LED 캡슐화용 실리콘 수지에 관한 연구

LED(발광 다이오드)는 에너지 절약과 환경 보호, 긴 수명, 낮은 사용 전압, 짧은 스위칭 시간 등의 특징을 지니고 조명, 디스플레이, 백라이트 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 현재는 더 높은 휘도, 높은 색재현성, 높은 내후성, 높은 발광 균일성을 가진 성숙된 기술 방향으로 발전하고 있습니다.

 

LED 패키징이 중요한 이유는?

LED 산업 체인은 상류, 중류, 하류로 나눌 수 있으며, 이는 LED 칩, LED 패키징 및 LED 조명 응용 분야입니다. LED 산업 체인에서 상하위를 연결하는 LED 패키지는 전체 산업 체인에서 중요한 역할을 합니다.

 

LED는 LED 칩, 본딩 와이어, LED 브래킷, 전도성 접착제, 패키징 재료 등으로 구성되며, 그 중 패키징 재료는 LED 성능과 수명에 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나입니다.

LED 캡슐화에 실리콘 소재를 사용하는 이유는?

현재 투광에 대한 특별한 요구 사항으로 인해, 시장에서 현재 주로 사용되는 소재는 에폭시 수지, 실리콘, 폴리카보네이트, 유리, 폴리메타크릴레이트 등의 고투명성 소재입니다. 그러나 이러한 소재 대부분은 경화되어 가공이 불편하기 때문에 기본적으로 외부 렌즈 재료로 사용됩니다.

 

기존의 LED 에폭시 수지 캡슐화 재료는 내부 응력이 크고 내열성이 낮으며 노화되기 쉬운 결점이 있어, 점점 발전하는 LED 패키징 재료의 요구를 충족시키지 못하며 점차 실리콘 재료나 실리콘 변성 재료로 대체되고 있습니다.

 

 

실리콘 재료는 낮은 응력 특성을 가진 재료로 높은 자외선 저항성과 노화 저항성을 지녀 LED 캡슐화 재료로 이상적입니다. 실리콘 수지의 투광도는 LED 소자의 발광 강도와 효율에 비례하며, 투광도가 높을수록 LED 소자의 발광 강도와 효율을 높이는 데 유리합니다. 갈륨 나이트라이드 칩은 높은 굴절률(약 2.2)을 지니고 있기 때문에 일반적인 실리콘 재료의 굴절률은 1.4에 불과합니다. 따라서 실리콘 재료의 굴절률을 개선하면 칩의 굴절률과의 차이를 줄여 경계면에서의 반사와 굴절로 인한 광손실을 감소시키고 LED 소자의 광효율을 향상시킬 수 있습니다.

 

LED 패키징용 변성 에폭시 수지

에폭시 수지는 높은 굴절률과 투광도를 가지며 기계적 특성과 접착 특성이 상당히 좋기 때문에 여전히 시장의 일부 제품에 사용되고 있습니다. 실리콘 기능기를 도입하여 에폭시 수지를 변성함으로써, 에폭시 수지의 고온 성능과 내충격성을 개선할 수 있으며, 제품의 수축과 열팽창을 줄이고, 제품의 적용 범위를 확대하여 가혹한 환경에서도 사용할 수 있게 합니다. 반응 메커니즘에 따라 실리콘 변성 에폭시 수지는 물리적 혼합과 화학적 공중합의 두 가지 방법으로 나눌 수 있습니다.

 

화학적 공중합법은 실리콘 고분자에 있는 수산기와 알콕시기 같은 활성기를 사용하여 에폭시 수지의 에폭시기와 반응시켜 공중합체를 생성함으로써 변성을 목표로 합니다. 2007년에 이미 이 방법을 사용하여 LED 제품에 실리콘 공중합 변성 에폭시 캡슐화 재료를 사용하는 연구를 진행했으며, 그들의 실험은 이 캡슐화 공정 방법이 캡슐화 재료의 내충격성과 고저온 저항성을 크게 향상시키고, 수축률과 열팽창 계수를 현저히 감소시킬 수 있음을 입증했습니다.

