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- i -

공학석사학위 청구논문

LED형광체 토출을 위한 SCREW PUMP마모 특성에

대한 연구

Screw pumpfordispensingLEDphosphorwear

characteristics

2011년 8월

인하대학교 대학원

기계공학과(기계공학전공)

김 순 현

- ii -

지도교수 조 명 우

이 논문을 석사학위 논문으로 제출함

- iii -

이 논문을 ◯◯◯의 석사학위논문으로 인정함

년 월 일

주심

부심

위원

- iv -

Screw pumpfordispensingLEDphosphorwear

characteristics

by

Soon-HyunKim

ATHESIS

Submittedtothefacultyof

INHA UNIVERSITY

DepartmentofMacanicalEngineering

Agust2011

- v -

목 차

요 약 문 ······································································································ⅷ

Abstract ·······································································································ⅸ

List of Figures ···························································································ⅺ

List of Tables ···························································································ⅹⅴ

제 1 장 서 론

1.1 연구 배경 및 동향 ································································································ 1

1.2 연구 목적 ················································································································ 2

제 2 장 LED의 기초 이론

2.1 LED의 기본 구조 ·································································································· 3

2.2 LED의 생산 공정 ·································································································· 5

2.3 WHITE LED 제작 방법 ······················································································ 6

제 3 장 LED 형광체의 정의 및 특성 분석

3.1 형광체의 정의 ········································································································ 9

3.2 형광체의 특성 분석 ···························································································· 10

제 4 장 DISPENSING(형광체 토출) 시스템 구성

4.1 DISPENSER SCREW PUMP 구조 및 작동원리 ·········································· 14

4.2 DISPENING SYSTEM 구성 ·············································································· 15

제 5 장 SCREW PUMP 재질에 따른 토출 실험

5.1 T.C SCREW PUMP 개요 ·················································································· 18

5.1.1 Tungsten Carbide 이론 ·········································································· 18

5.1.2 Tungsten Carbide 토출 실험 ································································ 20

5.2 S.C SCREW PUMP 개요 ·················································································· 21

- vi -

5.2.1 Silicone Carbide 이론 ············································································· 21

5.2.2 Silicone Carbide 토출 실험 ··································································· 23

5.3 B.C SCREW PUMP 개요 ·················································································· 24

5.3.1 Boron Carbide 이론 ················································································ 24

5.3.2 Boron Carbide 토출 실험 ······································································ 26

제 6 장 결 론

6.1 SCREW PUMP 재질별 토출 비교 분석 ························································ 28

6.2 결론 ························································································································ 29

참고 문헌 ························································································································ 30

- vii -

요 약 문

최근들어 LED를 기존의 램프조명을 대신하는 용도로 채용하는

사례가 기하급수적으로 증가하고 있다.LED의 교체가 두드러지는

분야로는 자동차,일반조명 등의 고휘도에 해당하는 제품 시장이

있지만,디지털 평판 TV의 주력으로 자리매김을 하고 있는 LCD

TV용 백라이트 시장 또한 무시할 수 없는 거대 시장으로 떠오르고

있다.LED PKG 생산공정은 LeadFrame위에 Die본딩 Wire본딩

을 하고,LED Chip의 보호와 휘도 향상,WHITELED 구현을 위

해 EPOXY를 Dispensing하며 몰딩 공정을 통해 이루어진다.이 공

정중 LED의 모든 성능을 결정하며,전체 공정대비 중요도가 60%

이상 차지하는 Dispensing공정에서 가장 핵심이 되는 정량 토출을

위해 모터로 구동되는 로터리-스크류(rotaryscrew)를 이용하여

Oxide-Nitride형광체 토출을 실험 하였다.이 실험에서 기계적

물성치의 영향을 받아 토출기의 노즐 및 스크류의 성능저하와 LED

밝기의 균일성에 문제점으로 조명용 광원으로 부적절하게 사용되는

원인이 되며,이러한 문제점의 원인 분석중 형광체와 스크류의 마

모 현상에 대해 알아보았으며,경도성이 우수한 T.C(Tungsten

Carbide),S.C(SiliconCarbide),B.C(Broncarbide)세가지 재질의

스크류를 비교 토출 실험함으로 마모 평가 분석 및 스크류 토출의

최적 조건에 대해 알아보았다.

- viii -

Abstract

In recent years, LED lighting, lamps, instead of existing for

the purpose of hiring practices is growing exponentially. LED

replacement of the prominent areas of the automotive,

general illumination market, including products for high

brightness, but with digital flat-panel TV is positioned as the

flagship of the backlight for the LCD TV market, also has

emerged as a huge market that can not be ignored. Lead

Frame LED PKG production process and over the Die

Bonding Wire bonding, LED Chip, and brightness enhancement

of the protection, WHITE LED EPOXY for implementation,

and the molding process is done through the Dispensing.

Two-process to determine all of the performance of the

LED, and the whole process takes more than 60 percent

compared Dispensing importance in the process to dispense

the most important being motor-driven rotary-screw

(rotaryscrew) by Oxide-Nitride Phosphors for discharge were

tested. In this experiment, the influence of mechanical

properties of the discharge nozzle and the screw-based LED

brightness and uniformity of performance problems that are

used inappropriately as a light source for illumination is the

cause, the cause of these problems, the wear and screw-in

fluorescent bunseokjung had learned about, hardness and

superior TC, SC, BC discharge experiment comparing three

kinds of material by the screw and screw wear rating

analysis looked for optimum dispensing.

- ix -

List of Figures

Fig. 2-1 파장에 따른 색상 ········································································································ 3

Fig. 2-2 LED CHIP 구조 ·········································································································· 4

Fig. 2-3 LED PACKAGING 공정. ························································································· 5

Fig. 2-4 CIE diagram에 나타난 White LED ······································································· 6

Fig. 2-5 White LED제조 방법 ································································································· 8

Fig. 3-1 형광소재 에너지 전환 과정 ···················································································· 10

Fig. 3-2 Oxide Phosphor ········································································································ 11

Fig. 3-3 형과체 분말의 입도 분석. ······················································································· 13

Fig. 3-4 Nitride Phosphor ······································································································ 14

Fig. 4-1 SCREW PUMP 구조 ································································································ 15

Fig. 4-2 Dispensing System 구성 ························································································· 16

Fig. 4-3 Dispensing System ··································································································· 18

Fig. 5-1 T.C 토출전 SCREW 상태 ······················································································· 20

Fig. 5-2 T.C 토출후 SCREW 상태 ······················································································· 21

Fig. 5-3 S.C 토출전 SCREW 상태 ························································································ 23

Fig. 5-4 S.C 토출후 SCREW 상태 ························································································ 24

Fig. 5-5 Phase diagram for B-C system. ··········································································· 25

Fig. 5-6 B.C 토출후 SCREW 상태 ······················································································· 27

- x -

List of Tables

Table. 4-1 SCREW PUMP 특성 ···························································································· 15

Table. 6-1 T.C S.C B.C 토출후 SCREW 마모 상태 ························································· 28

