와트당 100루멘급 이상 LED조명시대 도래

 

LED조명 전문 생산업체 루미리치㈜는 세계 최고 광효율을 컨버터 외장형 LED 직관램프를 시판에 들어간다. 이번 제품은 광효율이 110lm/W(소비전력17W, 총광속1870이상,연색성은71이상)으로 현재 일반 가정이나 사무실에서 사용하는 호환형 2등용 형광등(60lm/W)보다 83% 광효율을 향상시켜 소비전력은 47%까지 절약할 수 있는 세계 최고 효율의 제품으로 한국조명기술연구소(現한국조명연구원)의 공인성적서를 발급 받았다.

그 동안 광원인 LED 광효율이 100lm/W(루멘/와트)를 넘긴 적은 있었지만, 최종 완제품이 세자리 광효율을 기록한 것은 지난 1월 처음으로 루미리치에 의해 와트당 103루멘을 넘긴 상태에서 이를 3개월만에 다시 110루멘을 넘겨 업계에선 독보적인 기술력으로 평가 받고 있다. 한편 지식경제부기술표준원의 조사에 따르면 현재의 대부분 직관형 LED조명을 만드는 업체가 와트당 70루멘 수준이어서, 금번 루미리치의 110루멘 달성 등의 기술 발전 속도에 대해 LED공동브랜드㈜ 관계자들은 놀랍다는 반응이다.

에너지효율을 우선시하는 공공기관들은 최소 90lm/W 이상의 LED 조명을 선호한다. 이번에 110lm/W이 넘는 LED 조명을 시판함에 따라 향후 공급 전망이 밝아졌으며, 올 8월이전에 모든 제품을 110루멘급으로 상향 평준화하고, 대규모의 공장 및 설비 증설을 통하여 규모에 경쟁에 대비 할 것이다. 한편 루미리치는 지난달 일본 LED/OLED Lighting Technology EXPO에 참가해 와트당 110루멘급 직관램프와 IT융복합 접목 기술을 선보여 고객으로부터 호평을 받았고, 일본 ESCO기업에게 240억의 수출 계약을 맺어 실제의 기술력을 입증하기도 하였다.

<표 1> 루미리치 컨버터 외장형 직관형 LED 램프의 개요와 경쟁사 수준 구 분 루미리치 LED 직관램프 국내 업체 직관형 LED랜프 수준 (기술표준원 자료) 소비전력 17.1W 23W~28W급 광효율 110lm/W 70lm/W 색온도 5,552k 5,000~6,000k 연색성 71 64~68 * 연색성은천연색에얼마나가까운지를나타내는것으로100에가까울수록천연색에 가까움

루미리치는 컨버터 외장형으로 SMPS를 처리해 컨버터 자체가 효율 및 역률이 우수하고, LED 직관램프를 만드는 업체들이 선택한 일반적인 방식인 컨버터 외장형으로 만들어 제품의 신뢰성이 우수하고 무게 또한 가볍다. 더불어 LED Package 자체를 일진반도체에 의뢰해 개발한 3~4파장 형광체를 적용한 세계 최초 4파장, 5파장형 화이트 LED를 적용했고 5450Flat Package에 4칩을 사용해 Package당 51mA만을 흘려 높은 광속을 얻었다. 루미리치는 이와 관련한 특허를 한국LED공업협동조합에 공동브랜드로 내놓아 그 기술 로열티를 받기로 하였고 로열티의 30%를 사회에 기부할 계획이다.