 

실리콘 에폭시 수지는 에폭시 수지와 실리콘 수지의 장점을 모두 반영할 수 있어 최근 더 널리 사용되고 있습니다. 기계적 특성, 접착성, 노화 저항성, 자외선 저항성, 굴절률, 광출력 등에서 우수한 성능을 보여주고 있습니다. 이는 LED 패키징 재료의 미래 연구 방향이며 반드시 상당한 진전을 가져올 것입니다.

 

LED 캡슐화용 실리콘 수지

1 실리콘 소재의 특성

실리콘 고분자는 주 사슬로 Si-O 결합을 가지며, 유기기가 실리콘 원자에 결합되어 있습니다. 예를 들어, R3 SiO1/2(M) 、R3 SiO2/2(D) 、R3 SiO3/2(T) 、R3 SiO2(Q)와 다른 체인 링크들이 일정 비율로 결합되어 있습니다. Si-O 결합 에너지가 높아 더 나은 내고온성 또는 내방사선 성능을 가지며, Si-O 결합각이 커 물질의 분자 사슬을 유연하게 할 수 있습니다. 실리콘 재료는 내열성과 내황변성 측면에서 우수한 특성을 가지고 있어 실외 환경에서 사용될 수 있습니다. 실리콘 재료는 개질이 용이하며, 황, 벤젠, 페놀, 에폭시기와 같은 굴절률 향상 기능기를 측쇄에 도입하여 포장재의 굴절률을 높이고 LED 소자의 발광 효율을 개선할 수 있습니다.

2 실리콘 수지의 합성

굴절률에 따라 저굴절률(1.4)과 고굴절률(1.5)의 두 종류로 나눌 수 있습니다. 실리콘 재료의 굴절률이 높을수록 광추출 효율이 높아지므로, 실리콘 재료의 굴절률은 가능한 한 높여야 합니다.

 

실리콘 수지는 일반적으로 용매 존재 하에서 유기 실란을 가수분해 및 중축합시켜 제조됩니다. 합성 원료는 일반적으로 클로로실란 또는 알콕시실란입니다. 구체적인 공정은 다음과 같습니다: 첫째, 일정 조건에서 실란이 실라놀로 가수분해됩니다. 둘째, 실라놀 자체가 중축합 반응을 일으킵니다. 셋째, 물세척으로 중화시키고 농축하여 저분자 물질을 제거하여 실리콘 수지를 얻습니다.

 

실리콘 고무 캡슐화 재료

실리콘 LED 포장재는 성형 액체 실리콘 고무로도 만들 수 있습니다. 액체 실리콘 고무 포장재는 비닐기를 함유한 선형 폴리실록산을 기본 폴리머로, 비닐 실리콘 수지를 보강 충전제로, 수소 함유 실리콘 오일을 가교제로 사용하여 만듭니다. 성형 실리콘 고무는 가황 과정에서 부산물이 생성되지 않으며, 수축율이 매우 작고 높은 가교 밀도를 가지며 많은 분야에서 널리 사용됩니다. 성형 실리콘 고분자를 백색 LED 소자의 포장재로 사용하면 비용 절감과 LED 수명 향상 효과가 있습니다. 저점도 액체 실리콘 고무는 탁월한 침투성을 가지고 있습니다.

 

 

GaN 기반 파워형 백색 LED는 현재 개발의 초점입니다. 이는 고열, 짧은 광파장 등 특성을 가지며 포장재 성능에 대해 더 엄격한 요구사항을 가집니다. 동시에, 고굴절률, 자외선 저항성, 열화 저항성 및 낮은 응력을 가진 포장재를 사용하면 LED의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있으며 제품의 포트 수명도 연장할 수 있습니다. 동시에, 고출력 LED 소자의 개발도 실리콘 포장재가 고투명도, 고굴절률, 자외선 및 열화 저항성을 가진 제품을 조기에 개발할 것을 요구합니다. 실리콘 재료의 낮은 굴절률, 약한 접착력, 낮은 기계적 강도와 같은 문제를 고려하여, 에폭시 변성법을 사용하여 두 재료의 장점을 결합하거나 무기 재료와의 혼합을 통해 실리콘 재료의 굴절률을 향상시킵니다.