기판 실장형 칩 LED 모듈의 증가

최근까지 자신의 다음 조명 기구를 위해 LED의 효율성, 긴 수명 및 견고함의 이점을 찾는 조명 설계자는 여러 주요 과제에 직면해 왔습니다.

이 중 가장 힘들었던 것은 제품에 필요한 '루멘 밀도' (단위 영역당 조명 출력)를 실현하는 데 얼마나 많은 이산 소자의 LED가 필요한지 알아내는 것과 그 다음은 램프 내부의 공간을 너무 많이 소비하지 않고 어레이의 전력 및 열 요구 사항을 고려하는 회로 기판을 설계하는 것이었습니다. 그런 다음 엔지니어는 그룹 내의 모든 LED가 동일한 색상을 생산하여 소비자의 기대를 충족시키는지 확인해야 했습니다.

이제 더 간단한 솔루션이 있습니다. LED 제조업체가 고전력 장치에 대한 새로운 패키지 유형인 기판 실장형 칩(COB) LED 어레이를 출시했습니다. 이 장치를 공급하면서 LED 제조업체는 '조명 엔진'을 수행하기 위해 개별 LED를 정합하고 적합한 기판을 설계하는 작업을 완료했습니다. 이 뿐만 아니라, COB LED 어레이로 LED 제조업체가 '원격 인광'과 같이 효율을 향상시키는 기술의 이점을 활용할 수 있습니다.

이 기사는 최신 상업적으로 제공된 COB LED 어레이의 예를 검토하고 가까운 시일 내에 이 부문이 어떻게 발전할지에 대해 살펴봅니다.

이산 소자 LED 어레이의 단점

LED의 성능이 크게 향상되었음에도 불구하고 단일 장치는 여전히 주요 조명 응용 제품을 위한 충분한 출력을 생산하지 못합니다. 예를 들면, 단일 100W, 120V 백열 전구는 약 17lm/W의 효율에서 1,700루멘을 생성합니다. 이와 대조적으로 OSRAM의 OSLON SSL 150과 같은 인기있는 LED는 136lm(350mA, 3.1V, 125lm/W)을 생성합니다. 전구와 비슷한 출력을 제공하려면 조명 설계자에게 이러한 OSRAM 장치가 12개 필요합니다. 

이것은 LED가 차지하는 물리적 공간 때문에 문제가 됩니다(보통 수 제곱 센티미터). 또한 LED를 어레이로 그룹화하는 것은 조명, 광학 및 제조 관점에서도 문제가 됩니다.

LED 어레이에서 조명의 품질을 최적화하는 것은 어렵습니다. LED 제조업체는 LED를 같은 색상으로 서로 관계된 온도(CCT) 및 발광의 '통'으로 분류하지만 소비자가 차이를 못 느끼도록 개별 장치를 근접하게 맞추려면 비용과 시간이 많이 소모됩니다. 

큰 LED의 어레이가 갖는 두 번째 문제는 장치마다 다른 속도로 노화되는 것입니다. 기구의 많은 LED가 아직도 수명이 남아 있음에도 다른 LED가 흐려지면 소비자는 그 장치를 버리게 됩니다. 마지막으로 많은 LED의 어레이를 조립하는 것은 어렵고 노동 집약적이어서 비용을 증가시킵니다. TechZone 기사 'LED 패키징 및 효율로 루멘 밀도 향상(영문)'을 참조하세요.

조립 제거

LED 어레이를 설계하고 조립하는 문제를 해결하기 위해 LED 제조업체는 이제 COB LED 어레이 형태로 모듈 솔루션을 제공합니다. 그러한 장치는 세라믹 패키지 및 고수준의 통합을 제공합니다.

COB LED 어레이는 조명 제조업체가 개별 LED를 인쇄 회로 기판(PCB)에 배치하거나 다른 사람으로 하여금 기판에 배치하도록 해야 할 필요를 없애줍니다. 제조 공정을 용이하게 하는 다른 장점은 COB 패키지가 수동 조립에 적합하다는 것입니다. COB는 많은 엔지니어 리소스 없이도 에폭시에 붙이거나 방열판에 기계적으로 연계시킬 수 있습니다. TechZone 기사 '성능 향상, 비용 절감을 위한 패키징 고려(영문)'를 참조하세요.

아래 설명하는 Bridgelux 및 Cree 제품을 위해 Molex에서 광범위한 COB LED 어레이 홀더를 제공합니다(그림 1).


그림 1: Molex의 COB LED 어레이 홀더는 여러 주요 LED 제조업체의 제품에 맞습니다.

COB LED 어레이의 이점은 조립 이점에 국한되지 않고 일부 광학 이점도 있습니다. 이 장치는 일반적으로 인광 코팅 디스크 형식의 '단일 발광 표면'을 사용합니다. 기존의 흰색 LED는 파란색 LED를 사용한 다음 희토류 원소 세륨이 첨가된 이트륨 알루미늄 가넷(YAG)으로 구성된 인광을 사용하여 방출하는 빛을 스토크스 이동시킵니다. LED 및 인광은 단일 패키지로 통합됩니다.