한국 및 일본에서 판매되고 있는 LED 램프를 1종류씩 수거하여 일진전기 광속계 시스템에서 측정 한 결과, 기존 기표원에서 발표한 수준과 비슷한 결과를 얻었다. 특이한 점은 루미리치, 흥화전자, 부여전자, 아이원스 등 외장형 직관램프를 생산하는 업체들에게서 와트당 90~110루멘급으로 광학적 특성이 우수한 것으로 나타났다. 공통적인 부분은 이들 업체는 모두 루미리치와 특허 라이센스를 체결한 업체로 루미리치로부터 LED Package를 공급받고 있고 LED 소자자체를 120lm/W급을 사용한다는 공통점이 있었다.   현재 국내외에서 시판되는 LED 직관램프는 수십~수백 종류이다. 업체 마다 사양이 다르고, 구동 방식별 논란이 심각하다. 이를 보완하기 위해서 최근 기술표준원에서는 LED 직관램프에 관하여, KS 표준 초안을 발표했다. 기표원은 LED램프의 광학적 특성 기준에서 초기 광속은 정격 광속의 95%이상, 광속유지율은 초기 광속 측정값의 90%이상, 연색성 75Ra 이상, 광효율은 90lm/W로 정했다. 또한 LED램프 교체에 따른 에너지 절감효과를 보장하기 위해 조도 배광은 형광등 수준을 유지하면서 램프 정격 전력을 23W이하로 제한했다. 기술표준원에서는 고조도 반사갓에 2등용 형광등기구에 LED를 넣고, 소비전력은 46W로 제안하고 있어, 이를 루미리치의 21W급에 와트당 90루멘급 LED직관램프와 A사 32W급 기존 형광등을 암실에서 실험한 결과, 기표원에서 제시하는 2m 높이에서 2m 넓이의 균도 균제도0.75는 쉽지 않는것으로 나타났다. 그외에 와트당 90루멘 이상의 광효율과 평균조도 200룩스(lux), 최소조도 150룩스로 제시한 스펙은 기존 형광등 보다 우수한 것으로서, 기표원이 제시한 기준안으로 결정된다면, 종래의 형광등보다 조도 분포가 우수할 것으로 기대된다.   P사는 일반소비자를 겨냥해 출시한 LED조명을 이마트에서 판매하기 시작했다고 지난 4월 20일 언론에 발표했다. LED램프가 대형마트와 같은 일반 소비자 유통채널에서 판매되는 것은 이번이 처음이다. 그동안 LED조명은 에너지 효율이 우수하지만 가격이 비싸다는 이유로 자동차의 후미등이나 방향지시등, LCD TV의 백라이트유닛 (BLU) 등 고가품의 부품으로 사용돼 왔으며 생활용 조명으로는 정부보급사업의 일환으로 관공서 조명이 일부 LED로 교체됐던 것이 전부였다. 또 최근에는 백열등을 대체할 수 있는 LED램프는 조명전문점에서 구입할 수 있었으나 가격이 5~8만원대로 일반소비자가 구입하기에는 너무 높았다. 하지만 이번에 P사가 2만원대의 LED램프를 출시하고, 이마트에 입점해 소비자가 쉽게 구입할 수 있는 유통채널에서 판매를 시작한 것이다. 기존조명의 소켓 베이스와 호환돼 누구나 쉽고 편리하게 교체할 수 있으며, 제품 가격도 2만5000원 수준이어서 장기적으로 사용할 경우 경제적이라는 것이 P사측의 설명이다. 직접 구매해 측정해 본 결과 와트당 42.7루멘에 6W, 연색성은 81로 우수하였고, 종래의 백열전구는 충분히 대체 가능하지만, 3파장 형광램프 대체용으로는 부족했다. 이에 반해 일본 도시바는 자국내 판매하고 있는 110V 전용 LED램프는 소비전력이 9W이며, 와트당 98.7루멘이고 연색성은 70으로 세계 최고 품질을 자랑해 3파장 형광램프도 대체 가능한 수준으로 나타났다(기타 일본에서 판매되고 있는 많은 회사들의 제품은 아직 삼파장 형광등을 대체하기 어려운 수준으로 백열전구 대체는 가능할 것으로 판단된다). 한국에서는 화우테크 제품이 품질, 광속, 연색성, 단가적인 측면에서 가장 우수했으며 루미텍의 7W급과 루미리치의 10W급이 연색성이 71로 광속은 92.5루멘으로 광학적 특성이 가장 우수했다. (기타 한국 업체 제품들은 LED 도트가 육안으로 식별되는 제품이 광효율면에서는 와트당 70루멘이 넘었지만 시인성, 눈에 피로감 등에서 부적격으로 판단돼 측정을 하지 않았다.) 일본 도시바는 [사진1] 에서와 같이 다수열로 칩을 배열하여 9W급으로 파워 LED로 사용했고, 소자자체는 114.4lm/W, 연색성은 71, 색온도는 5183K이었다.   루미텍, 루미리치는 5450사이즈와 3528사이즈 White LED소자로 123lm/W, 연색성은 73를 사용해 소자상으로는 상대적으로 광속이 우수했지만 Blub Lamp 최종 상태에서는 도시바가 우수한 결과를 보여 확산판에 대한 투과율 개선이 보강돼야 할 것으로 판단된다.   도시바, 루미텍, 루미리치, 화우테크 등 몇몇 회사가 이처럼 놀라운 광특성을 갖는 것은 독자 특허를 보유하고 더불어 이를 적용하는 형태에서 기인한 것으로 판단된다. 그렇다면 이들이 적용한 특허기술은 무엇인지 아래에서 하나하나 살펴보기로 하자. 지난 10년 동안 일본 니치아로부터의 특허는 많은 사람들이 알고 있듯이 논란이 무척 많았다. 아래 그림은 이미 많은 업체들이 특허의 분쟁에 시달렸으나, 현재는 계류 중이거나 분쟁 중인 소송건은 거의 없이 소송을 취하하고 라이센스를 했다. 니치아사의 White LED 특허는 청색 칩에 YAG 형광체를 도포해 청색광자가형광체를 통과하면서 백색광이 되는 제조방식에 관한 특허이다. 일부 사람들이 형광체를 사용하는 모든 특허가 N사의 특허라고 주장하는 사람이 있지만 이는 사실과 다르다. 단파장의 발광체에 장파장의 형광체로 단파장을 여기시켜 이형 파장을 얻는 것은 자연현상, 물리의법칙이다. 즉 발견은 될 수 있지만 발명이 될 수 없다. 또한 YAG 형광체도 1960년대부터 존재했던 오스람과 필립스에 의해 개발된 특허로 이미 50년이상 돼 공지에 기술이됐다. 그러나 특허라는 Package 제조 방법은 이미 알려진 바와 같이 니치아 특허가 맞다고 볼 수있다. 특히 White LED를 제조함에 있어 필수인 청색칩 제조방법은 많은 특허가 기간이 종료하고 현재 사용하지 않는 기술이지만 아직도 일부 특허가 존재하는 것도 사실이다.

