저출력 LED 패키지의 고장 메커니즘 분석과 효율적 신뢰성 시험 법 연구

Abstract

에너지 절약과 감성 조명으로 각광을 받는 LED 패키지에 대한 연구이다. LED 패키지는 칩의 안정화에 따른 산업체의 다양한 분야에서 활용이 많이 이루어지고 있으며, 현재 응용 분야로서는 TV 광원 및 차량의 헤드라이트 등 응용 분야가 다양화 되고 있다. 이에 따른 많은 신뢰성 데이터가 요구되고 있다. 연구 대상인 LED 패키지를 입력 조건으로 저출력, 미들, 고출력 세 가지로 나뉜다. 본 연구의 대상은 0.3W용으로 저 출력 패키지를 대상으로 한다. 저 출력 패키지는 많은 기술적인 연구와 칩의 안정화가 이루어 졌다. 그래서 점진적 광 출력 감소라는 고장 메커니즘을 갖고 있다. 하지만 고 출력 패키지는 열적 문제를 해결하지 못하고, 우발 고장과 점진적 광 출력 감소, 두 가지 모두를 가지고 있다. 본 연구에서는 LED 패키지의 구성 요소들 중에서 점진적 성능 저하에 미치는 요소가 무엇인지를 연구하는 것이 목적이다. 또한 모든 수명의 기본이 되는 정상 수명 데이터를 확보를 하여, 가속 시험 데이터의 비교 분석을 하는 시험을 하였다. 시험 시간은 10,000 시간이상을 수행을 하였다. 수행되어진 모델은 저 출력 LED 패키지 1개 모델과 고 출력 LED 패키지 2개 모델에 대해서 수행을 하였다. 그리고 환경 인자를 도출시키기 위한 시험을 준비했다. 환경 인자는 문헌에서 많이 언급되어진 고온 가속, 전류 가속, 고온-고습 가속에 대한 인자 시험을 설계를 하였다. 이 인자 시험의 시험 시간은 보통 7,000시간 이상을 수행을 했다. 이에 따른 광 출력, 물리적 변화에 따른 결과들을 분석을 하여, 인자간의 시험 결과를 비교 하여, LED 패키지의 점진적 열화에 영향을 주는 인자를 선정을 하였다. 또한 점진적 성능 열화에 가장 영향을 많이 받는 구성품은 형광체로 나타났다. 형광체에 따른 광속 저하 및 광 특성이 제일 중요한데, KS규격에서는 색온도, 연색성, 색 좌표에 대한 규정을 조명 기구에 한해서 나타내었다. 그래서 형광체에 대한 연구를 세분화하여 연구를 하였다. 시료 제작은 상용화된 형광체를 가지는 LED를 구매하였다. 형광체가 YAG, Silicate, Nitride 에 대한 샘플의 기초 광 특성을 분석하고 시험 준비를 하였다. 그리고 앞에서 언급된 환경 인자에 대한 시험을 수행하였다. 앞선 선행 시험을 통해서 출력별, 형광체별 광속 저하 메커니즘에 크게 기여하는 인자들을 선출을 하였다. 선출된 인자를 가지고 기존에 수행하지 않은 가속 시험법을 도출 하는 것이 본 연구의 최종 목적이다. 기존 연구들 중에서는 두 가지 인자 조합으로 나타낸 결과는 여러 문헌들이 있으나, 3가지 인자 설계는 많지 않은 현실이다. 그래서 이 3가지 인자들의 조합으로 인한 광속 저하를 크게 일으키는 인자 조합이 어떠한 것인지에 대한 연구를 시작하게 되었다. 이 인자에 대한 실험 설계를 통해서 부분요인분석을 통한 최적의 인자 조합을 설계하였다. 시료의 제약을 통해서 완전 요인 분석을 하지 못하고, 부분 요인 분석을 통해서 2번 반복을 통한 실험 설계를 하였다. 본 연구의 장점은 기존의 문헌들은 동작 시험을 통해서 결과를 나타냈고, 방치 시험을 수행할 때는 높은 온도를 이용하여 빠른 시간에 결과를 도출하려 하였다. 하지만 동작 시험을 수행하지 않고 환경 인자 조합을 통하여 가속 시험을 수행하면 기존의 시험 결과와 동등 이상의 결과가 나오기 때문에 효율적인 시험법 개발이라 하겠다.