용 등기구 에 사용되는 LED의 동작 온도조건과 유사한 조건 및 조금 더 강한 조건이되, 동작 한계조건을 넘지 않는 범위에서 Tj1, Tj2, Tj3로 선정하였다. 대상 시료들은 매 100시간 마다 광학적, 전기적 특성 측정을 진행하였다. 그리고 온도외의 변수를 최소화하기 위하여 모든 시료들은 <그림 3>에서 보여주는 바와 같이 개별 정전류 보드를 통해 전원을 공급 받도록 설계 하였으며, LED PKGs의 고장 수명 기준인 L70 이후의 시료들을 대상으로 구조 및 원재료에 따른 Ea의 상관관계를 조사하였다.
- 대상제품들을 Tj1, Tj2, Tj3 ℃로 셋팅하여 100시간 간격으로 광속특성을 측정하여 L70을 기준으로 대표 수명값을 본 연구원내에서 제작한 프로그램 툴을 이용하여 과 와 같이 나타내었다.
- 그리고 <그림 5>에서 보여주는 바와 같이 LED 발광부는 항온조 내부에 전원공급부는 항온조 외부에 설치하여 시험을 진행하였고, 각 환경조건별 시료 수는 모델당 10개씩 <표 2>와 같이 선정하였다. 대상제품의 광속특성 측정 및 L70 데이터를 조사하기위하여 매 100시간 마다 DAS-110, Labsphere 장비를 활용하여 광속을 측정하였고 자체 제작한 2621A model, Keithley 제품이 장착된 I-V 트레이서를 사용하여 전기적 특성을 모니터링 하였다.
- LED 발광부는 항온조 내부에 전원공급부는 항온조 외부에 설치하여 시험을 진행하였고, 각 환경 조건별 시료 수는 모델당 10개씩 선정하였다. 대상제품의 광속특성 측정 및 L70 데이터를 조사하기위하여 매 100시간 마다 DAS-110, Labsphere 장비를 활용하여 광속을 측정하였고 자체 제작한 2621A model, Keithley 제품이 장착된 I-V 트레이서를 사용하여 전기적 특성을 모니터링 하였으며, 실험을 통하여 수명값을 산출하였다. 그 결과 얻어진 Ea와 모델별 원재료 및 구조적 특성과의 상관관계를 조사해 보았을 때, LED의 구조적인 특성보다는 재료적 특성에 따라 Ea의 그룹이 나눠짐을 확인할 수 있었다.
- (2009)). 또한 광속 열화의 주원인을 발열에 의한 LED PKG 유기물(충진재 등)의 탄화로 인한 투과율 및 반사율 저하로 규명하였다. 하지만 시험 조건인 주변온도(Ta)230℃ 조건은 플라스틱과 실리콘 같은 유기물의 상변화가 일어나는 범위로, 수명 예측의 관점에서는 의미를 찾기 어려운 조건이다.
- 본 연구에 사용된 White LED PKGs는 저출력(1W 미만)과 고출력(1W 이상)으로 구분 짓고 구조적 특성의 주요 인자가 되는 사이즈, 히트 슬러그의 유무, 열저항값을 조사하였고, 이와 더불어 원재료의 분류는 White LED PKGs의 열화에 밀접한 영향을 주는 형광체와 봉지재를 종류별로 분류 하였다.
- 본 연구에 사용된 White LED PKGs들은 장시간 시험에 따른 반복 측정 오차를 줄이고 재현성을 높이기 위하여 와 같이 동작시 발열이 낮은 저출력급 LED PKGs는 FR4 PCB, 동작시 발열이 높은 고출력 LED PKGs는 Metal PCB에 실장하여 자동화 광속 측정 시스템을 통해 광학적 특성을 조사하였고, 전원에 의한 타 시료의 간섭을 최소화하기 위하여 개별 정전류 보드를 제작하여 실험을 진행하였다.
- 연구에 사용된 대상 시료는 제조사가 다른 저출력급(20~60mA) White LED PKGs 7가지, 고출력급(450~700mA) 3가지 모델을 사용하였다. 시료별 Ea 산출을 위하여 아레니우스 모형을 기반으로 세 개 조건의 고온 동작 시험을 진행하였고 각 조건별 대상 시료의 시료 수는 10개씩이며, 조건 및 대상별 Tj는 Tj1, Tj2, Tj3로 표기 하였다. 실측에 따른 수명 값을 바탕으로 대상 시료의 Ea를 산출하였고, 이 값과 모델별 원재료 및 구조적 특성과의 상관관계를 조사하여 활성화 에너지의 재료별 특성 영향에 대한 정형화에 대하여 분석 하였다.
