|
개요1879년 에디슨이 실용탄소전구를 발명한 이래, 인류가 빛을 손에 넣은 지 거의 130년이 흘렀다. 그 후 광원(光源)의 개발이 활발히 이루어짐에 따라, 싸고 안전한 빛을 손에 넣게 된 인류는 활동영역을 밤으로까지 크게 넓혀왔으며, 또 조명 분야에서만 아니라 여러 가지 산업영역에서 이 빛에너지를 이용하여 많은 성과를 일궈내 왔다. 이 장에서는 그 광원분야 개발의 역사와 최근의 동향에 관해 소개하고자 한다. <표 1>은 일본전구공업회보(日本電球工業會報)에 게재된 것으로, 지난 2005년 한 해 동안 일본에서 전구가 생산, 판매된 결과를 나타낸 것이다. 표에서 보아 알 수 있듯이, 백열전구의 생산량이 아직 전체의 반 이상을 차지하지만, 이것은 자동차용 전구를 같이 포함한 것으로 순수 일반 조명용도의 전구의 생산량만 따지면 1억 9백만 개에 그쳤다. 판매고에서 보면 형광램프가 전체 총계의 66%를 차지하여 일본 내 전구 시장에서 주최가 된 것을 확인할 수 있다. 시장전체로 보면 4500억 엔 시장, 세계전체로는 약 2조엔 시장이었다. 이것으로 보아, 생산량으로만 보면 조금 떨어지지만 금액으로 보면 늘어난, 고부가가치형의 상품으로 전구 시장의 추세가 변하는 것을 알 수 있다.광원의 종류광원은 크게 백열등, 방전등과 고체광원으로 나뉜다. <그림 1>은 이들 광원의 종류를 좀 더 구체적으로 분류해 둔 것이다.광원의 종류에 의해 광량과 효율이 크게 변한다. 단위시간 당 광량(광속)은 lm(루멘)으로 표시되고, 단위시간에 광원부터 나오는 방사에너지에 인간의 눈의 시감도(표준비시감도)를 파장마다 곱해서 값을 구한다. 인간의 눈에 보이는 범위의 빛(가시광)은 파장이 380~780nm 이기 때문에 이 범위 외의 자외선이나 적외선의 방사는 광속값으로 낼 수 없다. 효율은 광원 전체에서 나오는 광속값(전광속)을 입력전력값으로 나눈 값(lm/W)으로 표시한다.
 1. 백열등<그림 1>에서 백열전구는 주로 희가스 가운데 코일상태 텅스텐의 세선(細線)을 고온으로 가열하여, 그 때 나오는 열폭사에 의한 가시광을 얻는 광원이다. 따라서 적외광의 폭사량도 많고, 100W 전구에서 가시광량의 비율은 입력전체의 약 10%로, 효율은 12~17lm/W 정도이다.할로겐전구는 봉입가스 안에 미량의 할로겐족원소를 섞어 넣은 것이다. 이 할로겐은 필라멘트에서 증발한 텅스텐과 결합하여 텅스텐 할라이드가 된다. 그리고 전구의 유리벽에서 텅스텐이 유리벽에 붙는 일을 저지하여 전구가 검어지는 것을 막으면서, 텅스텐을 다시 필라멘트로 되돌리는 ‘할로겐 사이클’ 활동을 한다. 할로겐전구는 전구의 유리벽 내부에서 텅스텐 할라이드를 생성하기 위해, 점등 중 관벽온도가 250℃ 이상이 되어도 견딜 수 있는 석영유리 등과 같은 고온용 유리를 이용하는 경우가 많다. 그리고 코일에서 나오는 적외선을 다시 램프 안으로 되돌려 코일의 재가열에 이용할 것을 목적으로 밸브 바깥 면에 적외선 반사막을 붙인 것도 있다. 이런 연구 성과로 인해 할로겐전구는 일반 백열전구보다 효율이 높은 ~24lm/W정도이다. 또 할로겐램프는 주로 소형(小形)의 고휘도(高輝度) 램프이기 때문에 스포트라이트로 쓰이는 경우가 많아 램프와 거울이 일체화 된 모습으로 만들어져 쓰이는 경우가 많다.2. 방전등방전등은 백열등과는 달리, 용기 안에서 방전을 일으켜 방전에 여기된 금속류의 발광을 이용해서 조명광을 얻는 것이다. 방전 전류-전압 특성은 일반적으로 부특성(負特性)이기 때문에 안정기(安定器)의 전류제한용 인피던스 성분이 필요한데, 방전등은 이런 점에서 다른 광원과는 다르게 광원에 직접 접속 할 수 없는 약점이 있다. 형광램프는 일반조명에 주로 이용되는 열음극형광램프와 백라이트 등에 사용되는 냉음극형광램프가 있다. 