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LED의 새로운 혁신 - CoB LED

글/마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

LED는 조명 산업에 엄청난 변화를 가져오고 있다. 전통적인 조명은 비효율과 짧은 수명이 단점이었다. LED 기술이 발전함으로써 조명 분야의 많은 문제들을 해결할 수 있게 되었으며 점점 더 기존 조명을 대체해 나가고 있다. 이제는 또 다른 혁신적인 LED 기술이 등장함으로써 LED의 쓰임새를 한층 더 넓힐 수 있게 되었다. 새로운 LED 기술은 더 사용하기 편리하고, 설계를 간소화하고, 제품 출시 시간을 단축할 수 있다. 바로 CoB(chip-on-board) 패키지 LED이다. CoB LED는 여러 개의 LED 칩을 하나의 어레이로 패키징 함으로써 루멘 밀도와 와트당 루멘을 향상시킬 뿐만 아니라 균일한 조명을 제공한다.

LED 기술의 역사

CoB 기술이 가져올 기회와 가능성을 이해하기 위해서는, 먼저 역사적으로 LED 기술이 어떻게 발전하고 구현되어 왔는지 살펴볼 필요가 있다. LED는 1960년대에 처음 발명된 이래로 에폭시 몰딩과 DIP(dual in-line package) 기술을 사용해 제작되어 왔다. DIP 패키징은 각종 표시등이나 신호등 같은 데에는 효과적으로 쓰일 수 있지만, 오늘날 최신 조명 디자인 용으로는 크기가 너무 크고 조명 출력이 적합하지 않게 되었다.
그 후 LED는 표면실장 디바이스(surface mount device, SMD)로 발전했다. 표면실장 기술 덕분에 LED 칩을 밀리미터 크기로 축소하고 현대적인 제조장비를 사용해서 탑재할 수 있게 되었다. 또한 다양한 크기, 색상, 루멘 출력의 LED 개발도 가능해졌다. 하지만 이처럼 선택폭이 넓어졌음에도 불구하고, 안타깝게도 대체로 몇몇 표준 크기의 패키지들만 생산되었다.

CoB 기술

최신 LED 기술은 표준 패키징이라는 개념을 거의 없애고 있으며, LED를 1mm 이하의 두께로 줄일 수 있다. 이 새로운 CoB LED는 기존 SMD LED에 비해 훨씬 더 높은 열 효율과 루멘 밀도를 제공한다. CoB LED는 칩 LED를 많게는 수백 개까지 배열할 수 있으며 PCB에 곧바로 와이어 본딩도 가능하다. SMD LED와 달리, CoB LED 어레이는 개별적으로 형광 코팅을 하는 것이 아니라 어레이 전체를 코팅하기 때문에 빛의 확산이 좀더 균일하다.
CoB LED 어레이는 대체로 개별 SMD LED보다 더 크기가 크다. 수 평방센티미터에 이르는 것도 있다. 어레이 내의 각 LED 칩이 2개 접점만을 가지므로 어레이 배선이 매우 쉽다. 또한 이 어레이를 히트싱크에 직접 부착할 수 있기 때문에 열 방출 효과도 높일 수 있다.