- )의 상관관계에 대하여 연구하였고 연구에 사용된 대상 시료는 제조사가 다른 저출력급 White LED PKGs 7가지, 고출력급 3가지 모델을 사용하였다. 시료별 Ea 산출을 위하여 아레니우스 모형을 기반으로 세 개 조건의 고온 동작 시험을 진행하였고, 안정적인 Tambient 환경을 위하여 세 개의 항온조(SE-CT-10, Suksan)를 사용하여 Tj1, Tj2, Tj3 ℃로 셋팅하였다. LED 발광부는 항온조 내부에 전원공급부는 항온조 외부에 설치하여 시험을 진행하였고, 각 환경 조건별 시료 수는 모델당 10개씩 선정하였다.
- 시료별 Ea 산출을 위하여 아레니우스 모형을 기반으로 세 개 조건의 고온 동작 시험을 진행하였고 각 조건별 대상 시료의 시료 수는 10개씩이며, 조건 및 대상별 Tj는 Tj1, Tj2, Tj3로 표기 하였다. 실측에 따른 수명 값을 바탕으로 대상 시료의 Ea를 산출하였고, 이 값과 모델별 원재료 및 구조적 특성과의 상관관계를 조사하여 활성화 에너지의 재료별 특성 영향에 대한 정형화에 대하여 분석 하였다. 연구 결과 White LED PKGs의 Ea 값을 결정하는 요인으로는 LED PKGs의 구조적인 특성보다는 재료적인 특성이 더 영향을 미침을 확인 할 수 있었고 재료적 특성중 형광체의 종류에 따라 YAG 계열의 경우 활성화 에너지는 0.
- 안정적인 Tambient 환경을 위하여 세 개의 항온조(SE-CT-10, Suksan)를 사용하여 Tj1, Tj2, Tj3 ℃(25℃, 70℃, 90℃)로 세팅하였다. 그리고 <그림 5>에서 보여주는 바와 같이 LED 발광부는 항온조 내부에 전원공급부는 항온조 외부에 설치하여 시험을 진행하였고, 각 환경조건별 시료 수는 모델당 10개씩 <표 2>와 같이 선정하였다.
대상 데이터
- 시료별 Ea 산출을 위하여 아레니우스 모형을 기반으로 세 개 조건의 고온 동작 시험을 진행하였고, 안정적인 Tambient 환경을 위하여 세 개의 항온조(SE-CT-10, Suksan)를 사용하여 Tj1, Tj2, Tj3 ℃로 셋팅하였다. LED 발광부는 항온조 내부에 전원공급부는 항온조 외부에 설치하여 시험을 진행하였고, 각 환경 조건별 시료 수는 모델당 10개씩 선정하였다. 대상제품의 광속특성 측정 및 L70 데이터를 조사하기위하여 매 100시간 마다 DAS-110, Labsphere 장비를 활용하여 광속을 측정하였고 자체 제작한 2621A model, Keithley 제품이 장착된 I-V 트레이서를 사용하여 전기적 특성을 모니터링 하였으며, 실험을 통하여 수명값을 산출하였다.
- 본 논문에서는 White LED PKGs의 원재료와 구조적 특성에 따른 활성화 에너지(Ea)의 상관관계에 대하여 연구하였고 연구에 사용된 대상 시료는 제조사가 다른 저출력급 White LED PKGs 7가지, 고출력급 3가지 모델을 사용하였다. 시료별 Ea 산출을 위하여 아레니우스 모형을 기반으로 세 개 조건의 고온 동작 시험을 진행하였고, 안정적인 Tambient 환경을 위하여 세 개의 항온조(SE-CT-10, Suksan)를 사용하여 Tj1, Tj2, Tj3 ℃로 셋팅하였다.
- 의 상관관계에 대하여 연구하였다. 연구에 사용된 대상 시료는 제조사가 다른 저출력급(20~60mA) White LED PKGs 7가지, 고출력급(450~700mA) 3가지 모델을 사용하였다. 시료별 Ea 산출을 위하여 아레니우스 모형을 기반으로 세 개 조건의 고온 동작 시험을 진행하였고 각 조건별 대상 시료의 시료 수는 10개씩이며, 조건 및 대상별 Tj는 Tj1, Tj2, Tj3로 표기 하였다.