- 1 -

제 1 장 서 론

1.1 연구 배경 및 동향

LED(LightEmittingDiode)는 처음 개발된 이후 40여 년이 흘렀지만 지금처

럼 많은 사람들의 관심을 끌기 시작한 건 그리 오래된 일이 아니다.1990년대

초 InGaAlP를 이용한 고휘도 적색 LED 개발과 질화물계(nitride)청색 LED의

출현이 오늘의 LED붐을 조성하는 결정적인 역할을 하였다고 볼 수 있으며 연

이어 개발된 녹색,백색,UV LED에 의해 LED는 이제 인간의 생활 속에 깊이

자리잡기 시작하였다.특히 에너지절감 및 친환경적인 측면에서 이상적인 광원

이라는 사실은 응용시장의 팽창을 가속화시키고 있으며 일반 가정이나 사무실

에서 사용되는 조명영역에까지 침범할 수 있는 21세기 차세대조명용 광원으로

평가 받고 있다.이러한 급속한 응용분야의 확대와 시장의 팽창은 각 기업으로

하여금 LED제조설비 투자 및 확대를 촉진하게 하고 있으나 기술 선진 기업들

에 의한 특허소송 및 기술동맹에 의한 쇄국 정책,그리고 중국,대만의 저가공

세 등은 우리나라 LED 기업들이 극복해야 할 장벽들이다.아직도 LED기술은

가야할 길이 멀고 LCD BLU,자동차,조명 등 큰 잠재시장을 앞에 두고 있는

시점에서 기술 후발국인 우리나라는 전략적인 차원에서 기술개발을 모색해야

할 때이다.우리는 “빛”이라고 하면 제일 먼저 태양을 떠올리게 마련이다.왜냐

하면 태양은 천연 광원으로서 지구상에 존재하는 모든 동식물의 생명활동을 지

탱해 주는 근원이 되기 때문이다.이러한 태양에서의 나오는 빛의 파장을 조사

해 보면 파장이 짧은 자외선부터,사람의 시각을 자극시킬 수 있는 파장의 가시

광선,그리고 파장이 긴 적외선에 이르는 넓은 파장 범위를 모두 포함하고 있

다.이러한 빛을 우선 조명을 위해 인공적으로 만들 수는 없을까하는 꿈은 사실

상 인류의 시작과 함께 도전이 시작되었다.선사시대의 모닥불에서부터 등잔불,

가스등 등을 거쳐 현대의 백열 전구,형광등에 이르기까지 끝임 없는 시도가 이

루어왔다.그러나 사실상 조명을 위한 인공 광원의 효시는 1879년 에디슨이 발

명한 탄소 필라멘트 백열전구로부터 시작되었다고 할 수가 있다.그 후 탄소 필

라멘트를 텡스텐으로 개량하고 진공 전구 안에 가스의 변화를 주는 등 현재와

- 2 -

같은 제품에 이르게 되었고,1940년대 초반 이후에는 방전에 의해서 생기는 자

외선이 칼슘 할로인산 형광체를 여기시켜 가시광선으로 변환시키는 형광등의

출현은 가정용,산업용 조명으로서 아주 중요한 광원으로 주류를 이루게 되는

상황에 이르렀다.이러한 인공광원의 출현과 더불어 인류의 삶에 많은 변화와

번영을 주었던 시대의 분위기가 1973년의 오일 쇼크를 정점으로 사회 모든 분

야에서 에너지 절약을 강조하게 되었다.그럼에도 불구하고 올해 미국에서는 오

일쇼크 이후 현재 최악의 에너지난에 직면해 있다면서 앞으로 20년간 원자력

발전소를 1300～1900개 건설이 필요하다는 에너지 종합 대책을 발표하기에 이

르렀다.고도의 산업 개발위주의 에너지정책과 그것의 대가로 심각히 오염되고

있는 지구 환경도 보호해야 하는 환경보호정책 과의 양단간의 심각한 딜레마에

빠지게 되고 말았다.다행히도 최근에는 발광효율이 높고,장수명의 반도체

LED를 조명에 사용하여 전력 소모를 줄임으로써 에너지 소모도 줄이고,이에

따라 환경을 보존하고자 하려는 움직임이 선진국을 중심으로 일어나고 있다.이

와 같은 현상은 종래의 저휘도 LED가 최근 반도체 기술의 발달로 고휘도 적색,

청색,녹색 LED,나아가서는 백색 LED가 구현이 가능함에 따라 차세대 조명기

기에 대한 응용 가능성을 엿보게 되었기 때문이다.또한,LED자체의 고휘도화,

장수명화,고색순도화 등 성능향상에 따라 LED의 채용이 두드러질 것으로 보

여지는 분야로는 자동차,일반조명 등의 상당히 고휘도에 해당하는 제품시장도

있지만,디지털 평판 TV의 주력으로 자리매김을 하고 있는 LCD TV용 백라이

트 시장 또한 무시할 수 없는 거대시장으로 떠오르고 있다.시장조사기관의 보고에

따르면 2010년 LCD BLU용 LED의 전체 LED 시장에서의 점유율은 약 14%에

이를 것으로 전망하고 있다.기존에는 LCD Monitor및 LCD TV에는 주로

CCFL이 사용되어 왔지만 점차 CCFL과 같은 램프조명을 통해서 장치의 고품위

및 경박단소화에 한계가 있으며,최근 수은 등 환경유해물질의 규제가 심각해짐

에 따라 친환경적인 소재부품인 LED로의 전환이 대세로 굳어지고 있다.환경문

제와 더불어 LED를 LCD의 백라이트 광원으로 사용하게 되면 여러가지 이점을

얻을 수 있다.대표적으로 수명이 거의 10만 시간에 가까우며,소비전력 또한

백라이트 전체 기준으로 보면 CCFL대비 절반 정도로 낮다.또한 LED를 채용

하게 되면 제품의 박형화가 가능하다.이는 평판 디스플레이의 가장 큰 세일즈

포인트가 될 수 있다.그 다음으로는 풍부한 색재현성 또는 연색성과 높은 명암

- 3 -

비를 얻을 수 있다는 장점을 들 수 있다.기존 CCFL을 사용한 경우 NTSC기

준으로 70%에 불과하던 ColorGamut이 RGB3색을 혼합하여 백색을 구현하는

경우에는 100% 이상에 달하여 현존하는 모든 디스플레이를 통틀어 가장 우수

한 색재현성을 얻을 수 있다(CRT TV 85~90%,CCFL방식 LCD TV 70% 수

준).이밖에 LED의 빠른 응답성을 이용하면 보다 효과적인 화질제어가 가능하

여 현재보다 더욱 탁월한 LED BLU의 구현 가능성이 높다.이러한 많은 성능

상의 장점 이외에도 CCFL을 LED로 대체함으로써 얻게 되는 경제적인 효과 또

한 무시할 수 없다.노트북 PC에 주로 쓰이는 15인치급 LCD패널의 경우 CCFL

이 적용된 백라이트가 차지하는 전체 LCD에 대한 원가 비중은 약 23%에 해당

하는데 30인치급이 되게 되면 그 비중이 38%로 1.6배 정도 증가하게 되어 대형

화에 따른 비용증가를 감당하기 어려운 상황이다.따라서 LED이외에도 EEFL,

CNT,면광원 등을 이용한 여러가지 대체 광원을 개발하려는 요구가 커지고 있

는 실정이며 이러한 대체기술들의 개발과 함께 CCFL의 저가격화에 의한 백라

이트 가격 하락세가 급격히 이루어지고 있어 LED가 얼마나 빨리 가격경쟁력을

확보하느냐가 LED 백라이트 성공의 관건이 될 것으로 보인다.이 부분에 있어

서 LED 업계들에 따르면 LED ChipWafer프로세스가 점차 인치수를 높여감

에 따라 제조원가가 많이 떨어질 수 있을 것으로 낙관하고 있다.이렇게 되면

LED 백라이트의 가격은 매우 떨어져 원가 면에서 상당히 경쟁력을 갖출 것으

로 보이며,이러한 경향은 광원의 원가비중이 큰 40인치 이상 대형 LCDTV에

서 더 크게 작용할 것으로 보인다.이와 함께 전면적에 걸쳐 필요에 따른 색의

조합을위한 LED 인가전류의 순간적인 제어기술과 또한 제품설계 측면휘도와

색의 균일성을 얻어내야 한다는 어려움의 장벽을 뛰어넘어 노력해야 할 중요한

과제이다.