장점

다른 기술 발전과 비교할 때, 이러한 변화들이 별로 대단치 않은 것으로 생각될 수도 있다. 하지만 이 기술을 사용함으로써 거둘 수 있는 성과들은 대단하다. CoB LED는 수십 혹은 수백 개의 LED 칩을 하나의 밀집된 어레이로 단일 코팅 패키징함으로써 루멘 밀도와 조명 품질을 크게 향상시키고, 최종 조명 솔루션에 더 낮은 비용으로 더 손쉽게 통합할 수 있다.
CoB LED가 조명 설계를 얼마나 획기적으로 발전시킬 수 있는지를 보여주는 대표적인 사례가 스포트라이트이다. SMD LED는 스포트라이트 조명을 구현하기에는 출력이 충분히 높지 않기 때문에 하나의 조명에 여러 개의 SMD LED를 결합해야 한다. 그런 다음 빛을 산란시키기 위한 광학 장치를 구비해야 한다. 이 일이 말처럼 쉽지만은 않다. 하나의 조명으로 각도가 약간씩 다른 여러 개의 LED 칩을 결합하면 빛이 균일하지 못해 각각의 광원들이 구분되고 광원들 간에 그림자가 눈에 띄게 생길 수도 있기 때문이다.
CoB LED는 전체적으로 코팅을 하므로 단일한 발광 표면(light emitting surface: LES)을 제공한다. 따라서 방출되는 빛이 매우 균일하기 때문에 스포트라이트 조명용으로 기존 조명을 대체할 수 있는 훨씬 더 매력적인 솔루션을 제공한다. CoB 어레이를 구성하는 LED 칩들은 다 같이 제조, 테스트, 출하되었을 가능성이 높기 때문에 여러 개의 SMD LED를 사용한 스포트라이트 조명보다 색상이 보다 더 일정하다. 또한 어레이로 조밀하게 탑재된 CoB LED 칩은 필요하다면 훨씬 더 좁은 빔 각도를 제공할 수 있다.
CoB LED가 큰 차이를 나타낼 수 있는 또 특징은, 새로운 조명 애플리케이션을 설계할 때 설계가 간편하다는 것이다. 엔지니어가 SMD LED를 사용해서 스포트라이트 조명을 설계할 때 가장 먼저 할 일은 필요한 조명 출력을 제공하기 위해서 몇 개의 SMD LED가 필요할지 계산하는 것이다. 그 다음에는 이 조명의 물리적 크기와 열 발생을 감안해서 PCB를 설계해야 한다. CoB LED 어레이는 이 작업을 훨씬 단순하게 한다. 대개의 경우, 단일 어레이만 필요하기 때문이다. 따라서 주문형 보드가 필요 없다. 간단한 배선 작업만 하면 되므로 고가의 제조 장비를 사용하지 않아도 된다. CoB LED 어레이를 히트싱크에 부착하고 드라이버와 광학 장치에 연결하기만 하면 된다. CoB LED는 더 저렴하게 설계 및 제조할 수 있으므로 제조 비용을 훨씬 더 낮출 수 있으며 단위 비용당 더 우수한 루멘을 달성할 수 있다.

설계 상의 고려사항

SMD LED 스포트라이트 조명에서 발생하는 그림자와 빛점(light spot)을 없애기 위해서 시도된 한 가지 기법은 광학 렌즈를 사용해서 빛을 산란시키는 것이었다. 광학 장치는 보다 균일한 빛을 만들어내는 데에는 도움이 될 수 있지만, 조명 효율에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 또한 광학 장치를 사용하면 설계 시간에도 영향을 미친다. 이러한 광학 장치는 대체로 특정 설계에 따라서 주문형으로 만들어지기 때문이다. CoB LED 설계 역시 빛 확산을 조절하기 위해 광학 장치를 사용한다. 하지만 이미 하나의 광원을 통해 균일한 빛을 만들어내므로 광학 장치를 훨씬 더 단순하게 할 수 있다. 크리(Cree)의 XLamp® CXA나 필립스 Luxeon LED 시리즈 같은 인기 있는 CoB LED 제품은 광학 장치도 출시하고 있으므로 전용 커넥터나 홀더를 사용해서 설계를 더욱 간소화할 수 있다.

[그림 1] 크리(Cree)의 XLamp CXA HD LED 어레이

[그림 2] 균일성과 효율이 우수한 루밀레드(Lumileds)의 LUXEON® CoB LED 어레이 블록 다이어그램

CoB LED에는 기본적으로 두 가지 광학 설계를 사용할 수 있다. LES로부터 빛을 넓은 영역으로 확산시키는 발산형(diverging) 광학과 빛을 광원보다 더 좁은 빔으로 수축시키는 수축형(converging) 광학이다. 후자를 조준형(collimating) 광학이라고도 한다. 근본적으로 CoB LED는 램버시안(Lambertian) 빛 분포가 넓다. 따라서 대부분의 CoB 조명 설계는 빔을 집중시키고 특정 설계에 따라서 맞춤화 할 수 있는 광학 장치를 요구한다.
광학 장치 대신 반사기를 사용해서 조명 빔을 수렴시키고 더 우수한 빔 제어를 할 수도 있다. 다만 광학 장치가 좀더 효율적이고 제어를 더 잘 할 수 있다. 어떤 솔루션은 굴절과 반사를 결합하기도 한다. 예컨대 TIR(Total Internal Reflection) 렌즈는 두 기법을 모두 사용해서 더 우수한 효율을 달성한다. 하지만 LES가 큰 솔루션의 경우, TIR 렌즈는 크기가 너무 크거나 비쌀 수 있기 때문에 크기가 작은 설계에 주로 많이 사용된다.

