[논문]그래핀을 적용한 고출력 반도체 광원의 열특성 분석

지병관; 오범환

doi:10.3807/kjop.2015.26.3.168

초록
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고출력 반도체 광원의 열유동 특성을 분석하고, 열전달 병목지점을 파악하여 열저항을 개선하는 방안을 도출하고, 전산모사를 통하여 개선 효과를 확인하였다. 띠구조 활성층을 가진 LD 광원의 경우에 발열부의 부피가 작을 뿐 아니라 발열면적이 좁아서 발열부 근처의 열전달 유효단면적이 매우 좁을 수 밖에 없는데, 이 부근의 경계면에 그래핀층을 추가적으로 적용하면 전체 열저항이 확연히 개선되는 것이 전산모사 되었다. 이는 열전달 경로상의 유효단면적이 넓어지는 효과를 가져와 전체 열저항이 확연히 개선되는 것으로 파악되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The heat flow characteristics of a high-power optical semiconductor source have been analyzed using a 3D CFD commercial tool, and the thermal resistance values for each of the layers revealed the places for thermal bottlenecks to be improved. As the heat source of a LD (Laser Diode) has a small volu...

The heat flow characteristics of a high-power optical semiconductor source have been analyzed using a 3D CFD commercial tool, and the thermal resistance values for each of the layers revealed the places for thermal bottlenecks to be improved. As the heat source of a LD (Laser Diode) has a small volume and a narrow surface, the effective thermal cross-sectional area near it is also quite small. It was possible to expand the cross-sectional area effectively by using graphene layers on the TIM (Thermal Interface Material) layers of a LD chip. The effective values of heat resistance for the layers are compared to confirm the improvement effect of the graphene layers before and after, which can be considered to expand the thermal cross section of the heat transfer path.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상용 CFD 전산모사를 이용해 고출력 반도체 광원의 열전달 특성을 분석하고 기능 저하의 주요원인을 파악해 주어진 소자에서 효율적인 방열 대책을 제시하였다.

가설 설정

2. Simulated temperature distribution on a cutting plane for a LD of (a) Basic LD (b) LD graphened.
각 층별 유효열저항의 단순근사식 수치와 전산모사 도출 수치는 Table 2의 두 행에 비교하여 나타내었다. 단순근사식 결과는 Fig. 1에 나온 LD의 열전달 경로를 단순화하여 각 층의 전체 면적을 열전달 경로로 가정하였다. 단순한 열저항 산출에 주로 사용되는 소자의 단면적은 실제 열전달 면적과 많이 다를 수 있으며 활성층 면적이 좁거나, 각 열전달 경로상의 면적차이가 클수록 차이를 크게 보인다.
1과 같고, 이에 대하여 열흐름을 전산모사하여 방열특성을 분석하였다. 전산모사에 사용된 각 부분의 열전도도와 길이는 Table 1과 같으며, LD 활성층의 발열량은 통상 ~10W급의 고출력 LD를 가정하여 7W, 주변부의 온도는 20℃로 두었다. (CFD(Computational Fluid Dynamics) Ansys ICEPAK 이용, 정상 상태 자연대류 조건, 정사각 해석영역 5,000×5,000 um², 총 격자수 약 7만개)

제안 방법

여기서 k(W/m·K)는 열전도도, A는 구조체의 단면적(열전달 경로상의 유효단면적), L은 구조체의 높이(열전달 경로상의 길이)이다. 고출력 LD 광원의 전형적인 구조는 Fig. 1과 같고, 이에 대하여 열흐름을 전산모사하여 방열특성을 분석하였다. 전산모사에 사용된 각 부분의 열전도도와 길이는 Table 1과 같으며, LD 활성층의 발열량은 통상 ~10W급의 고출력 LD를 가정하여 7W, 주변부의 온도는 20℃로 두었다.
고출력 반도체 광원인 LD를 대상으로 열전달 특성을 고찰하고, 전산모사 결과를 바탕으로 단순 열저항 모델과 비교하여 병목현상이 심한 부분을 파악하여 개선안을 도출하였다. 발열부 근처일수록 열저항의 단순근사 예상치가 전산모사 결과치와 큰 차이를 보였으며, 이는 열전달 경로 상의 유효한 열단면적이 기대치보다 작아지게 되기 때문으로 파악되었다.
발열부 근처일수록 열저항의 단순근사 예상치가 전산모사 결과치와 큰 차이를 보였으며, 이는 열전달 경로 상의 유효한 열단면적이 기대치보다 작아지게 되기 때문으로 파악되었다. 따라서, 그래핀을 각 층의 접합부에 적용하여 열전달 유효단면적을 개선하는 효과를 전산모사적으로 분석하였다. 전체 열저항은 기존의 4.
그래핀을 각 경계층의 상단부에 적용하면, 수평 방향으로 열전도도가 높으므로 등온선이 보다 평탄화될 것을 기대할 수 있고, 열전달 경로상의 유효단면적이 넓어질 것으로 기대된다. 본 전산모사에서는 편의상 그래핀의 두께를 1 um로 설정하여, 단순근사수치와 전산모사수치가 크게 차이가 나는 총 3개의 경계면 부분(InP/첫Au-Sn경계, 첫Au-Sn/SiC경계, 2째Au-Sn/Cu경계)에 그래핀을 적용해보는 전산모사를 수행하였다.
이를 위해 이방성의 열전도도를 가진 그래핀(Graphene, k(vertical)= ~10, k(horizontal)=~1000 W/m·K)[6]을 적용하는 방안을 제시한다.

