LED조명의 최신기술과 과제
1. 서론
○ LED는 차세대 조명용 광원으로 가장 유력한 후보로 기대되고 있으나 그의 성능에 관해서는 기대되는 목표치와 실제 사용상의 효력이 혼동되고 있거나, 또한 주로 사용되고 있는 디스플레이 분야에서의 필요한 특성과 일반조명 용도로서의 필요한 특성의 차이가 이해되고 있지 않거나 해서 적절한 판단이 안 되고 있는 실정이다.
○ 특히 수입된 LED조명기구를 공급 판매하는 사업자가 조명장치에 대한 전문지식의 부족으로 제품에 대한 설명이나 성능의 표시가 불충분해서 사용자가 LED조명을 채용해도 기대한 만큼의 효과를 얻지 못하고 있는 문제도 발생하고 있다.
○ 따라서 이와 같은 문제들을 개선하기 위해선 LED조명제품의 성능을 올바르게 이해하고, 제품의 규정이나 평가방법, 그리고 표시해야 할 특성과 주의사항 등이 명시된 제품규격을 정해서 보급해야 하는 것이 생산자와 사용자 쌍방에 가장 필요한 일이 된다.
2. 조명용 LED장치에 요구되는 특성
○ 조명용 광원의 역할은 물체에 빛이 닿아서 그 반사광을 사람의 눈으로 인식시키는 일이다. 이때 눈이 인식하는 상태는 특별한 경우가 아니면 자연광으로 비친 상태에 가까운 것이라야 한다.
– 따라서 광원으로부터의 배광은 자연광처럼 확산적으로 지향성이 적은 것이 좋고, 또한 광색은 물체의 색 재현을 잘해 주기 위하여 빨강에서 보라까지 가시광의 색 성분 전부가 포함될 필요가 있다. 이때 색재현을 충분히 하기 위하여 평균 연색평가수가 85 이상이어야 한다.
– 그리고 효율평가에 있어선 직관형 형광 장치와 동등 이상(80 lm/W이상)이고, 일반조명 용도에선 정격입력(전류) 점등에서 광속이 초기상태의 70%까지 되는 시간이 직관형 형광램프와 동등하거나 그 이상이 되어야 한다.
3. LED의 광 특성과 점등 특성
○ LED의 발광은 재료에 의해서 특정되는 밴드에너지이다. 본래는 특정파장을 중심으로 하는 적색, 녹색, 청색 등의 유색 대역 광이다. 이를 청, 녹 및 적의 3가지 색을 포함하는 복수의 발광 소자를 하나의 패키지(Package)로 모아서 그 혼합된 색으로 백색광을 발하게 한다. 이 외에도 청색발광을 이용하여 그 일부로서 황색발광체를 여기발광시켜 청색광과 황색광으로 백색광을 발한다. 자외 방사를 통하여 가시발광의 형광체를 여기발광시켜서 백색광으로 하는 방법이 있다.
○ LED의 전압과 전류특성은 전기적으로는 정류에 사용되는 다이오드와 동등의 특성을 갖는다. 순방향전압은 3~3.5V 정도이며, 이 수치는 발광 파장과 밀접한 관계를 가지지만 LED의 사이즈나 전력과는 무관하고 높은 파워의 LED에서도 순방향전압은 변하지 않는다. 이것이 종래의 광원과는 크게 다른 점이다.
○ 한편 전류는 순방향전압 이상의 전압이 가해지면 전류가 거의 무제한으로 흘러서 그대로는 LED가 파손된다. 이러한 점은 형광램프나 HID(High Intensity Discharge)램프와 같은 방전램프와 비슷하여서 안정하게 점등하기 위해서는 전류제한장치 같은 안정기가 필요하게 된다. 따라서 100V 전원으로 사용하려면 20~30개로 된 다수의 LED를 직렬로 접속시켜서 전류의 제한장치를 부착해야 한다. 일반적으로 포탄형의 LED에선 전류가 20mA, 파워LED에선 0.3~1.5A로 되어 있다.
4. LED의 에너지효율과 발열
○ 시판 중에 있는 청색발광과 황색발광체에 의한 백색LED의 에너지효율, 즉 광 출력의 전기적 입력에 대한 비율은 발광효율이 50~60 lm/W의 포탄형이 20~25%, 발광효율이 80~90 lm/W의 파워LED에서도 25~30%가 된다. 따라서 발광 이외의 70% 이상의 에너지는 최종적으론 거의 가열이 되고 만다. 결국 반도체인 LED의 발광효율과 수명은 온도상승에 의해서 저하되기 때문에 방열방법이 실제적인 과제가 된다.
○ 따라서 LED를 다수 밀접해서 배치하는 모듈에선 상당한 고온이 되는 경우가 있기 때문에 방열 핀(fin)과 같은 강제 공기냉각장치가 필요하게 된다. 한편 조명장치로선 디자인상의 문제도 있기 때문에 앞으로 LED소자의 고전력화가 진전됨에 따라 효율향상에 의한 발열저감과 방열방법의 개선이 큰 문제가 되고 있다.
