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제  목 [기술동향]LED조명업계는 지금 ‘열(熱)과의 전쟁’
글쓴이 관리자 등록일 2013-08-23 10:39:44
조  회 12,326
LED조명은 구동할 때 빛과 열을 동시에 방출하는 LED소자의 발광현상을 이용한 기기다. 그러나 LED소자는 고작 에너지의 20%만 빛으로 발산하고, 나머지 80%의 에너지는 열로 방출한다. 이렇게 발생한 열은 LED소자의 신뢰성을 떨어뜨리고, LED조명의 전기적·광학적 특성에도 악영향을 미친다. LED조명의 광속과 수명을 단축시키는 주범이 바로 열인 것이다. LED조명업계가 방열기술에 사활을 거는 이유다. 지금까지 업계에서는 LED소자의 열을 외부로 방출하기 위해 LED가 실장된 PCB기판에 열 교환 성능이 우수한 히트싱크를 붙이는 방식을 많이 사용했다. 그러나 이런 방열구조는 기본적으로 제작원가가 비싸고, 알루미늄 소재의 메탈 PCB 두께와 중량 때문에 제품 소형화에도 한계가 있다. 이에 따라 최근 LED조명업계에선 LED조명의 효율을 높이면서 가격경쟁력을 확보하기 위해 자신만의 독특한 방열기술을 개발, 차별화를 꾀하는 기업들이 늘고 있다. 치열한 LED조명시장의 주도권을 잡기 위해 LED의 열을 잡는데 심혈을 기울이고 있는 업체들의 동향을 취재했다.

국내 LED조명업계에서 독특한 방열기술을 꼽으라면 파인테크닉스(대표 최정혁)의 POH(Pattern & Package on Heat sink)를 들 수 있다.
이 기술은 열전도율이 우수한 방열몸체 표면에 직접 회로패턴을 프린팅하고, LED를 접합시켜 열전도율을 높인 것으로, 파인테크닉스가 특허를 갖고 있다.
PCB기판 없이 방열몸체에 직접 LED를 접합해서 방출된 열을 신속하게 대기로 배출할 수 있다.
이를 통해 LED광원의 온도를 5~10℃(평균 8℃)까지 낮춰 LED조명의 숙원인 발열문제를 해결하고, LED칩의 효율을 극대화시켜 수명을 20% 이상 향상시킬 수 있다는 게 회사측의 설명이다.
실제 파인테크닉스가 한국기계전기전자시험연구원에 의뢰해 POH방식의 자사 제품과 기존 PCB를 사용한 LED조명을 비교한 결과 방열판의 온도가 5℃나 차이를 보인 것으로 나타났다.
아울러 이 기술은 평면만이 아닌 다양한 형상의 방열몸체에 회로패턴을 실장할 수 있는 기술이라 방열로 인한 제품 디자인의 한계 문제도 해결이 가능하다.
파인테크닉스 관계자는 “이 방식은 원자재 사용을 줄여 제조원가를 획기적으로 절감시킬 수 있다”며 “또 PCB의 들뜸, 휨에 의한 근본적인 불량 원인을 해결할 수 있으며, 제품의 중량을 줄이고, 품질 향상에도 기여할 수 있다”고 말했다.
아이스파이프(대표 이석호) 역시 독특한 방열기술로 유명한 기업이다.
회사명과 똑같은 아이스파이프(Icepipe)라고 불리는 이 회사의 방열장치는 1세대, 2세대 히트파이프보다 한 단계 진화된 제3세대 히트싱크다.
열전도율이 우수한 구리 재질로 만들어진 얇은 파이프 모양의 방열장치 안에 ‘작동유체(working fluid)’라는 액체가 내장돼 있고, 이 액체가 열에 의해 빠른 속도로 대류하면서 열을 대기로 발산하는 개념이다.
회사 측에 따르면 작동유체는 유체동압(FDP)에 의해 스스로 순환해 발열원에서 발생된 열을 팬 없이도 빠르게 외부로 이동시키는 역할을 한다.
유체동압(FDP)은 아이스파이프에서 만든 작동유체의 특성에 따라 발열원에서 발생하는 열에 의해 자동으로 만들어진다.
아이스파이프는 심지(Wick)를 사용하지 않고, 작동유체의 유체동압을 이용, 열을 전달하는 형태라 외부 충격에 강하며, 중력에 대한 방향성도 없어 설치 방향에도 제한이 없다고 회사 측은 밝혔다.
회사 관계자는 “가늘고 긴 다수의 파이프 형태로 만들어졌고, 유효방열면적이 넓기 때문에 자연공냉에서 탁월한 성능을 보인다”며 “그래서 아이스파이프의 열전달 성능은 알루미늄보다 약 200배 우수하고, 방열효과도 일반 히트파이프의 4배에 달한다”고 강조했다.
COB형 LED조명의 대표주자인 썬엘이디(대표 이성헌)는 절연층이 제거된 COB형 기술로 방열문제를 해결한 사례다.
썬엘이디가 집중하고 있는 고출력 LED조명시장의 숙제 중 하나가 바로 방열문제였고, 이를 독창적인 COB형 LED칩으로 해결한 것이다.