- 4 -

1.2 연구 목적

Dispensing System의 가장 핵심이 되는 정량 토출을 위해 크게 세가지

Dispenser로 구분지었다. 로터리-스크류(rotaryscrew) 양변위

(positive-displacement),젯팅 Getting)이 세가지 중에서 모터로 구동되는 스크

류를 이용하여 용액을 토출하는 로터리-스크류(rotaryscrew)의 형광체 토출시

스크류와 외벽의 마모가 발생함을 발견하였고,이는 형광체 오염과 비정량 토출

의 원인 될 수 있으며,토출기의 노즐 및 스크류의 성능 저하를 가져오게 된다.

또한 형광체 토출 후 LED밝기의 균일성 저하 불균일한 색온도 분포를 가지므

로 조명용 광원으로 부적합하여 LED양산 생산 시에 다량의 불량품과 저 등급

의 제품이 발생하는 원인이 된다.이러한 문제점을 개선하기 위하여 스크류 방

식의 토출기에 가장 보편적으로 사용하고 있는 NitridePhosphor를 경도성이 우

수한 T.C(TungstenCarbide),S.C(SiliconCarbide),B.C(Broncarbide)3가지

재질에 따른 스크류의 마모 평가 분석 및 토출 성능을 고찰한다.

제 2 장 LED의 기초 이론

2.1 LED의 기본 구조

LED 란 LightEmittingDiode의 약자로 발광(發光)다이오드를 뜻하며 이

는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선 또는 빛으로 변환시켜

신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체의 일종으로 가정용 가전 제품， 리모콘,

전광판，표시기，각종 자동화 기기 등에 사용된다.발광의 원리는 다음과 같다.

발광 원리 :화학기호 m족 원소인 갈륨 (Ga)，알루미늄 (AD과 V 족 원소인

인(P),비소(As)를 화합시켜서 N족 원소와 흡사한 반도체를 생성한다.이렇게

생성된 반도체에 정방향 부하를 가할 경우 전자가 에너지 레벨이 높은 곳

(ConductionBand)에서 낮은 곳(ValenceBand)로 이동할 때 그 에너지의 차에

해당하는 부분에 대응하는 파장의 빛을 발한다.이때 에너지의 차이가 크면 파

장이 길은 장파장의 광(적색)을 발광하고 적으면 파장이 짧은 단파장의 광(청

색)을 발한다.

- 5 -

Fig. 2-1 파장에 따른 색상

LED는 일반적으로 기판(substrate)위에 N형 반도체,P형 반도체,그리고 반

투명의 P-Metal등의 순서로 형성되는 3층의 박막과 N전극 층을 포함하는 총

4종의 주요박막 층으로 이루어지며,대부분의 LED는 기판위에 N형 반도체 층

을먼저 성장 시키고 그 다음 P형 반도체 층을 성장시켜 만들어진다.GaAs기

판을이용한 InGaAIP계 LED는 격자정합 구조로써 결함의 생성이 문제시 되지

않지만 sapphire기판과 질화물계 에피층의 격자 부정합도는 매우 커서 결함 없

는 에피층의 성장이 불가능하여 내부 양자효율이 낮은 편이다.그리고 sapphire

기판은 부도체이기 때문에 에피층에서 pn전극을 모두 해결해야 하며 p층의

저항이 높기 때문에 질화물계 LED는 GaAs기반 LED와는 다른 에피 설계가

필요하다.질화물계 LED에서 전위 같은 결함의 생성을 최소화하고 결함의 전파

를 억제하기 위해 기본적으로 적용하는 기술은 저온 버퍼층 성장 기술로서 50

0℃부근의 저온에서 AlGaN 핵생성층을 얇게 형성한 후 온도를 올려 스스로 합

체시키는 방법을 보편적으로 적용하고 있다.버퍼층 위에 순차적으로 N층 활성

층 P층의 구조를 성장시킨다.활성층으로는 효율을 높이기 위해 다중양자우물

구조(multiplequantum well,MQW)를 삽입하는데 우물층과 장벽층의 조성 및

두께를 제어하여 원하는 파장을 얻는다.Fig.1-2는 LED의 칩 구조를 나타낸 것

이다.

- 6 -

Fig. 2-2 LED CHIP 구조

2.2 LED의 생산 공정

LED 칩을 제작하기 위해서는 노광공정(photolithography),식각 (etching)공

정,금속전극 증착(metallization)공정,passivation,lapping/polishing등의 단위

공정을 거친후 In-line공정인 diebonding공정과 wirebonding공정으로 이루

어진다. Diebonding 공정은 칩을 lead frame의 cup중앙에 미리 발라진

epoxy위에 적당한 압력으로 눌러 위치시키는 것이 중요하며,wirebonding공

정은 goldwire를 반도체 칩 위면 전극과 한쪽 leadframe을 적당한 압력으로

접착.연결하는 것이 중요하다.다음 Mold공정은 칩이 bonding된 leadframe을

epoxy로 감싸는 공정이다.epoxydispensing후 전기 oven에 넣고 경화시켜

LED램프를 완성한다.Mold공정에서 세분화 하여 크게 두가지인 epoxy를 적

절한 배합비에 맞게 mixing하는 공정과 dispensing& cure공정으로 나눌수 있

다.이는 led제작 공정중 제품 품질에 가장 핵심이 되는 공정으로 제품 불량의

가장 큰 원인이 되기도 한다.칩에서 발생되는 광에너지가 여기에 의해 자체 발

광을 하는데 형광체의 흡수강도가 제품의 출력을 결정하는 중요한 요인이며,형

- 7 -

광체 도포방법은 방출광의 색균일도를 결정하는 중요한 과정이다.주요 불량 원

인인 MoldCup의 Epoxy와 leadframe과의 삽입 높이,수평 유지,center위치

등이 이루어진다.마지막으로 Test및 분류 공정으로 LED램프의 전기적.광학

적 특성을 측정하여 그 성능에 따라 분류하하고 자동 삽입기에 쓸 수 있도록

LED램프의 형태를 만들어 주고 (Forming)Tape에 붙이는 공정이다.

Fig. 2-3 LED PACKAGING 공정

2.3 WHITE LED 제작 방법

1993년말에는 일본의 니치아 화학에서 InGaN 고휘도 청색 LED가 개발되었

고,1995년에는 고휘도 녹색 LED가 개발됨으로써 오랜 숙원이었던 빛의 삼원색

인 적색,청색,녹색 LED가 등장하게 되었다.1996년에는 청색 LED에 형광물질

을 첨가 시켜서 구현한 백색 LED가 개발되었고,2000년도에는 LED의 성능지

수가 형광등보다도 훨씬 좋은 100lm/W를 능가하는 적색 LED가 개발됨으로써

반도체 조명의 시대가 도래를 예고하게 되었다.LED발전사를 보면 실제적으로

LED는 1960년대 초부터 연구를 시작하여,1960년대 후반부터 상용 화가 되었

다.그 후 30여 년이 지난 이 시점에서 LED를 이용한 반도체 조명이 새롭게 부

각되고 있는 이유가 무엇일까 하는 점을 생각해 보기로 하자.우선 LED의 성능

지수의 향상과 빛의 3원색을 이용하여 백색 비롯하여 총천연색을 만들 수가 있

- 8 -

다는 점이다.여기서의 성능 지수는 조명효율(luminousperformance)로 나타내

는데 LED에 공급한 1Watt전력당 사람 눈이 느끼는 밝기(lumen:lm)값으로 나

타낸다.때로는 칸델라(cd)로 표시되는 광도로 나타내기도 한다.여기서 1cd는

555nm의 단색광을 방출하는 광원의 복사도가 단위 입체각(steradian)당 1/683

W 일 때 그 방향에 대한 광도를 나타낸 다.시감도,즉 사람 눈이 느끼는 밝기

는 파장에 따라 lumen값이 결정되는데 555nm(1nm = m)파장의 녹색빛

은 683lumen을 1로 기준으로 한다.이때 470nm의 청색은 62lumen으로 시감

도 가 0.1,625nm의 적색은 219nm로 0.3밖에 안된다.

