박효열 KERI 나노융합에너지소재연구센터장은 "방열 코팅제를 사용하면 현재 열의 발생 문제로 어려움을 겪고 있는 고출력 LED 제작이 용이해져 LED 조명시장의 활성화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
LED 조명에 나노복합소재를 접목, 단순히 바르는 것 만으로 LED 조명의 온도를 크게 떨어뜨릴 수 있는 코팅기술이 국내연구진에 의해 개발됐다. 한국전기연구원(원장 유태환, 이하 KERI) 나노융합에너지소재연구센터 박효열 박사팀은 최근 LED개발에 있어 최대 현안인 LED 소자의 온도를 낮추는 LED 방열용 코팅제를 개발하는데 성공했다. LED는 에너지 절약효과가 매우 우수하고, 수명이 길며, 수은이 사용되지 않는친환경 제품으로 최근 각광을 받고 있다. 이러한 장점 때문에 조명이나 LED TV의 BLU(Back Light Unit) 등 첨단 분야에서 전세계시장이 천문학적으로 증가하고 있다. 문제는 가격과 열의 발생이다. 가격은 반도체 특성상 공정 개선과 시장 확대에 따라 해결되고 있지만, 열의 발생은 여러 방열 기술의 개발에도 불구하고 여전히 문제로 남아있다. LED는 투입전력의 약 80% 정도가 열로 발생한다는 치명적 한계를 갖고 있다. 이는 LED가 빛(光)을 전자로부터 직접 얻기 때문에 전도나 대류에 의해 방출되는 열의 자연 방출 메커니즘이 없기 때문이다. LED는 반도체이므로 일정 온도 범위의 작동 영역을 갖고 있어서 온도를 그 범위 내에서 제어해야 한다. LED를 사용함에 따라 LED 소자의 온도가 올라가고 이렇게 소자의 온도가 올라갈수록 LED의 발광효율이 떨어지고 수명도 줄어들게 된다. 특히 조명용 LED의 경우 고출력 소자를 사용하므로 열에 의한 LED의 효율 감소 및 수명 단축은 더욱 심각한 문제였다. 따라서 LED 소자에서 발생된 열을 소자의 바깥으로 방출해 LED 소자의 온도를 낮추는 것이 LED 관련 업계의 최대 현안이 되고 있으며, 방열 기술은 LED 개발 분야의 핵심 기술로 대두되고 있다. LED 방열 방식에는 패키지식, 공랭식, 수냉식, 열전소자 등이 있고, 지금도 새로운 방열 방식이 계속 연구되고있다. 현재 LED의 방열에 가장 많이 사용되는 알루미늄 방열판(Heat Sink)의 경우 표면에서 열복사 특성이 좋지 않아 열방사가 잘 이루어지지 않고 있다. KERI 박효열 박사팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 열복사 특성이 우수한 세라믹 입자와 결합제(바인더)를 결합한 방열 코팅제를 개발하고, 이를 LED 조명의 방열판에 코팅함으로써 열방사특성을 극대화했다. 연구팀이 개발한 기술은 LED의 방열에 사용되고 있는 알루미늄 방열판의 표면에 개발된 방열 코팅제를 바르면 방열판으로부터 열의 복사에 의해 열이 잘 방출되는 원리를 이용한 것이다.
방열판으로 많이 사용되는 알루미늄의 표면을 방열 코팅제로 코팅한 것과 코팅하지 않은 것의 방열 특성을 비교한 결과, 방열 코팅에 의해 온도가 90℃에서 80℃로 10℃ 가량 떨어지는 효과가 관찰됐다. 박효열 박사는 "실제 사용되고 있는 LED 조명을 대상으로 실험을 한 결과, LED의 방열판에 방열 코팅제를 바를 경우 LED 소자가 부착되어 있는 기판의 온도가 방열 코팅제를 바르기 전과 비교해 10% 가량 떨어지는 것을 관찰할 수 있었다"며, "온도가 떨어지는 정도는 발열온도가 높을수록 더 큰 비율로 떨어지므로 열이 많이 발생되는 고출력 LED 조명에 매우 큰 효과가 있을 것으로 예상된다"고 설명했다. 그는 "이번에 개발된 방열 코팅제를 사용하면 현재 열의 발생 문제로 어려움을 겪고 있는 고출력 LED 제작이 용이해져 LED 조명시장의 활성화에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 또한 방열판의 표면적과 무게를 상당히 줄일 수 있으므로 콤팩트한 설계가 가능하다. 박효열 박사는 "조명설비는 일반적으로 천장에 설치하므로 LED의 무게를 줄이는 것은 매우 큰 이점이며, 결과적으로 방열판 제작에 소요되는 비용도 절감할 수 있다"며, "방열판의 표면적과 무게를 줄일 수 있으므로 소비자의 감성을 자극하는 LED 디자인을 상당히 자유롭게 할 수 있는 것도 큰 장점이며, 실제 방열코팅에 의해 방열판의 표면적을 30%까지 줄일 수 있음을 실제실험을 통해 확인했다"고 말했다. 이번에 개발된 방열 코팅제는 LED뿐만 아니라 최근 PDP와 LCD의 전원부, 컴퓨터부품 및 모터, 전기자동차의 구동 모터 등 열이 발생되는 전기·전자부품의 대부분에 사용이 가능하다. 연구팀은 열이 발생되는 표면에 단순하게 코팅을 함으로써 열을 떨어뜨릴 수 있고 적용이 매우 간편하며, 추가로 필요한 코팅 공정의 소요비용이 크지 않기 때문에 차세대 LED 제작 공정에 방열 코팅제의 사용이 점차 확산될 것으로 기대하고 있다. 연구팀은 현재 개발된 방열 코팅제와 관련해 국내외에 특허를 출원한 상태이며, 기술이전을 통해 상용화에 나설 계획이다. 현재 LED 사용량의 상당 부분은 LED 산업을 이끌고 있는 LED TV의 BLU다. 그러나 LED 산업이 크게 발전하기 위해서는 기존 세계시장 규모가 40조 이상, 국내시장 규모가 2조 이상이 되는 조명시장에 LED가 활발하게 활용돼야 하고 그 시기는 향후 1~2년 후부터 시작될 것으로 업계에서는 분석하고 있다.
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