차세대 LED조명시스템의 기술현황및신뢰성과제pds12.egloos.com/pds/200904/14/46/next_LED.pdf · 차세대LED조명동향 ≫광원의형태 열방출 전기방출

차세대 LED조명시스템의기술현황 및 신뢰성 과제

2008. 12.

한국조명기술연구소한국조명기술연구소

차 례차 례

1 차세대 LED조명 동향1. 차세대 LED조명 동향

2 LED 열화∙불량 메커니즘2. LED 열화∙불량 메커니즘

3 일반조명 대체형시스템의 기술현황3. 일반조명 대체형시스템의 기술현황

4 차세대 LED조명시스템의 보급 확대방안4. 차세대 LED조명시스템의 보급 확대방안

한국조명기술연구소

차세대 LED조명 동향차세대 LED조명 동향

≫ 광원의 형태

열 방출 전기 방출 발광

태양

Radiation fromcrystals

태양

번개

반딧불

자연 광원상응하는자연 광원

없음번개

백열등

형광물질 없는 형광램프 다이오드,진공관형광물질 없는

수은램프

메탈 할라이드 램프텅스텐 할로겐 램프

인공광원

형광램프

형광물질 포함된

수은 램프

다이오드,진공관

나트륨 램프텅스텐 할로겐 램프

한국조명기술연구소 1

차세대 LED조명 동향차세대 LED조명 동향

≫ 미래조명 4대 트렌드

에너지에너지 친환경성조명선택의친환경성

조명선택의인간 친화적인간 친화적

컨버젼스화의컨버젼스화의

미래 명 대 렌

절약기능강조

절약기능강조

조명선택의기준

조명선택의기준

감성조명진화

감성조명진화

컨버젼스화의진전

컨버젼스화의진전

→ 백열전구판매금지 등

→ RoHS, WEEE, 저탄소 배출권녹색조명 등

→ 바이오, 생체리듬, 색온도-연색성

→ 무선, 네트워크, 센서, 콘트롤러디지털제어 등

고효율화장수명화

녹색조명 등 색온도 연색성연출

디지털제어 등

LED 조명의 급부상LED 조명의 급부상


LED 조명의 급부상LED 조명의 급부상

2

차세대 LED조명 동향

≫ 조명용 광원 개발주기


≫ 조명용 광원 개발주기



≫ 국내∙외 LED조명 추진 현황


- 한국 : 지식경제부 주도 『LED조명 15/30 보급 프로젝트』및 『LED조명

표준화 3개년』및 저탄소 녹색조명을 위한 신성장동력산업으로 선정추진

- 미국 : DOE 『Multi-year Program Plan FY’08-FY’13 』에 Solid State

Lighting Research and Development 포함 및 SSL CALiPER g g p

Program 추진

- 일본 : 교토의정서 기후협약 및 그린 구입법을 근거로 Cool Earth 실현목표로일본 : 교토의정서 기후협약 및 그린 구입법을 근거로 Cool Earth 실현목표로

LED조명 보급 추진 중

중국 : 『5개지역 국가반도체조명 산업화기지 지정 육성 국가경제개발계획에- 중국 : 『5개지역 국가반도체조명 산업화기지』지정 육성.국가경제개발계획에

반도체조명산업 육성 포함

대만 『차세대 광원 컴소시엄 3단계 사업을 추진 중


- 대만 :『차세대 광원 컴소시엄』3단계 사업을 추진 중

4


≫ LED조명 세계 시장전망


( )

구 분 2008 2010 2012 2015 연평균성장율

(억달러, %)

구성장율

형광램프 375 453 532 695 9

백열전구 678 662 629 497 4

LED 34 110 221 463 45

계 1087 1225 1382 1655 6

자료 : Philips W (2007) OIDA Market forecast for SSL


자료 : Philips.W.(2007) OIDA Market forecast for SSL

5


≫ 응용분야별 LED시장 비중


구 분 2007 2008 2009 2010 2011

≫ 응용분야별 LED시장 비중( % )