Fig. 2-4 CIE diagram에 나타난 White LED

1980년대 초반까지만 하더라도 적색 LED의 조명효율은 1lm/W에 머물러

형광등은 물론 백열 전구에도 크게 못 미치는 수준이었다.그러나 1990년 중반

에 들어서면서 AlGaAs적색 LED의 조명 효율이 백열 전구 수준을 넘어서 마

침내 2000년도에는 미국의 Agilent(구 hp)에서 개발된 TIP(TruncatedInverted

Pyramid)구조의 InGaAlPLED가 형광등 수준을 훨씬 추월하게 되었다.적색

LED의 조명효율이 적색 필터를 쓴 백열전구에 비하여 20배 이상 높음을 알 수

있는데,이는 교통신호등에 위와 같은 InGaAlP적색 LED를 사용하면 전력소모

를 20분의 1정도로 줄일 수 있는 가능성을 보여 준다.한편 InGaN 녹색 및 청

- 9 -

색 LED도 조명효율이 백열 전구 수준을 능가하게 이르렀고,빛의 삼원색을 구

현할 수 있는 고휘도 LED가 모두 개발됨에 따라 총천연색 실외 전광판을 비롯

한 대형 디스플레이의 제작이 가능하게 되었다.그러나 위와 같은 적색,녹색

및 청색 LED의 3개 칩을 사용하여 백색 비롯하여 모든 색을 만들 수는 있는

방법은 주로 디스플레이용으로만 국한되어 있고,실제로는 일반 조명에 사용될

수 있는 백색 광원은 청색 LED에 노란색 형광물질을 도포하여 구현된 백색

LED가 등장함에 따라 LED의 응용 범위가 크게 넓어지게 되었고,마침내 LED

을 사용하는 반도체 조명에의 길로 성큼 다가가게 되었다.

현재 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있는 GaN 백색 LED의 제작 방법으

로는 크게 네가지로 나눌 수가 있다.청색 혹은 UV LED칩과 그 위에 형광물

질을 도포하는 단일 칩형태의 두 가지 방법과 두 개 혹은 세 개의 LED칩을 조

합하는 멀티 칩 형태로서의 두 가지 방법으로 각각 나뉘게 된다.Fig.2-5에서는

백색 LED를 구현하기 위한 제작 방법을 나타낸 것이다.

1990년대 후반에 들어서,고휘도 청색 LED가 상용화가 이루어짐에 따라 청

색 LED를 여기광원으로 사용하고,여기광을 내는 YAG(Yttrium Aluminum

Garnet)의 노란색(560nm)을 내는 형광 물질을 접목시킨 형태의 백색 LED가

처음으로 등장하게 되었다.그러나 청색과 노란색과의 파장 간격이 넓어서 색

분리로 인한 섬광효과 (Haloeffect)를 일으키기가 쉽다.따라서 색 좌표가 동일

한 백색 LED의 양산에 어려우며,조명 광원에서 중요한 변수인 색온도(Color

Temperature:CT)와 연색 평가지수(ColorRenderingIndex:CRI)의 조절도 매우

어렵다.또한 주변온도에 따라 색 변환 현상이 치명적인 단점으로 되어 있다.

이에 따라 적색을 내는 형광물질을 첨가하여 발광 스펙트럼을 넓혀서 이러한

단점으로 보완하고자하는 시도도 있었으나,UVLED가 여기 광원으로 사용됨에

따라 단일 칩 방법으로 조명용 백색 LED구현에 있어서 새로운 전기를 맞이하

게 되었다.이와 같은 방법은 형광등 램프의 구현하는 방법과 매우 비슷한 방법

으로서 UV LED위에 RGB의 다층 형광 물질을 도포하여,백열 전구 스펙트럼

과 같이 아주 넓은 파장 스펙트럼을 갖게 하여 우수한 색 안정성을 확보 할 수

가 있으며,CT와 CRI를 어느 정도 마음대로 조절 할 수가 있어서 조명용 LED

광원을 구현을 위한 가장 우수한 방법으로 대두되고 있다.한편 멀티 칩으로 백

색 LED를 구현하는 방법으로는 처음으로 시도된 것은 RGB의 3개 칩을 조합하

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여 제작하는 것이다.그러나 각각 칩마다 동작 전압의 불균일성,주변 온도에

따라 각각의 칩이 출력의 변하여 색 좌표가 달라지는 현상 등의 문제점들을 보

이고 있다.따라서 백색 LED 구현보다는 회로 구성을 통해 각각의 LED 밝기

를 조절하여 다양한 색상의 연출을 필요로 하는 특수 조명 목적에 적합한 것으

로 되어 있다.최근에는 보색 관계를 갖는 2개의 LED를 결합하여 만드는

BCW(BinaryComplementaryWhite)LED가 출현하였다.주황색과 청녹색을 4

대 1의 비율로 섞으면 백색광이 되는데,앞에서 기술한 바와 같이 주황색에서

적색까지의 발광색을 조절 할 수가 있는 InGaAlPLED는 경우에 성능 지수가

100lm/W를 초과함에 따라서 현재 조합된 백색 LED의 조명효율이 형광등과

가까운 정도인데,LED의 조명 효율이 빠른 속도로 높아지고 있는 추세이다.

Fig. 2-5 White LED제조 방법

제 3 장 LED 형광체의 정의 및 특성 분석

3.1 형광체의 정의

형광체란 빛,열,전기장 등의 다양한 형태의 에너지를 흡수하여 그물질이 가

지는 고유한 에너지 준위에 의해 가시광선의 영역에 해당하는 에너지로 전화시

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켜 방출하는 물질로서 유기물 및 무기물 형과체가 있다.이때 가시광을 외부로

방출하는 과정을 발광CIuminescence)과정이라고 한다.형광체의 발광에 사용되

는 에너지는 여러 가지가 있는데 이를 에너지원으로 나누어 보면 음극선 발광

(cathode luminescence), 광발광(photoluminescence), 전계발광

(electroluminescence), 열발광(thermo luminescence), 화학 발광(chemi

luminescence)등으로 분류된다.

형광체는 일반적으로 모체(host),활설제(activator)와 부활성제(sensitizer)로

구성된다.모체(host)는 활설제 이온을 수용하는 공간을 제공하고 활성제 혹은

부활성제와 상호작용하여 형광체의 효율을 결정하는 역할을 한다.활성제

(activator)는 주로 양이온이며 주로 host의 양이온 자리에 치환되어 발광과정에

관여하는 에너지 준위를 결정하여 발광색을 결정하며,발광효율에 영향을 미친

다.이 이온의 기저 준위와 여기 준위의 전이에 의해 에너지를 흡수 또는 방출

한다.이때 방출하는 에너지의 형태는 Radiation Transition과 Non-radiation

Transition으로 나누어 진다.현재까지 Sensitizer첨가의 정확한 영향은 밝혀지

지 않았으나 활성제의 광효율을 증가시키는 역할을 한다.또한,Sensitizer가

host내에 치환되어 들어가지 않고 자체가 상을 형성하여 이차상으로 존재하면

Luminescencekiller로 작용하여 발광 효율을 저하하는 원인이 된다.