<표 2> 청색칩 특허 번호 및 만료시점 기술분류 관련 쟁점 특허 권리회사 세부기술내용 일진반도체 만료일 Substrate US6091085 Lumileds Protrusion formed randomly Capsule-type Protrusions with no Top flat surface 2018.02.1 US6657236 Cree Scattering using Index difference 2019.12.03 US6870191 Nichia Protrusion not parallel to flat zone 2021.07.24 Buffer Laye US4855249 TG AlN SiC/ InGaN Buffer Layer 2005.11.18 US5290393 Nichia (Al)GaN 2011.01.31 US5686738 Cree GaN 2011.03.18 N-Layer US5733796 TG N-GaN doped with Si Proportional to doping level Stack of a highly doped thin GaN & un-doped thick GaN 2010.02.28 Active Layer US6657234 Nichia First well doped with n-type impurities Partially doped InGaN/GaN MQW Structure 2019.06.07 US6586762 Nichia Last barrier un-diped under AlGaN p-clad layer 2020.07.07 P-Layer US5306662 Nichia Activation by thermal annealing As-grwon P-GaN using Ammonia and Hydrazine 2011.11.08 US5777350 Nichia AlGaN clad layer Only using GaN in pside including no Aluminum 2014.12.02 Electrode US6078064 Epistar ITO on highly doped capping layer ITO on p-type InGaN Capping Layer 2018.05.04 US6307218 Lumileds Interdigitated electrodes A finger arm with two branch arms 2018.11.20 GaN 제조 방법 JP1994-009298 Nagoya Univ. GaN manufacturing method - 2009.03.30 JP2628404 Nichia Enhanced GaN growing method - 2010.10.25

[그림8] 대표적 특허 분석 건 구 분 Nichia / Osram Lumileds / GE.. 기타 루미리치(주) 특허 기본구조 차별성 ㆍ청색칩 Patent ㆍYAG 형광체 (Nichia) TAG 형광체 (Osram) ㆍPackage 제조법 ㆍ2파장 형광체 Red, Yellow 형광체 ㆍPackage 제조법 ㆍ3~4파장 형광체 Red, Orange, Green, Cyan 형광체 ㆍPackage 제조법 문제점 ㆍ제조 수율 ㆍ낮은 연색성 지수 ㆍRa 65수준 ㆍ제조 수율 ㆍ낮은 연색성, 저휘도 ㆍRa 75수준 ㆍ제조 수율

[그림9] 루미레즈Vs 루미리치 제조 방식 분석 건

최근에는 많은 업체들이 청색 칩에 관한 특허는 이미 끝났다고 판단하고있다. 한국에서 생산하는 LED TV에 들어가는 백색발광다이오드가 이미 한국산 LED를 적용하고 있고 대만산 청색칩을 적용하는 경우도 허다한 것으로 잘 알려져 있다. <그림 9>와 같이 현재 생산하는 대부분의 조명용 LED나, TV BLU용 백색LED는 연색성이 최소 70이상이어야 하니, 2파장 형광체를 적용하는 경우가 대부분이다. 2파장 형광체를 적용해 생산하는 업체는 대표적으로 Lumileds, GE 등이다. 즉 현재 대부분의 LED 제조업체가 선택하고 있는 화이트 제조법 중 하나이다. 일진반도체는 3~4파장 형광체를 적용해 청색칩과 더불어 4~5파장 백색 LED 제조법을 택하고 있다. 이는 제조 공정이 복잡한 단점이 있지만 연색성과 광효율이 높은 특징이 있다. 금번 세계 최고 수준으로 확인된 도시바 LED Lamp는 2파장 형광체를 적용한 3파장 백색 발광다이오드제품인것으로 나타났다. 루미텍, 루미리치제품은 4파장 백색 발광다이오드제품으로 분석했으며 이로서 이들이 타의 추종을 불허할 정도로 기술이 앞서 있는지 잘 알 수 있다. 조만간 이미 3파장 형광등을 대체할 만한 수준인 와트당 100루멘이 넘는 제품들이 쏟아져 나올 것으로 예측되며 이로서 2010년은 지난1 00년간 지배하던 종래의 조명에서 LED 조명으로 전환되는 전기가 마련될 것으로 판단하고 있다.

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Source : KOLEDS