휴대폰 13 11 9 7 6

노트북 0.6 0.8 0.8 0.6 0.5노트북 0.6 0.8 0.8 0.6 0.5

모니터 0.2 0.9 0.9 0.7 0.6

LCD TV 0 1 2 4 4 4LCD TV 0.1 2 4 4 4

자동차 9 9 10 12 12

일반조명 12 13 14 16 17기타 65 63 61 60 60


자료 : 삼성경제연구소

6

LED 열화∙불량 메커니즘LED 열화 불량 메커니즘

≫ POWER LED 형상



≫ LED 발광구조



≫ 고장의 종류와 고장모드

열화, 불량요인 열화, 불량내용(LED Tester에서)

Chip결정결함 광량저하, 파장특성불량, 전기적 특성불량

접합파괴 광량저하 전기적 특성불량p

내부접합파괴 광량저하, 전기적 특성불량

Thyristor 특성 인가 ON/OFF로 Hysterisis특성을 나타냄

Die Bonding 불량(Chi 박리 등) 광량저하, 전기적 특성불량, 열저항측정이상

Ass’y 공정

(Chip박리 등) 광량저하, 기적 특성 량, 저항측정이상

Chip분리, Crick불량 광량저하, 전기적 특성불량, 열저항측정이상

Wire Bonding불량(박리등) 광량저하, 전기적 특성불량, 열저항측정이상

Molding 불량 열 저항측정 이상

재료(수지 외)

수지(Lens, 기타) 광량저하/파장특성불량, 전기적특성정상

Lead Lead Frame Board 기타 광량저하 전기적 특성불량 열저항측정이상(수지 외) Lead, Lead Frame, Board, 기타 광량저하, 전기적 특성불량, 열저항측정이상

외부적요인

정전기(ESD)에 의한 열화 광량 저하, 전기적 특성불량

온,습도변화에 의한 열화광량 저하 전기적 특성불량


요인,

광량 저하, 전기적 특성불량기계적 Stress

9

LED 열화∙불량 메커니즘

≫ 고장의 종류와 고장모드

LED 열화 불량 메커니즘

고장모드≫ 고장의 종류와 고장모드

파국고장

Open

고장

Short고장

열화고장 Degradation열화고장 Degradation


LED 열화∙불량 메커니즘

≫ LED 접합온도 상승의 영향

LED 열화 불량 메커니즘

≫ LED 접합온도 상승의 영향

광출력 저하

접합온도 상승파장 Shift색의 변화

접합온도 상승 (색의 변화)

열화촉진열화촉진(수명저하)

열관리가 중요환경온도를 고려한 방열설계 필요

열관리가 중요환경온도를 고려한 방열설계 필요


환경온도를 고려한 방열설계 필요환경온도를 고려한 방열설계 필요

11

LED열화의 메커니즘LED열화의 메커니즘

≫ LED의 고장모드

부 점등과 특성고장

- 부 점등 : 단락고장 쇼트고장 순전압의 급격증가

≫ LED의 고장모드

부 점등 : 단락고장, 쇼트고장, 순전압의 급격증가

원인 : 내부 gold wire 단선

내부 gold wire 와 chip접합부 박리

을 고장하고 있는 접착제 박리Chip을 고장하고 있는 접착제 박리

LED내부의 마이그레이션

Chip의 정전파괴 등p

- 특성고장 : 광속의 저하, 색도의 변화, 전기특성의 변화

원인 : 내부 봉지수지의 투과율의 저하원인 : 내부 봉지수지의 투과율의 저하

내부 케이스 등의 반사율의 저하

Chip자신의 특성변화


형광체의 특성변화

12


≫ 열화의 1차 요인 : LED구동으로 열화를 유인하는 직접 요인≫ 열화의 1차 요인 LED구동으로 열화를 유인하는 직접 요인

- 온도(열)