Fig. 3-1 형광소재 에너지 전환 과정

- 12 -

3.2 형광체의 특성 및 분석

LED조명용 질화물(Nitride)·산질화물(Oxynitride)형광체(이하 질화물 형광

체)’는 기존 산화물이나 황화물 형광체와 비교해 여기효율과 장파장 발광 특성,

광내구성 등이 우수해 LED조명용으로 각광받고 있는 소재다.‘여기 효율’이란

LED칩에서 고에너지인 단파장을 흡수해 저에너지인 장파장을 발광하는 형광체

의 단파장 흡수 비율을 말한다.질화물 형광체는 LED 중에서도 최근 사용처가

많아지는 청색 LED에서 기존 형광체 대비 여기효율이 높다.또 장파장 발광 특

성이 우수해 조명에 적용할 경우 색온도는 낮추고 연색성은 높여준다.원래 엔

지니어링세라믹스로 개발된 소재여서 습기나 발열에 의한 효율 감소와 색변환

이 적다는 것도 강점이다. 소재 연구는 일본이 가장 앞서 있다.일본은 NIMS

(물질재료연구기구)와 니치아(Nichia),미쓰비시(Mitsubishi)등 기업 주도로 10

여 년 전부터 집중적인 연구가 이뤄져 실용화에도 성공했다.

청색 LED용 백색 LED는 이미 기존에 사용되어 오던 청색 LED에 황색 형

광체를 이용한 백색 LED가 주류를 이루고 있으나 최근 LCD-TV BLU를 LED

BLU로 대체하면서 청색 ELD용 녹색 및 적색 형과체의 요구가 꾸준히 증가하

고 있으며,LED BLU의 점유율이 증가함에 따라 급격히 증가하고 있는 추세이

다.또한 조명에서도 2500~4500K 사이의 낮은 색온도(CCT)를 요구하는 응용

분야도 증가하고 있기 때문에 녹색 및 적색 형광체의 요규량도 증가되고 있다.

YAG(yttrium alminum garnet)는 화학원소 가운데 이트륨(Yttrium)과 알루

미늄(Aluminum)의 산화물을 뜻하는 것으로 이트륨,알루미늄,가닛(Garnet)등

용어의 앞글자만 따서 만든 약칭이다.가닛(garnet)이라는 입방체 결정구조를

하고 있으며 모스경도 8.5,양그율도 유리의 약 4배로 산.알칼리에도 녹지 않는

기계적.화학적으로 안정된 결정체이다.YAG는 높은 양자효율을 갖는 형광체로

서 부(마이너스)온도 상태를 쉽게 실현할 수 있는 에너지 준위구조와 높은 전도

율을 갖고 있다.물리적,화학적으로 극히 안정된 재질이므로 강한 여기광 및

발진광 아래서 착색이나 과도한 흡수를 일으키지 않고 광학적으로 균일한 소요

상태의 모재를 육성할 수 있는 고체 레이저 재료로도 많이 사용되고 있다.

YAG결정은 화학적 안정성이 뛰어나 물에 직접 닿아도 변화가 없는 극히 안정

된 재질이며 광학적 균일성이 있고,특히 열전도성이 우수하면서도 냉각하기 쉬

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워 큰 출력을 연속해서 낼 수 있다.

Fig. 3-2 Oxide Phosphor

적색 형광체는 일반적으로 백색 LED를 구현할 시 자외 (UV),근자외 (NUV)

혹은 청색 LED chip을 주광원으로 녹색 (green),황색 (yellow)혹은 청색

(blue)형광체와 같이 blending하여 사용한다.백색 LED에서의 적색 형광체 적

용 연구는 주로 Eu3+를 활성제로 사용하는 산화물계 조성 (e.g.,

NaEu(W,Mo)2O8)과 Eu2+를 활성제로 사용하는 황화물 조성계로 (e.g.,

CaS:Eu2+)이루어져 왔다.하지만 이러한 형광체 조성들은 청색 영역에서의 낮

은 여기 특성 (산화물)과 매우 열악한 화학적 안정성 (황화물)을 가지고 있어

그 응용에 제한이 되어 왔다.따라서 화학적 안정성이 뛰어나고 청색영역에서

높은 여기 특성을 가지는 새로운 형광체 조성에 대한 연구가 절실한 실정이다.

최근 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 실리콘을 주요 조성으로 하는 질화물

형광체가 개발되어 LED에 적용되고 있다.결정구조에서의 알카리 토금속 금속

들과 질소 원자간의 결합 길이는 평균적으로 대략 2.880Å로 알려져 있으며,이

조성에서는 알칼리 토금속의 종류 및 조성비에 따라 orange부터 적색에 이르는

넓은 색특성을 구현할 수 있다고 보고되고 있다.알카리 토금속의 원자반경이

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커짐에 따라,발광파장이 적색으로 전이하며 이러한 현상은 일반적인 결정장 이

론으로 설명이 가능하다.마지막으로 yellow형광체는 CCFL,백열전등과 형광등

을 대체하는데 있어서 광도,연색지수와 색온도 등 고품위 성능지수의 특성을

좌우하는 핵심적인 광변환 소재로써 적색 및 녹색 형광 체와 혼용하여 LED에

적용하여 사용된다.이 와같은 배경으로 인하여 강한 공유결합성과 낮은 전자친

화도에 기인하여 온도 안정성,내구성 및 장파장 발광 특성이 우수한 질화물/

산질화물계 yellow 형광체에 대한 연구가 집중적으로 이루어지고 있다.이것은

형광체 기술 확보 여부가 향후 LED조명 시장의 제품 경쟁력 확보에 직결되어

있을 뿐만 아니라,장기적으로는 조명의 내구성 향상을 위해 종래의 산화물 형

광체를 질화물/산질화물 형광체로 대체하고자 하기 때문이다.특히 산질화물인

α-SiAlON 조성을 모체로 하는 형광체는 조성 범위가 넓고,조성 제어에 의해

yellow에서 orange영역까지의 소재로 일본의 NIMS를 중심으로 연구개발 및

상용화가 진행되고 있다 여기서 가장 효율이 높은 것으로 알려진 Ca-α

-SiAlON 황색 형광체의 여기 스펙트럼의 경우 λem=570nm영역대를 기준으로

300-450nm,발광스펙트럼의 경우,λex=460nm영역대를 기준으로 500-650nm 영

역까지 보고 되었다.이처럼 실리케이트 형광체는 여기 파장이 UV에서 Near

UV에 이르기까지 넓고 다양한 색을 낼수 있다는 것이 장점이다.실제 LED

Backlight에 사용되는 Green용 형광체의 경우 실리케이트 형광체를 쓰는 경우

가 많다.하지만 실리케이트 계열의 경우 온도 특성이 좋지 못하여 고온에서

Color특성이 변화한다.Green형광체의 경우 실리케이트를 많이 씀으로 온도에

따른 휘도 특성까지 영향을 준다.온도상승시 형광체의 휘도가 떨어지는 것을

ThermalQuenching이라고 하는데 이론상으로는,에너지원으로부터 에너지를

공급받은 형광체는 발광을 위해 에너지를 활성재(activator)로 전달하게 되는데

YAG,TAG의 경우는 Ce으로 실리케이트 계는 Eu로 전달된다 형광체 온도가

상승되면 에너지 절달시 결정구조의 불완전성으로 바른 경로로 가지 못하게 되

어 효율이 손실되게 되며 이러한 이유로 나이트라이드 계열로 개발중이다.고로

본 논문에서는 토출 TEST시 용액을 나이트 라이드 형광체 실험을 준비하였다.

질화물계 형광체는 기존 LED용 3대 형광체가 산화물을 기반으로 한 것과 달리

질소(N)를 주요 성분으로 포함하는 형광체다.상대적으로 붉은색 빛을 띠며 색

재현성·온도 안정성이 높은 것으로 알려져 있으며,전자제품 안에서 LED가 열

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을 받아도 형광체 변색에 의한 불량 발생률이 낮다

Fig. 3-3 형과체 분말의 입도 분석

Fig. 3-4 Nitride Phosphor

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제 4 장 DISPENSER(형광체 토출) 시스템 구성

4.1 DISPENSER SCREW PUMP 구조 및 작동원리

본 논문에서 사용된 스크류 방식의 LED 형광체 디스펜싱 시스템을 나타낸

다.스크류 펌프의 구동은 AC서보 모터에 의해 스크류가 회전하는 방식이다.