[그림 3] 크리(Cree)의 XLamp CXA2011 및 MT-G EasyWhite™ LED 용 LedLink 이차 렌즈

크기가 큰 CoB LED 설계의 경우에는 반사기가 성능이나 비용 면에서 나은 선택일 수 있다. 반사기는 이미 앞으로 나아가고 있는 빛을 매우 효율적으로 전달할 수 있으며 측면으로 방출된 빛에만 영향을 미친다. 따라서 반사기는 전방으로 방출된 빛에 대해서는 어떤 영향력도 미치지 않는다는 것이 단점이다. 빔 제어가 불가능하기 때문이다. 따라서 반사기는 일부 애플리케이션에는 잘 맞을 수 있으나, 좀더 복잡한 빔 제어를 필요로 하는 애플리케이션에는 적합하지 않을 수 있다.
이처럼 복잡한 애플리케이션에는 하이브리드 광학이 해결책이 될 수 있다. 최근의 혁신 기술인 하이브리드 광학은 반사기의 측면 빛 제어와 광학 렌즈를 결합해서 전방으로 방출된 빛의 빔을 조절할 수 있다. LEDIL의 Saga 시리즈 같은 하이브리드 광학은 TIR 렌즈 같은 크기 상의 불리함 없이 우수한 빔 제어를 할 수 있다.

열 관리

CoB LED는 열을 소산하기에 적합하도록 되어 있다. LED 어레이를 PCB에 직접 부착한 다음, 히트싱크에 부착할 수 있다. 따라서 CoB LED는 열을 잘 발산할 수 있는 소재와 직접적으로 맞닿는다. 이에 비해 SMD LED는 LED 칩과 히트싱크 사이에 패키징이 끼어든다. 또한 SMD LED는 상대적으로 더 두꺼운 PCB를 사용한다. 따라서 LED 칩에서부터 히트싱크까지 거리가 더 멀어진다. 열 측면에서 CoB LED 어레이의 한 가지 단점은, 밀집해 탑재된 LED 칩들이 작은 표면 영역으로 많은 열을 발생시킨다는 것이다.
이 때문에 CoB의 접합부 온도를 동작 한계 이내로 유지하는 것이 관건이다. 이 동작 한계는 데이터 시트에서 확인할 수 있다. 히트싱크의 열 저항을 적절하게 선택하는 것이 매우 중요하다. CoB 어레이의 서브스트레이트 소재 또한 중요하다. 이러한 것들은 애플리케이션이나 비용 목표에 맞게 선택할 수 있다. 알루미늄 히트싱크는 대체로 가격이 저렴하고, 크리의 CXA 제품에 사용된 것과 같은 세라믹 서브스트레이트는 열 성능이 우수하다.

드라이버

CoB LED는 통상 외부 LED 드라이버를 사용해서 구동된다. 따라서 완전 주문형 드라이버 설계가 필요할 수도 있는 SMD LED 설계에 비해서 통합 작업이 훨씬 더 쉽다. CoB LED는 단일 어레이만 구동하면 되기 때문에 해당 제품의 드라이버 호환성 표에서 적합한 드라이버를 선택하기만 하면 된다.

맺음말

지금까지 CoB LED가 조명 분야에 가져 온 혁신적인 변화들을 살펴보았다. CoB LED는 긴 수명이나 저전력 소모 같은 SMD LED의 장점은 그대로 이어받거나 더욱 강화하는 한편, 더 안정적인 색상, 더 균일한 빛 분포, 더 우수한 빔 제어가 가능한 것이 특징이다. 또한 CoB LED는 특정 애플리케이션마다 완전 주문형 설계를 요구하지 않으므로 설계 작업을 혁신적으로 간소화하고 CoB LED의 구현 비용을 낮출 수 있다.
CoB LED가 모든 조명 애플리케이션에 다 이상적인 것은 아니다. 띠 조명, 튜브 조명, 전구형 조명에는 SMD LED가 여전히 더 잘 맞는다. 스포트라이트 조명이나 그 밖에 균일한 빛과 빔 제어를 필요로 하는 애플리케이션처럼 SMD LED로는 충분히 요구를 충족하지 못하는 애플리케이션들에서 CoB LED 조명이 인기가 높아지고 있다.