- 빛

전기 통전량 서지 돌입전류

≫ 열화의 2차 요인 : 1차요인이 원인이 되어 재료물성, 기계적 요소에 의해

열화를 일으키는 간접요인

- 전기 : 통전량, 서지, 돌입전류

열화를 일으키는 간접요인

- 기계적 요인

• LED Chip의 휨, 결함

박리• 박리

• 수지크랙

• 땜납 크랙

- 물성적 요인

• 수지의 변색 변질

• 금속 마이그레이션 : 전압인가시 수분에 의한 금속이온의 이동


• 휘스커 : 응력에 의한 Sn 금속결정 성장

13


≫ 열화의 3차요인 : 패키지, 모듈의 외계로부터 열화를 일으키는 환경요소

- 환경요인

• 환경온도가 높아질수록 열화 가속

낮은 Tj 가 되도록 방열설계 필요• 낮은 Tj 가 되도록 방열설계 필요

• 소비전력을 낮게 억제하는 연구 필요

- 환경분위기

• 습기로 인한 전극산화 ∙ 수지팽창

• 황화부식

• 염화부식


LED열화의 메커니즘

≫ 열화의 3차요인

LED열화의 메커니즘

≫ 열화의 3차요인

- 진동

• LED패키지의 본체부분 장착방법, 회로부 납땜

• 고장모드 : 땜납 크랙, 리드 접힘

- 정전기

인체 머신 LED패키지 디바이스에 대전한 전하가 LED Chi 에• 인체, 머신, LED패키지, 디바이스에 대전한 전하가 LED Chip에

방전

• 고장모드 : 리크전류의 증가, 순방향전압의 변동쇼트 또는 단락 고장모드 리크전류의 증가, 순방향전압의 변동쇼트 또는 단락

≫ 백색LED의 수명을 결정하는 요인

- 사용전류

- 발광파장 : 자외선 성분이 수지 열화 요인

방열성 : 가장 고려해야할 요인


- 방열성 : 가장 고려해야할 요인

15

일반조명 대체형 시스템의 기술현황일반조명 대체형 시스템의 기술현황

≫ 일반조명의 필수 요건

구분 백열전구 형광램프 HID입력전력 60W 32W 250W

≫ 일반조명의 필수 요건

입력전력 60W 32W 250W

발광효율 10 - 15 70 – 100 65 - 70

광속유지율 70%광속유지율 - 70% -

광속 600 3,000 18,000

색온도 2700 – 6500 2700 - 6500 -색온도 2700 – 6500 2700 - 6500 -

배광분포 G G G

연색성 90 - 99 80 – 83연색성 90 99 80 83

색좌표x 0.4348y 0.4185

x 0.2998y 0.3396 -

수명


수명 1000 - 1500 10,000 – 20,000 10,000 – 15,000

16


≫ LED전구 비교평가(사례)

구분A사 B사


구분4W 8W 3W 8W 4W 8W 16W 22W

입력전력 3-4 8-9 2.5 7.3 5.1 7.5-7 8 16.3 19.97.8

연색성 75 86 68 66-77 69 66-70 69 70

색온도9700-9900

6100-6300 5530 5900 5100-

52005100-5300

5100-5200

3550-4900

117 340 150 435 250 470 1150 1360광속

117-160

340-350

150-185

435-440

250-260

470-495

1150-1220

1360-1480

발광효율 40 39.9 74 60 51 63 74.8 74


발광효율 40 39.9 74 60 51 63 74.8 74

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구분C사


구분6.6W 13.2W 19.8W 26.4W

입력전력 8.9 17.3-17.6 25.6 33.5-34.5

연색성 68-70 64-67 70 67

색온도 7000-7500 6800-7020 7500-8000 6700-6900

광속 270-300 550-570 780-840 1050-1090

발광효율 33.7 32.4 32.8 31.6


발광 율

18

일반조명 대체형 시스템의 기술현황

≫ 형광램프 대체용 LED램프 비교평가(사례)


형광램프 대체용 LED램프 비교평가(사례)

구분 A사 B사 C사

20W 40W입력전력

14WFrost

25WFrost

25WClear

20W 40W19.3 19.4

13W 23W

색좌표X 0.332Y 0.338

X 0.336Y 0.341

X 0.322Y 0.335

X 0.322Y 0.338

색온도 5517 5340 5986 5970색온도 5517 5340 5986 5970

연색성 70 69 70 71

광속 946 1830 2050 746 1440 1170 1120

발광효율 70 6 73 8 82 7 57 8 63 2 60 3 57 7


발광효율 70.6 73.8 82.7 57.8 63.2 60.3 57.7

19


≫ LED가로등기구 비교평가(사례)