형광체 및 실리콘 용액의 공급은 스크류 펌프에 장착된 파이프를 통해 펌프 내

부에 있는 스크류에 용액을 전달 할 수 있고 스크류의 나사골을 따라 형광체

및 실리콘 용액이 이동 및 토출할 수 있다.투출 분해능은 0.0001mg이며,스크

류의 직경은 토출되는 용액의 점도에 따라 다르나 이 논문에서는 Nitride용액을

기준으로 Test하므로 3.4파이 스크류를 사용 하게 하였다.Fig.4-1는 디스펜싱

시스템의 스크류 펌프의 구조를 나타낸다.Table1은 스크류 펌프의 특성을 나

타낸다

구 분 특 성

토출 방법 스크류 회전에의한 제어

토출 분해능 0.0001 mg

사용 점도 범위 500 cps

구동 방법 서보 모터

스크류 직경 ∅ 3.4 mm

Fig. 4-1 SCREW PUMP 구조 TABLE 4-1 SCREW PUMP 특성

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4.2 DISPENSING SYSTEM 구성

Dispensing System구성은 공정흐름도와 같이 이루어져 있다.먼저 LEAD

FRAME기판 위에 Die본딩과 Wire본딩 만을 마치고 에폭시 액이 덮여지지

않은 일정 수량의 LED CHIP으로 배열된 STRIP을 CASSETEMAGAZINE에

적재시키면 ELEVTOR 장치의 순차동작과 ON-LOADER PUSHER에 의해

IN-LET RAIL에 적재(LOADING)된다.CASSETTEM/Z에 적재된 STRIP은

CONVERYORBELT에 의해 PREHEATERPOSITION까지 이송되며， PRE

HEATING후 토출 영역 (DISPENSING ZONE)으로 다시 이송된다.이송된

STRIP은 HEATINGBLOCK의 위에서 자재 모양의 PLATECLAMPING을 해

주며 정렬 후 에폭시 액의 토출 작업이 이루어진다.토출이 완료된 후 STRIP은

OUTLET RAIL에 의해 UNLOADERPUSHER부로 이송되고，이 때 STRIP은

UNLOADERPUSHER와 ELEVATOR에 의해 순차적으로 CASSETTEM/Z안

에 적재(UNLOADING)된다.이러한 공정이 연속해서 반복되는 완전 자동 방식

의 시스템이다.

Fig. 4-2 Dispensing System 구성

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CASSETTE MAGAZINE에 STRIP을 적재한 다음 POST HEATING

BLOCK의 CLAMP에 의해 정렬 후 에폭시 액의 토출 작업에서 RAIL에 의해

이송되어진 STRIP을 HEATER BLOCK에 의해 UP시킨 후 에폭시 액올 토출

하는 장치로 X-y로봇을 사용하여 UNLOADERPUSHER까지 이송하게 된다.

이러한 X-Y 2축 ROBOT윷 사용하여 RAII에 의해 이송되어진 단일 STRIP을

POST HEATERBLOCK에 의해 UP시킨 후 DISPENSING하는 방식을 사용하

면,STRIP을 교체하는 시간 동안 실런지 안의 에폭시 액이 경화되어 LED 디

스펜싱에서 불량이 발생하게 된다.이를 개선하기 위하여 X-Y-Z3축 ROBOT

을 사용하여 RAIL에 의해 순차적으로 번갈아 이송되어진 2개의 STRIP을

POSTHEATERBLOCK에 의해 UP시킨 후 연속적으로 토출하는 방식을 적용

하였다.이 STRIP교체 시간이 발생하지 않아 실린지 안의 에폭시액의 경화가

감소하여 균일한 토출이 가능하게 되어 불감소하게 하였다. 다음으로

ONLOADER UNIT의 공정을 개선하였다. 기존 방식은 작업을 위하여

CASSETTEM/Z에 STRIP을 적재 후 M/ZLOADJIG부에 안착 시킨 뒤 컨베

이어벨트(conveyorbelt)에 의해 ELEVATOR장치까지 이송하고， ONLOADER

CONVEYORBELT에 의해 공급되어진 CASSETTEM/Z을 STEPBY STEP

로 STRIP을 공급한다.그리고 공급된 STRIP의 M/Z을ELEVATOR MOVING

BLOCK으로 이송한다.이때 SENSOR가 ON되어 있어야 전진하게 된다.

LOADINGCONVEYOR에 의해 공급된 M/Z을 ELEVATORM/ZCALMP장치

가 LOADING 할 수 있게 제어한다 이 공정을 위하여 ELEVATOR UNIT,

MAGAZINE、ONLOADER CONVEYOR UNIT과 MAGAZIN‘E IN/OUT

LOADING UNIT이 사용된다.이러한 복잡하고 여러 단계의 과정을 통해 이루

어지기 때문에 정말도와 작업속도가 느렸다.개선된 마지막으로 실린지 안의 에

폭시 액의 잔량을 보상제어하였다.기존의 시스템은 LED에 에폭시하는 공정에

서 시간이 경과함에 따라 실린지 안에 남아 있는 에폭시액이 경화되는 문제와

토출에 의하여 실린지 안의 에폭시양이 감소하여 토출을 조절해 주어야하는 문

제가 발생한다.이러한 문제들은 각가 LED에 에폭시액의 토출양의 차이나

LED에폭시액의 성형이 비정상적으로 일어나 생산 불량을 초래하게 된다.

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Fig. 4-3 Dispensing System

제 5 장 SCRE PUMP 재질에 따른 토출 실험

5.1 T.C SCREW PUMP 개요

5.1.1 Tungsten Carbide 이론

초경합금이란 넓은 의미에서 원소주기율표의 IVa-Va-Via족 전이 금속 탄화

물 분말고 함께 소결하여 만든 복합합금을 말한다.여러 가지를 조합할 수 있으

나 그 가운데에서도 실온부터 고온까지 기계적 성질이 우수한 WC-Co계 합금

(WC-Co,WC-Tic-TaC-Co)이 주로 사용되고 있다.탄화물과 경합금속의 특성

이 나타나 대단히 굳고 강인성이 높아 절삭공구(바이트,프레이즈,드릴,엔드밀,

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커너 등),내마모공구(다이스,게이지 말단부 등),초고압 발생용 부품 등의 재로

로 널리 쓰이고 있다.경우에는 CrC-Ni합금,황금빛 색조를 내는 장식용품에

는 TaC-Ni합금이 각가 쓰인다.