하지만 여러 연구원들은 소위 원격 인광 장치(COB LED 어레이의 경우 단일 방출 표면인 파란색 LED로부터 떨어진 실장된 디스크에 인광이 포함되게 됨)가 효율을 향상시키고 수명을 연장한다고 주장합니다. TechZone 기사 '흰색 LED의 대안을 제공하는 원격 인광(영문)'을 참조하세요.

상업용 COB LED 어레이

주요 LED 제조업체에서 상업용 COB LED 어레이 제품군을 출시했습니다. Cree에서 최근에 XLamp CXA 솔루션이라는 COB LED 조명 어레이를 출시했습니다. 이 회사는 이것이 기존의 어레이와 비교하여 시스템 스포트라이트의 강도를 배가하는 획기적인 기술이라고 주장합니다. 이 회사는 CXA1520 LED 제품군으로 출시된 첫 제품으로 인해 조명 제조업체가 최대 50퍼센트 더 적은 전력으로 39W 세라믹 금속 할로겐화물 장치와 동일한 광도를 전달하는 제품을 만들 수 있다고 말합니다.

CXA1520 LED 어레이는 33W(85°C 기준)에서 최대 3,478루멘을 전달합니다. 이 제품은 2,700K ~ 5,000K의 CCT 및 70, 80 및 95 연색 평가 지수(CRI) 옵션으로 제공됩니다.

CXA 어레이는 전방향 및 무방향 조명 응용 제품 및 조명 기구 설계를 가능하게 하는 균일한 발광 표면이 특징입니다(그림 2). 이 제품은 19mm 광학 소스를 갖춘 2단계 및 5단계 색상 일관성으로 제공됩니다.


그림 2: Cree의 CXA 어레이는 균일한 발광 표면이 특징입니다.

이에 뒤질세라 Seoul Semiconductor에서 ZC 계열을 제공합니다. 이 회사는 ZC 계열은 COB 장치이고 LED를 표면에 실장할 필요가 없기 때문에 조명 제조업체가 칩 연결 과정을 건너뛰어 장치 비용을 절감할 수 있다고 말합니다.

Seoul Semiconductor는 '높은 반사 알루미늄 기판'을 사용함으로써 휘도를 향상하고 LED 수명을 연장한다고 주장합니다. ZC 계열은 6W, 10W 및 16W로 제공되며 이들은 각각 40W 및 60W의 백열 전구 및 100W의 다운 라이트에 적합한 대체품이라고 합니다.

ZC 계열은 2,700K ~ 5,600K의 CCT 및 최소 70 또는 80의 CRI로 제공되며 2,400루멘(480mA의 순방향 전류 기준)을 생성할 수 있습니다. Cree 제품과 유사하게 Seoul Semiconductor의 ZC 계열은 지름이 19mm인 LED 어레이에 대해 균일한 방출 표면을 사용합니다. 

Bridgelux는 이 분야에서 경쟁하기 위해 ES 직사각형 어레이 계열을 제공합니다(그림 3). 이 회사는 이러한 콤팩트한 고플럭스 밀도 조명원은 이산 소자 LED 기반 솔루션으로 인한 픽실레이션 또는 다중 그림자 효과 없이 균일한 조명을 전달한다고 말합니다. Luxeon COB LED 어레이의 최신 세대는 700 ~ 3,000 루멘 및 통상 90lm/W ~ 130lm/W의 효율을 전달합니다. 장치는 2,700K ~ 5,700K의 CCT 및 70, 80 또는 90의 CRI로 제공됩니다.


그림 3: Bridgelux ES 직사각형 어레이 계열은 19mm 버전으로 제공됩니다.

이 회사는 직경 19mm의 단일 발광 표면을 사용하는 이 장치가 시스템의 복잡성을 줄이고 비용 효율적이고 소형화된 램프 및 조명 설계를 가능하게 한다고 주장합니다. 감소된 열 저항으로 더 작은 방열판을 사용할 수 있게 하거나 또는 대형 방열판을 사용하는 경우 조명 시스템의 안정성을 향상시킵니다.

COB의 성장

이산 소자 LED를 사용하여 이를 수행하는 회로 기판을 설계한 후 장치를 조립하는 것과 비교되는 COB LED 어레이의 비용 절감 이점은 조명 제조업체에게 매력적입니다. 그러한 이점은 이 분야의 급격한 성장을 주도하고 있습니다.

분석 회사 Research & Markets에 따르면 COB LED 시장은 2013년 ~ 2018년에 걸쳐 40.71 퍼센트의 연평균 성장률(CAGR)로 상승세를 지속할 전망입니다. 이 회사는 여러 장점 중에서 이 시장의 성장에 기여하는 핵심 요소 한 가지는 LED의 가격 인하라고 말합니다. 수요의 증가는 주로 주류 조명 응용 제품에 의해 주도됩니다. 

예상 수치가 다소 낙관적이라 해도 COB LED 어레이 부문은 향후 몇 년간 상당히 성장할 것으로 보입니다. 더 많은 LED 제조업체가 빠른 시일 안에 제품을 출시할 것으로 예상됩니다.