- 배광분포 시험 Data 근거

LED 143W LED 202W

MH 350W


MH 350W MH 200W

20


≫ LED가로등기구 비교평가(사례)


LED가로등기구 비교평가(사례)

LED가로등기구 설치사례



≫ LED 등기구 비교평가(사례)


≫ LED 등기구 비교평가(사례)

형광등기구형광등기구


LED등기구

22


≫ LED조명 색좌표 분석(사례)


CIE 색좌표



≫ LED조명 색좌표 분석(사례)



≫ LED모듈 열화상 분석평가



차세대 LED조명 시스템의 보급 확대방안차세대 LED조명 시스템의 보급 확대방안

≫ LED조명 기구화시 발광효율저하 요인



≫ LED조명 보급확대를 위한 과제≫ LED조명 보급확대를 위한 과제

1. 고출력화, 장수명화, 소형화의동시 실현

2. 연색성 개선

3 특성산포 제어 +3. 특성산포 제어

4. Cost 절감

5. 전원회로부 고효율화


차세대 LED조명 시스템의 보급 확대방안

≫ LED조명기술 주력 5개사 현황


- LED조명기술의 핵심을 LED 디바이스

≫ LED조명기술 주력 5개사 현황

- 니찌아 : 휴대폰 Application LED시장 주도

- 필립스 루미레즈자동차 내외장용 LED분야, 일반조명용

- 오스람 OS

C- Cree

- 도요타 고세이

고출력 주도 : 백라이트 LED, 일반조명용


도요타 고세이

28


≫ LED업계 주요 제휴 및 라이센스 관계


≫ LED업계 주요 제휴 및 라이센스 관계

주요업체 라이센스 크로스 라이센스

NICHIA CITIZEN, STANLEYOPTO TECH

OSRAM,CREE LUMILEDS,TOTODA GOSEI

OSRAMSAMSANG,

EVERLIGHT OPTEIC, VISHAY, ROAM

Lumileds, NICHIA,AVAGO

CreeROAM,LITEON,

STAWLEY,Seoul Semiconductor

NICHIA

Lumileds Toyoda GOSEI,NICHIA, OSRAM

Toyoda GOSEI Lumileds NICHIA


Toyoda GOSEI Lumileds, NICHIA

29


≫ LED조명 공급망 및 수직계열화 통합구조


≫ LED조명 공급망 및 수직계열화 통합구조

모회사 에피 칩 패키지 콘트롤 기구

- 세계 조명시장의 60%를 점유하는 3대 Major의 수직통합 추진

모회사 에피·칩 패키지 콘트롤 기구

오스람 OSRAM OPTO OSRAM

GE NICHIA GE Lumination

필립스 Lumileds Genlyte Color 필립스 Lumileds Genlyte Kinetics

Cree Cree Cotco(홍콩) LLF(美) LLF(美)

자료 : 삼성경제연구소

※ 도요타고세이(日)는 조명기구업체인 Zumtobe(오스트리아)의 자회사인


Tridonie Atco와 50:50 조인트벤처 설립

30


≫ 우리의 대응

산학연 관련긴밀한 유대관계- 정보공유정보공유- 기술협력- 기술/시장 대응- 전후방 산업

일정규모의 경제- 인프라 구축- 전략적 제휴 후방

LED조명 대체 보급확산- 다지화- 소비자마케팅

일반조명용핵심요건개발접목

광학- 광학- 에너지- 수명

RoHS


- RoHS

31

감사 합니다.!

한국조명기술연구소 신뢰성평가센터가

감사 합니다.!

한국조명기술연구소 신뢰성평가센터가앞장서겠습니다.

한국조명기술연구소한국조명기술연구소 신뢰성평가센터신뢰성평가센터 : www.kiltreliability.re.kr: www.kiltreliability.re.kr

이영주이영주 수석수석 : : [email protected]


이영주이영주 수석수석 yj

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