초경 합금은 1923년 독일 K.슈뢰터 등이 발명하여 25년 비디아(Widia)라는

상품명이로 시판되기 시작했다.슈뢰터의 발명 요점은 금속 W분말과 흑연 분말

혼합물을 환원분위기 속에서 가열하여 얻어지는 화확량론적 조성을 갖는 WC분

말을 사용하는 것과,이것을 10% 이하의 철족 금속가루와 혼합하여 액체상 존

재하의 소결법으로 합금을 만드는 것이다.지금의 제조법도 슈뢰터가 발명한 방

법과 기본적으로 같으나 여러 가지 점에서 개량되어 합금의 특성도 많이 향상

되었다.원료가루로는 평균지름 0.5~8μm의 WC가루,1~2μm의 Co가루,그

밖에 필요에 따라 2~4μm의 (W,Ti,Ta)C고용체 분말을 쓴다.이들은 정해

진 조성대로 배합하여 볼밀 등의 혼합기로 충분히 혼합한다.가루의 성형을 쉽

게 하기 위하여 파라핀 등을 첨가하고,일반적으로 금형성형법으로 성형체를 만

든다.그 뒤 성형체를 수소나 진공 속에서 500~1000℃로 가열하여 핀 등을

제거하고 어느 정도 그 강도를 증가 시킨다.필요에 따라 절삭이나 연삭가공으

로 모양을 갖추게 한 뒤 소결한다.보통 진공속에서 1500~1600℃로 1~2시간

동안 소결하는데,저 Co의 소결체에서 10~150μm의 기공이 약간 남는다.이

것을 제거하기 위하여 열간 수압으로 소결(약 1000기압의 아르곤가스 속에서

약 1360℃로 가열)한다.,그 뒤에는 일반적으로 연삭 ,여마 가공하여 모양,치

수,표면 상태를 정해진 형태로 제품화 한다.,특히 절삭 공구용 슬로어웨이칩에

대해서는 그 내마모성을 향상시키기 위해 다시 합금 표면에 TiC-TiN AlO등

의 경질물질을 화학증착법이나 물리증착법으로 피복하는 (피막두께는 2~8μm)

일도 널리 행해지고 있다,초경합금 조직은 탄화물 입자가 Co결합상의 박막에

의해 결합된 모양으로되어 있다.합금의 굳기 내마모성은 탄화물 입도가 일정할

때 저 Co일수록 상승하며,압축세기는 약 5% Co에서 최대값을 나타낸다.인

성은 저 Co일수록 감소한다.한편 Co량 일정 상태 아래에서 탄화물 입도를 작

게 하면 여러 성질을 일정한 입도아래에서 저 Co로 하였을 때 경우와 거의 마

찬가지 변화를 나타낸다.Tic-TaC의 첨가는 절삭공구의 크레이터 마모를 감소

시킨다.항장력은 합금 내에 미량으로 존재하는 결함에많은 영향을 주므로 합금

제조법에 따라 상당히 달라진다.

- 21 -

5.1.2 Tungsten Carbide 토출 실험

Silicate형광체와 입자와 경도가 다른 질화물계 형광체 Nitride를 Tungsten

Carbide재질의 Screw Pump를 2000rpm의 속도로 DispensingSystem에서 토

출 실험 하였다.Fig.5-1은 토출 공정전 Screw의 상태를 촬영한것이고,Fig.

5-2는 용액 입구부 중간부 토출부 세부분으로 나누어 토출후 Screw의 상태를

촬영한 것이다.Fig.5-2를 보면 Silcate형광체를 토출한후 Screw보다 Nitride

형광체를 토출 한후 Screw의 표면이 더 거칠며 마모가 많이 일어난 형상을 볼

수 있다.

Fig. 5-1 T.C 토출전 SCREW 상태

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Fig. 5-2 T.C 토출후 SCREW 상태

5.2 S.C SCREW PUMP 개요

5.2.1 Silicone Carbide 이론

Al2O3이 산화물 세라믹스의 대표라면 SiC는 비산화물 세라믹스의 대표 격으

로 널리 쓰이고 있다.SiC섬유는 세라믹과 금속 복합재료의 강화재료로 용도가

활발히 개척되고 있으며,boron섬유는 주로 고성능의 에폭시 강화재료로 쓰이고

있다.특히 물성이 뛰어난 SiC는 다른 강화재료보다 훨씬 비싼 가격문제만 해

결된다면 많이 쓰이는 강화재료가 될 것이다.탄화규소(SiC)는 합성재료로서 세

라믹스 분야에서 가장 중요한 탄화물이다.탄화규소는 입방 정(cubic)결정구조

를 갖는 β상과 육방정(hexagonal)결정구조를 갖는 α상이 존재한다.β상은

1400-1800oC의 온도 범위에서 안정하고,α상은 2000oC이상에서 형성된다.SiC

의 분자량은 40.1이고,비중은 3.21이며,2500oC이상에서 분해된다.탄화규소

- 23 -

는 1970년대에 미국 G.E.의 Prochazka에 의해 boron및 carbon의 첨가로 상압

소결이 처음 성공한 이래로 SiC는 고온강도가 높고,내마모성,내산화성,내식

성,크립저항성등의 특성이 우수하여 고온 구조재료로서 주목을 받는 재료이며,

현재 "메카니컬 씰","베어링","각종 노즐","고온 절삭공구","내화판","연마재

","제강시 환원재","피뢰기"등에 광범위하게 사용되고 있는 소재이다.탄화규

소 분말은 현재 세계적으로 년간 약 60-80만톤 정도가 생산되고 있는데,대표적

인 제조회사는 미국의 Carborundum사,독일의 ESK사,일본의 소화전기사 등이

다.우리나라는 탄화규소가 전혀 생산되지 않아서 월 2,500톤 정도씩 전량 수입

에 의존하고 있고,주로 고순도 분말 (연 마재용,내화물용,전기용 등)이 수입

되고 있다.

①화학적 성질 -열적,화학적으로 매우 안정한 화합물

- HCl,HF,HNO3,H2SO4등의 산과 NaOH 등의 알칼리

-수용액에 의해서 침식되지 않는다.

-용융 Na2O,Na2CO3+KNO3에는 침식

-Cl2와는 600℃ 이상에서 반응

② 분해온도와 산화 -산소와는 표면에서 반응하여 SiO2를 형성하나 내부에는

산소 확산이 억제되어 산화속도가 늦어진다.(850℃부터 산화시작)

③ 열팽창율 -세라믹스 중 작은 범주에 속함

열팽창계수 :4.5*10-6/℃

④ 열전도율 -제법 및 온도에 따라 다르다.

-단결정 SiC

-1.17cal/cm․S․℃ ,다결정 SiC-0.1cal/cm․S․℃

⑤ 전기적 성질 -반도체이고 온도증가시 저항감소

순수한 SiC단결정 - 상온에서 절연체

SiC+Si,N---->n형 반도체

SiC+B,Al---->p형 반도체

전기저항은 비직선적 특성을 갖는다.----->Varistor이용

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SiC 특성으로 내식성이 우수하며,경도가 높고 내마모성이 우수하다.또한

열팽창 계수가 작고 열전도성이 크며 열충격 저항성이 높다.고온까지 (1500℃)

기계적 강도가 유지된다.무게는 금속에 비해 가볍다.상업적 양산 방법으로

3X3X30m 정도의 대형 아킨슨(Acheson)형 전기로에서 고순도 규사 (99.5%

SiO2)와 저유황 석유 코크스를 2200-2500oC의 고온에서 반응시켜 제조한다 이

때 합성 반응은 아래와 같다.

SiO2+3C=SiC+2CO

5.2.2 Silicone Carbide 토출 실험

Silicate형광체와 입자와 경도가 다른 질화물계 형광체 Nitride를 Silicone

Carbide재질의 Screw Pump를 2000rpm의 속도로 DispensingSystem에서 토

출 실험 하였다.Fig.5-3은 토출 공정전 Screw의 상태를 촬영한것이고,Fig.

5-4는 용액 입구부 중간부 토출부 세부분으로 나누어 토출후 Screw의 상태를

촬영한 것이다.Fig.5-4를 보면 Silcate형광체와 Nitride형광체 둘다 마모가

일어 나지 않았으며,오히려 TungstenCarbide재질 보다 마모성에 대해 우수

하였다.