썬엘이디가 보유한 절연층이 제거된 COB형 LED칩은 SMD 패키지 타입과 비교해 LED소자온도는 20%, PCB기판 하부온도는 16%를 각각 줄여 방열온도를 7℃나 낮췄다.
반면 수명과 직결된 광출력 변화(60mA 제품에 200mA의 전류를 인가한 경우)는 썬엘이디 방식이 3시간 동안 1.78% 감소하는데 그친 반면 절연층이 있는 COB형 타입은 4.9%, SMD 패키지 타입은 14.5% 줄었다.
썬엘이디의 LED조명이 일반적인 제품과 비교해 광효율과 수명 측면에서 경쟁력을 갖고 있다는 게 입증된 셈이다.
썬엘이디 관계자는 “COB형은 패키지형과 비교해서 패키지, 납땜, 절연층 등이 없기 때문에 방열이 우수하다”면서 “또 광효율도 뛰어나 패키지형의 156W급 LED조명 밝기를 우리 COB형으로는 120W급이면 충분히 구현해 낼 수 있다”고 설명했다.
특히 썬엘이디는 이 같은 제품경쟁력을 기반으로 최근 LED조명 할부 프로그램을 선보여 화제를 낳았다.
비수기이자 여름 휴가철인 지난 7월부터 LED조명 할부프로그램을 본격적으로 시작했음에도 불구하고, 견적과 출하, 설치를 요청하는 주문이 조금씩 늘고 있는 것이다.
썬엘이디 관계자는 “우리는 매월 면조명 1만개, 공장등 5000개 보급을 목표로 하고 있다”면서 “일단 첫 달에는 목표의 30%를 채웠지만 휴가철 비수기임에도 주문이 조금씩 증가하고 있는 추세를 보면서 나름대로 성과를 내고 있다고 본다”고 말했다.
썬엘이디의 LED조명 할부프로그램은 24개월 간 매달 일정액을 납부하면 기존의 조명기기를 LED조명으로 교체해 주는 영업전략이다.
매월 1만원이면 250W급 메탈할라이드램프를 대체하는 80W급 LED조명을, 또 단돈 몇 천원이면 LED면조명을 이용할 수 있다.
소요되는 초기 설치비용은 썬엘이디가 금융사에서 직접 파이낸싱을 일으켜 조달하기 때문에 소비자 입장에선 초기 비용 없이 LED조명을 손쉽게 이용할 수 있다는 점에서 유리한 프로그램이다.
썬엘이디는 기본적으로 보유한 모든 라인업에 대해 할부프로그램을 적용하고 있지만 역시 주력은 신뢰성 있는 방열기술이 요구되는 공장등과 면조명이다.
썬엘이디 관계자는 “기본적으로 국내 LED조명시장이 열리지 않는 것은 제품 가격이 비싸기 때문이고, 그래서 소비자들이 선뜻 손을 안대는 것”이라며 “때문에 우리는 투자여력이 부족한 소비자가 비용부담을 느끼지 않도록 할부프로그램을 통해 LED조명을 보급하고 있다”고 설명했다.
고출력 LED스포츠조명분야에서 경쟁력을 갖춘 비솔(대표 이재영)은 이중 냉각구조의 방열기술로 고와트 제품의 열 배출 문제를 해결했다.
비솔의 고출력 LED조명은 냉각팬이 외부공기를 조명장치 내부로 유입시키고, 유입된 공기가 LED소자 사이를 빠르게 통과하면서 열을 대기로 방출하도록 설계됐다.
역시나 뜨거운 열기가 문제인 PDP, LCD TV의 방열기술을 LED조명에 응용한 것이다.
비솔 관계자는 “일단 1차적으로 다수의 LED소자가 설치된 메탈보드를 여러 개의 히트파이프 열전달핀과 냉각핀이 있는 방열판에 밀착시키면 메탈보드에서 발생한 열이 방열판으로 고르게 확산되면서 히트파이프 열전달핀과 냉각핀에 전달돼 대기로 방출된다”면서 “이후 2차로 냉각팬이 작동하면서 유입된 공기가 LED소자의 열을 빠르게 흡수해 외부로 방출시킨다”고 설명했다.
비솔은 이 같은 이중 냉각구조를 채택한 결과 경쟁 제품 대비 방열효과는 200% 높은 대신 중량은 14kg 미만의 제품을 생산할 수 있게 됐다고 밝혔다.
이런 방열기술을 확보한 덕분에 비솔은 최근 800W급 고출력 LED조명을 출시한데 이어 1.2kW급과 3kW급 제품을 연이어 선보이며 대용량 메탈할라이드램프 대체용 시장의 선도업체로 발돋움했다.
LED조명업계의 한 전문가는 “LED조명에서 광원 대비 기구의 가격비중이 증가하면서 가격경쟁력 확보와 제품경량화를 위해 방열기술이 급속도로 발전하고 있다”면서 “또 방열 소재 역시 기존의 알루미늄 기반 메탈 베이스에서 고분자 방열소재, PCM(상변화), 그래핀 등 탄소기반 소재로 발전하고 있지만 높은 가격과 양산화기술 확보는 선결해야 할 과제”라고 말했다.
윤정일 기자 (yunji@electimes.com)
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