성능/효과

2(b)와 비교하여 나타내었다. Figure 2(a)의 온도 분포와 등온선의 모양에서 보듯이, 실제 열전달은 타원과 유사한 등고선으로 전달 되므로, 각 층의 전체 면적을 고려한 단순근사식과는 다르게, 유효한 열전달 단면적이 작아 유효열저항이 커지는 것으로 판단할 수 있다.
각 층에서 개선된 열저항 수치를 유효단면적의 개선으로 환산해보면, 첫Au-Sn층은 253%, SiC층은 214%, 2째Au-Sn층은 113%, Cu층은 120% 정도로 개선된 것으로서 발열부 근처에서 특히 효과가 좋은 개선책 임을 알 수 있다. InP층은 그래핀 적용으로 인해 오히려 유효단면적이 다소 감소하였지만 그 기여가 적고, 나머지 층에서는 유효 단면적이 크게 증가하여 최종적으로 열저항이 상당히 개선되었다.
그래핀을 모든 경계면에 적용한 패키지의 전체 열저항은 적용 전의 전체 열저항 4.37 K/W에서 2.9 K/W(66% 수준)로 줄어, 패키지의 열전달 특성이 34%(1.47 K/W 감소)나 대폭 개선된 것을 확인할 수 있다. Figure 2(a)에서 보이는 그래핀 적용 전의 열분포 등고선은 발열부 바로 하단의 SiC층에서 타원형 모양으로 나타나 있는 반면, 그래핀 적용 후의 Fig.
고출력 반도체 광원인 LD를 대상으로 열전달 특성을 고찰하고, 전산모사 결과를 바탕으로 단순 열저항 모델과 비교하여 병목현상이 심한 부분을 파악하여 개선안을 도출하였다. 발열부 근처일수록 열저항의 단순근사 예상치가 전산모사 결과치와 큰 차이를 보였으며, 이는 열전달 경로 상의 유효한 열단면적이 기대치보다 작아지게 되기 때문으로 파악되었다. 따라서, 그래핀을 각 층의 접합부에 적용하여 열전달 유효단면적을 개선하는 효과를 전산모사적으로 분석하였다.
따라서, 그래핀을 각 층의 접합부에 적용하여 열전달 유효단면적을 개선하는 효과를 전산모사적으로 분석하였다. 전체 열저항은 기존의 4.37 K/W에서 2.9로 감소되어 34%나 개선되었으며, 유효단면적으로 환산하면 층별로 약 250~120%의 증가효과를 보였다.