5. LED의 수명
○ 조명용LED의 수명은 앞에 기술한 바와 같이 광속이 초기 값의 70%가 될 때까지의 점등시간으로 정의되고 그 값은 수만 시간으로 추정하지만 공식적인 실측 시험데이터는 없다. LED와 같은 반도체의 수명을 결정하는 요인은 온도라고 생각되기 때문에, 단순히 반도체만을 생각한다면 그 온도가 상온 정도로만 유지된다면 반영구적 수명이라는 예측이 가능하다.
○ 그러나 백색LED의 경우는 온도뿐만 아니라 온도 이외의 요인들도 고려해야 하므로 추정치를 그대로 적용하는 데는 무리가 있다. 포탄형의 경우는 아주 옛날 데이터이긴 하지만 약 7000시간 정도로 공표된 적이 있으며, 파워LED의 경우는 포탄형보다 열 저항이 무척 적고 방열이 잘되어서 1만 시간보다 10% 정도 저감되었다는 실측 예도 있다. 또한 조명장치로서의 수명을 생각할 땐 광원부의 LED 이외의 점등회로나 반사기(Reflector) 등의 열화도 고려사항에 넣어야 할 것이다.
6. 결론
○ LED조명장치는 새로운 제품이며 장래성이 기대되기 때문에 여러 가지 종류의 제품이 공급되고 보급이 확산되고 있다. 그럼에도 불구하고 제품의 스펙(Specification) 표시에 일정한 기준이 없으며 성능평가 방법도 확립되어 있지 않아서 사용자에게 많은 문제를 안겨주고 있다. 이러한 문제를 해결하고 유사한 제품의 난립을 막기 위해서는 제품의 평가와 표시 및 안전성에 대한 규격 설정이 급선무라고 본다.
○ LED조명장치의 규격도 종래의 다른 제품과 마찬가지로 업계의 단체규격으로 작성해서 제품의 보급과 정비 상태에 따라 JIS규격과 국제규격으로 정비되어야 한다. 그리고 LED광원의 특성이 일반적인 전구나 램프 등과는 크게 다르기 때문에 광원에 대한 성능평가에 있어선 종래의 방법을 적용하기 어려운 경우가 많다. 따라서 일본에선 우선 측정과 평가에 관한 규격을 만들어서 제품의 안전성규격과 성능규격을 작성하는 방향으로 작업을 추진하고 있다.
출처 : 中川 靖夫, “LED照明の最新技術と課題”, 「省エネルギー(日本)」, 61(10), 2009,
◃전문가 제언▹
○ 이 문헌은 일본 Saitama대학의 NAKGAWA교수가 LED조명의 현황과 앞으로의 전망에 관하여 기술한 내용을 요약한 것이다.
○ 일본에선 Kyoto의정서로 정해진 CO2 삭감량의 목표달성이 어려운 상황이어서 에너지절약에 지대한 관심이 집중되고 있다. 특히 조명은 가정용 부문이 소비전력의 약 16%, 사무용 부문이 약 20%를 점하고 있어서 조명의 에너지절약이 일본의 CO2 절약상 중요한 부분이 되고 있다.
○ LED(Light Emitting Diode)는 전기가 흐르면 발광을 하는 일종의 반도체이며 “발광다이오드”로 알려져 있다. 소비전력은 백열전구의 약 7분의 1이고 수명은 10배 이상으로 보고 있다. 따라서 현재 사용하고 있는 조명기구를 전부 LED로 대체한다면 조명부문의 전력소비량은 반으로 감소되고 CO2도 대폭 삭감될 수 있다.
○ 이러한 배경에서 LED조명장치는 새로운 제품으로 장래성이 기대되기 때문에 여러 가지 종류의 제품이 공급되고 보급이 확산되고 있다. 그럼에도 불구하고 제품의 스펙(Specification) 표시에 일정한 기준이 없으며 성능평가 방법도 확립되어 있지 않아서 사용자에게 많은 문제를 안겨주고 있는 실정이다.
○ 따라서 이러한 문제를 해결하고 유사한 제품의 난립을 막기 위해서는 제품의 평가와 표시 및 안전성에 대한 규격 설정이 급선무가 되고 있다. 이를 위해선 업계가 중심이 되어 단체규격으로 작성해서 제품의 보급과 정비 상태에 따라 국내규격과 국제규격으로 정비가 되어야 한다.
○ LED조명은 우리나라에서도 이미 많이 보급되고 있으며 앞으로 더욱 공급이 확산될 것으로 기대되는 신제품이다. 따라서 공급자가 중심이 되어 제품의 평가와 표시 및 안전성에 대한 규격 설정과 사용자에 대한 홍보를 강화해야 할 것으로 생각한다. 인접국 일본의 동향이 참고가 되기를 바란다.
한국과학기술정보연구원/전 문 연 구 위 원 차 원 민(dhcwm@reseat.re.kr)
Source : KISTI
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