Fig. 5-3 S.C 토출전 SCREW 상태

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Fig. 5-4 S.C 토출후 SCREW 상태

5.3 B.C SCREW PUMP 개요

5.3.1 Boron Carbide 이론

경량 원소인 탄소와 붕소의 공유결합성 화합물인 탄화붕소는 높은 경도를 나

타내면서도 다른 탄화물,질화물 세라믹스 등과 유사한 정도의 강도，인성을 보

이는 한편,산이나 염기 등에 대한 내화학성， 그리고 용융금속에 대한 내침식

성 등에서도 우수한 특성을 가지고 있으며 탁월한 중성자 흡수능을 가지고 있

어서 원자력 발전에 서도 중요한 재료로 알려지고 있다 또한 열기전력이 비교

적 클 뿐 아니라 온도에 따른 변화도 거의 직선적이기 때문에 탄소와 쌍을 이

루어 고온용 열전대로도 사용되고 있다.특히 탄화붕소의 경도는 다이아몬드나

입방정 질화붕소 다음으로 높기 때문에 내마모재， 연마재등 고경도가 요구되

는 구조용 경질재료로서 사용되고있다.탄화붕소의 연간 사용량은 단화규소에는

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훨씬 못 미치지만 우수한 경도 특성 때문에 경량 방탄재료나 연마재 등으로서

탁월한 특성을 발휘하고 있다.

Fig. 5-5 Phase diagram for B-C system

일반적으로 B，C로 표기되는 탄화붕소는 붕소-탄소간의 2원계에서 존재하는

유일한 화합물이다.상태도에서 보면，탄소 함량이 8-21at%의 범위에서 고용

체를 이루어 넓은 고용범위 (homogeneityrange)를 가지는 것이 특징이다.따라

서 탄소의 함량에 따라 B,C이외에도 다양한 화학식으로 탄화붕소를 표기하기

도 한다.탄화붕소의 기본 구조는 능면체이고， 밀도는 경량원소인 탄소와 붕소

의 공유 결합으로 이루어졌기 때문에 2.52g/cm3으로 매우 가볍다.탄화붕소는

중성자에 대한 흡수능이 매우 큰 특정을 나타내는데，이것은 탄화붕소에 포함

된10B에서 기인한다.이

10B이 중성자를 흡수할 경우 다음과 같은 반응이 진행

된다

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1OB+

ln=7Li+

4He+2.79MeV

탄화붕소의 열팽창 계수는 5~6XlO-6/℃ 정도로 탄화규소보다 약간 큰 편이

고,c축 방향의 열팽창 계수가 a축의 그것에 비하여 약 18% 큰 이방성을 나타

낸다.탄화붕소는 전기적으로 p형 반도체 특성을 나타내며，전기 저항은 온도

가 올라감에 띠라 감소하는 음의 온도 의존성을 보인다.비저항은 탄소와 붕소

의 구성비에 따라 달라지며,0.01~200Ωcm 범위로 탄화규소의 비저항과 유사

한 값이다.탄화붕소의 열기전력은 온도에 따라 거의 직선적으로 변화하는 특성

이 있고 그 값도 큰 편이다.탄화붕소는 화학적으로 매우 안정한 화합물 중의

하나로， 보통의 산이나 염기 수용액 내에서도 안정한 상태를 유지하고 유기울

과는 반응하지 않는다.다만 강한 산화제에 침식당한다.여타의 비산화물계요업

체와 마찬가지로 탄화붕소도 공기 중에서 가열하면 산화된다.산화반응은 600℃

이상의 온도에서 시작되며，B203의 continuousfilm 이 형성되어 더 이상의 산

화가 억제되지만 900℃ 이상에서는 B203가 휘발하기 시작하여 산화반응이 계속

진행되므로 고온 열처리시 주의할 필요가 있다.탄화붕소의 기계적 성질 중에서

가장 중요한 것은 역시 우수한 경도이다.단화붕소의 경도는 자연광물이나 인공

합성 재료를 총망라하였을 때 다이아몬드， 입방정 질화붕소 다음의 위치에 놓

이게 되고， 구 Mohs경도로는 9.5이상， 신 Mohs경도로는 14가 된다.재료

를 구성하는 원자간 결합의 강도를 나타내는 척도의 하나인 탄성률(Elastic

Modulus)은 경도와 마찬가지로 높은 값을 갖는다.치밀한 소결체에서 측정된

단성율은 440-460GPa정도의 값을 나타내어 Al2O3,,Zr02등의 산화물이나

SiC,Si3N4TiC등 보다도 높다

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5.3.2 Boron Carbide 토출 실험

Silicate 형광체와 입자와 경도가 다른 질화물계형광체 Nitride를 Bron

Carbide재질의 Screw Pump를 2000rpm의 속도로 DispensingSystem에서 토

출 실험 하였다.Fig.5-6은 용액 입구부 중간부 토출부 세부분으로 나누어 토

출후 Screw의 상태를 촬영한 것이다.Fig.5-6을 보면 Silcate형광체와 Nitride

형광체 둘다 마모가 일어 나지 않았으며,TungstenCarbide재질 보다 마모성

에 대해 우수하였으며,SiliconCarbide와 마모성이 비슷하였다.

Fig. 5-6 B.C 토출후 SCREW 상태

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제 6 장 결론

6.1 SCREW PUMP 재질별 토출 비교 분석

재질이 다른 T.C,S.C,B.C세가지 SCREW PUM에 동일한 조건으로 실험을

하였다.TungstenCarbide는 Silicate형광체 토출시 마모 현상이 일어나지는 않

았으나,Nitride형광체 토출 후 스크류의 마모현상이 일어남을 알 수있었다.T.C

보다 경도가 우수한 SilicateCarbide와 BoronCarbide에서는 어떠한 형광체를

토출하더라도 마모 현상이 일어나지 않았으며,B.CSCREW PUMP에서 모터의

RPM을 변화하여 실험하였으며,마모 현상은 일어나지 않았다.(Fig.6-1)

TABLE 6-1 T.C S.C B.C 토출후 SCREW 마모 상태

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6.2 결론

위 T.C S.C B.C 세가지 재질의 SCREW PUMP로 Silicate와 Nitride두가지

형광체의 토출 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

1)silicate형광체는 모든 Screw에 잘 분해되며,Silicate형광체의 낮은 경도로

인하여 Screw의 갈림 현상 없다.

2)nitride형광체는 높은 형광체의 경도에 의해 screw의 갈림에 의한 불순물

이 발생하기 쉬워 screw 갈림 현상이 나타나 광특성을 저해한다.

3) 과도한 양의 형광체는 광특성을 오히려 저해함 (silicate,nitride)

4)TungstenCarbide보다는 경도가 우수한 S.C,B.C재질의 Screw Pump로

형광체 토출을 하였을 때 Screw마모가 적어 양산시 불량품 및 품질저하의

우려를 예방할 수 있다.

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참고 문헌

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[12]조도현,“개선된 LED토출 공정 시스템”,전자공학회 논문지 2008년

제 45권

[13]황명근,“백색 LED를 사용한 조명용 광원의 설계 및 분석”,

인하대학교 2004년

제 1 장 서 론 1.1 연구 배경 및 동향 1.2 연구 목적

제 2 장 LED의 기초 이론2.1 LED의 기본 구조 2.2 LED의 생산 공정 2.3 WHITE LED 제작 방법

제 3 장 LED 형광체의 정의 및 특성 분석3.1 형광체의 정의 3.2 형광체의 특성 분석

제 4 장 DISPENSING(형광체 토출) 시스템 구성 4.1 DISPENSER SCREW PUMP 구조 및 작동원리 4.2 DISPENING SYSTEM 구성

제 5 장 SCREW PUMP 재질에 따른 토출 실험 5.1 T.C SCREW PUMP 개요 5.1.1 Tungsten Carbide 이론 5.1.2 Tungsten Carbide 토출 실험

5.2 S.C SCREW PUMP 개요 5.2.1 Silicone Carbide 이론 5.2.2 Silicone Carbide 토출 실험

5.3 B.C SCREW PUMP 개요 5.3.1 Boron Carbide 이론 5.3.2 Boron Carbide 토출 실험

제 6 장 결 론6.1 SCREW PUMP 재질별 토출 비교 분석 6.2 결론

참고 문헌