후속연구

고출력 반도체 광원의 발열부 근처의 경계면에 그래핀을 선택적으로 적용함으로써 방열특성을 대폭 개선하게 되므로, 광원 패키지 제작에 있어서의 경제성과 기능성을 크게 개선시키는 방안으로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이는 고출력 광원 외에도 방열 개선이 필요한 각종 반도체 소자에도 적용이 가능한 방안으로 기대된다.
이를 위해 이방성의 열전도도를 가진 그래핀(Graphene, k(vertical)= ~10, k(horizontal)=~1000 W/m·K)^[6]을 적용하는 방안을 제시한다. 그래핀을 각 경계층의 상단부에 적용하면, 수평 방향으로 열전도도가 높으므로 등온선이 보다 평탄화될 것을 기대할 수 있고, 열전달 경로상의 유효단면적이 넓어질 것으로 기대된다. 본 전산모사에서는 편의상 그래핀의 두께를 1 um로 설정하여, 단순근사수치와 전산모사수치가 크게 차이가 나는 총 3개의 경계면 부분(InP/첫Au-Sn경계, 첫Au-Sn/SiC경계, 2째Au-Sn/Cu경계)에 그래핀을 적용해보는 전산모사를 수행하였다.
고출력 반도체 광원의 발열부 근처의 경계면에 그래핀을 선택적으로 적용함으로써 방열특성을 대폭 개선하게 되므로, 광원 패키지 제작에 있어서의 경제성과 기능성을 크게 개선시키는 방안으로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이는 고출력 광원 외에도 방열 개선이 필요한 각종 반도체 소자에도 적용이 가능한 방안으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 광원과 달리 고출력 반도체 광원은 어떤 문제점이 있는가?	특히, 고출력 광원인 백열등, 할로겐 램프, 방전 램프 등을 대체하면서 반도체 광원에서도 높은 광출력이 요구되고 있다. 기존의 광원과 달리 고출력 반도체 광원은 작은 부피의 활성영역에서 열이 발생하고, 좁은 열단면적을 갖는 발열부 근처에서는 단순 방열기대치보다는 방열이 원할하지 않아 국부적 온도가 높아질 수 있으며, 이는 광효율 감소, 패키지 소재의 열화 및 수명 감소 등의 문제를 발생시킬 수 있다. 즉, 고출력 반도체 광원에서 방열 특성은 수명과 신뢰성에 직접적으로 연관되므로, 방열 문제를 효과적으로 해결하기 위한 연구가 다방면으로 진행되고 있다.
	고출력 반도체 광원인 LD의 전산모사 결과, 발열부 근처일수록 열저항의 단순 근사 예상치가 전산모사 결과치와 큰 차이를 보인 이유는 무엇인가?	고출력 반도체 광원인 LD를 대상으로 열전달 특성을 고찰하고, 전산모사 결과를 바탕으로 단순 열저항 모델과 비교하여 병목현상이 심한 부분을 파악하여 개선안을 도출하였다. 발열부 근처일수록 열저항의 단순근사 예상치가 전산모사 결과치와 큰 차이를 보였으며, 이는 열전달 경로 상의 유효한 열단면적이 기대치보다 작아지게 되기 때문으로 파악되었다. 따라서, 그래핀을 각 층의 접합부에 적용하여 열전달 유효단면적을 개선하는 효과를 전산모사적으로 분석하였다.
	고출력 반도체 광원의 방열 특성을 개선하기 위한 방법은 무엇인가?	고출력 반도체 광원의 방열특성을 개선하기 위해, 전도성 기판 위에 소자를 수직구조로 설계하는 방법 [4] 과, 각 층의 열저항을 최소화하는 구조의 패키지 설계 방법 [5] 이 복합적으로 사용 되고 있다. 수직구조로 설계된 광소자의 발열부에서는 주로 전도효과가 방열 성능을 가늠하므로 소재의 열전도도와 경계면적이 클수록 방열 특성이 좋아지겠지만, 활성층 면적이 좁고 고출력인 경우에 열흐름은 구조 전체를 효율적으로 이용하지 못하므로 단순 예상치보다 열저항이 높고 국부 온도가 높아져서 성능 저하가 심하다.

참고문헌 (7)

R.-H. Horng, K.-C. Shen, Y.-W. Kuo, and D.-S. Wuu, "GaN light emitting diodes with wing-type imbedded contacts," Opt. Express 21, A1-A6 (2013).

상세보기
C. Tsou and Y.-S. Huang, "Silicon-based packaging platform for light-emitting diode," IEEE Transactions on Advanced Packaging 29, 607-614 (2006).

상세보기
L. Yin, L. Yang, W. Yang, Y. Guo, K. Mac, S. Li, and J. Zhang, "Thermal design and analysis of multi-chip LED module with ceramic substrate," Solid-State Electronics 54, 1520-1524 (2010).

상세보기
C. Weng, "Advanced thermal enhancement and management of LED packages," International Communications in Heat and Mass Transfer 36, 245-248 (2009).

상세보기
M. arik, C. Becker, S. Wever, and J. Petroski, "Thermal management of LEDs: package to system," Proc. SPIE 5187, 64-75 (2004).
E. Pop, V. Varshney, and A. K. Roy, "Thermal properties of graphene: Fundamentals and applications," MRS BULLETIN 37, 1273-1281 (2012).

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D. D. L. Chung, "Materials for thermal conduction," Applied Thermal Engineering 21, 1593-1605 (2001).

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