- 이때 사용된 조건별 Tj는 고온환경/ 정격 전류 조건 동작 시 열적 포화 상태를 확인하기 위하여 Cathode(Tc)의 온도를 측정하였고, 측정한 Tc의 온도, 초기시료의 열저항 값을 식(6)에 대입하여 정션온도(Tj)를 구한 결과를 통하여 고온 환경에서 본 PKG의 Tj를 선정하였다. 이때 사용된 조건별 Tj는 실제 조명용 등기구 에 사용되는 LED의 동작 온도조건과 유사한 조건 및 조금 더 강한 조건이되, 동작 한계조건을 넘지 않는 범위에서 Tj1, Tj2, Tj3로 선정하였다. 대상 시료들은 매 100시간 마다 광학적, 전기적 특성 측정을 진행하였다.
이론/모형
- 을 기준으로 대표 수명값을 본 연구원내에서 제작한 프로그램 툴을 이용하여 <표 3>과 <표 4>와 같이 나타내었다. White LED PKGs의 Ea 산출은 LED 의 수명예측에 가장 적합한 온도와 수명간의 함수인 아레니우스 모형에 따라 진행하였다. 그 결과 얻어진 Ea와 모델별 원재료 및 구조적 특성과의 상관관계를 조사해 보았을 때, LED의 구조적인 특성보다는 재료적 특성에 따라 Ea의 그룹이 나눠짐을 확인할 수 있었다.
- 본 연구의 주목적인 White LED PKGs의 Ea는 아래의 식(1) ∼ (4)에서 보여주는 바와 같이 일반적으로 LED의 수명예측에 사용되는 아레니우스 모형을 활용하여 역산하였다.
성능/효과
- White LED PKGs의 Ea 산출은 LED 의 수명예측에 가장 적합한 온도와 수명간의 함수인 아레니우스 모형에 따라 진행하였다. 그 결과 얻어진 Ea와 모델별 원재료 및 구조적 특성과의 상관관계를 조사해 보았을 때, LED의 구조적인 특성보다는 재료적 특성에 따라 Ea의 그룹이 나눠짐을 확인할 수 있었다. 시험에 사용된 대상 모델에 한해서 일반적으로 YAG 계열의 형광체를 사용한 White LED PKGs의 Ea 값은 약 0.
- 본 논문의 연구 결과 White LED PKGs의 Ea 값을 결정하는 요인으로는 LED PKGs의 구조적인 특성보다는 재료적인 특성이 더 영향을 미침을 확인 할 수 있었고 재료적 특성중 형광체의 종류에 따라 YAG 계열의 경우 0.21∼0.25 [eV]로 Silicate 계열의 0.12∼0.16[eV]보다 다소 높은 경향을 확인할 수 있었고, 향후 각 계열별 형광체 열화의 검증시험을 통하여 본 논문에서 도출한 결과의 정확도를 높일 계획이다.
- 시험에 사용된 대상 모델에 한해서 일반적으로 YAG 계열의 형광체를 사용한 White LED PKGs의 Ea 값은 약 0.21~0.25 [eV]를 나타내는 반면, Silicate 계열의 형광체를 사용한 White LED PKGs의 Ea 값은 약 0.12~0.167 [eV]가량으로 YAG 계열에 비해 다소 낮은 값을 나타내는 것을 를 통해 확인 할 수 있었다.
- 실측에 따른 수명 값을 바탕으로 대상 시료의 Ea를 산출하였고, 이 값과 모델별 원재료 및 구조적 특성과의 상관관계를 조사하여 활성화 에너지의 재료별 특성 영향에 대한 정형화에 대하여 분석 하였다. 연구 결과 White LED PKGs의 Ea 값을 결정하는 요인으로는 LED PKGs의 구조적인 특성보다는 재료적인 특성이 더 영향을 미침을 확인 할 수 있었고 재료적 특성중 형광체의 종류에 따라 YAG 계열의 경우 활성화 에너지는 0.21 ~ 0.25[eV]로 Silicate 계열의 0.12 ~ 0.16 [eV]보다 다소 높은 경향을 확인할 수 있었다.
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