전자는 몇 백의 Pa 희가스와 수은이 유리관 안에 들어있다. 전극은 텅스텐 코일에 바륨의 산화물에서 만들어진 전자방출물질이 도포된다. 점등 방법은 여러 가지가 있는데, 한 가지 예를 들어보면 전극이 점등관에서 먼저 가열되어 전자방출물질에서 전자가 열방출 된 상태로 고전압이 더해져 점등이 되는 구조가 있다. 이것은 전극에서 방출된 전자가 수은 증기에 닿아 여기나 전리(電離)를 일으켜 방전상태가 되고, 여기된 수은에서 방출된 254 혹은 185nm의 자외선이 관벽 안쪽에 도포된 형광체에 닿아 가시광선으로 변환되어 발광하는 것이다. 이때까지 형광램프의 모양은 직관형(直管形)이나 환형(環形)이었지만, 최근에는 가는 관을 꺾어 접거나 말아서 외형을 전구와 비슷하게 만든 전구형 형광램프와 콤팩트형 형광램프가 만들어지고 있다. 이것은 효율 좋은 형광램프의 장점을 소형광원으로 이용하기 위한 것이다. 전자의 전구형 형광램프는 꼭지쇠 부분에 점등회로가 들어가 있어 전구 소켓에 그대로 사용할 수 있는 것이고, 후자의 콤팩트형 형광램프는 점등회로가 별개의 기구(器具) 안에 설치되어 있어 꼭지쇠도 독자의 형태를 띠고 있는 것이 많다. 효율은 관의 길이가 길수록 좋지만 대부분 50~110lm/W 정도가 보통이다. 다른 램프에서는 점등회로의 소비전력을 효율에 포함시키지 않는 것에 반해, 점등회로의 소비전력도 효율에 포함시키며 형광체의 선택에 의해 여러 가지 색상을 내는 것도 형광램프의 큰 특징이다. HID 램프는 High Intensity Discharge 램프를 말하는 것으로, 고휘도 방전등으로도 불리며 수은램프, 고압 나트륨램프나 메탈할라이드 램프의 총칭이다. 램프 한 개당 광속값이 커서 대규모 공간의 조명에 주로 사용되어 왔으며 공원, 도로나 정원에 어울리는 광원이다. HID 램프는 발광물질로 주로 석영유리나 투광성 알루미나 세라믹제를 사용하고, 외관은 경질(硬質) 유리제로 만들어진다. 발광물질은 수은램프의 경우, 형광램프와 마찬가지로 수은을 사용하는데, 대부분 수은에서의 가시광을 그대로 이용한다. 형광 수은등은 외관내부에 형광체를 도포한 것으로, 수은 발광만으로는 적색성분이 적기 때문에 이것을 보충하기 위하여 수은에서 나오는 365nm 자외발광을 이용해 적색으로 발광시키고 있다. (형광램프보다 전류밀도가 훨씬 크기 때문에 254nm의 공명선 발광은 자기흡수되어 외부에 거의 나가지 않는다.)고압 나트륨램프는 발광물질로 나트륨을 사용한다. 터널에서 사용되는 저압 나트륨램프와는 달리, 고압 나트륨램프는 고압화됨에 따라 주황색의 발광(공명선 D 라인 589.0, 589.6nm)을 흡수하여 발광 스펙트럼이 대폭적으로 넓어지게 되었고 색의 재현성도 훨씬 개선되었다. 메탈할라이드 램프는 여러 가지 금속류의 발광을 합친 합성광을 이용해 백색광을 내는 것으로, Na Tl Sc Dy Tm Ho Cs 등을 용도와 목적에 맞춰 사용한다. 이러한 금속은 그 증기압을 높이기 위해 보통 옥화물(요오드화물)의 형태인 경우가 많다. 방전 중 발광관 중앙부에서는 금속단체가 된 일부가 여기발광을 하지만, 관 주변부에서는 요화물의 형태로 되어 있다. 3. 고체광원고체광원인 백색 LED는 실용화 된 이래 효율이 향상됨에 따라 조명용 광원으로 응용되기 시작되었다. LED에 의한 백색광원의 원리는 다음과 같다.① 청색 LED를 이용하여 그 빛의 일부분을 형광체로서 황색의 발광으로 변환시켜 청색과 황색을 합성하여 백색을 낸다. ② 자외발광 LED를 이용하여 위의 형광램프의 경우와 같이 형광체로 청, 록, 적의 3원색으로 변환시켜 백색을 낸다.③ 청, 록, 적색광을 내는 3개의 LED를 조합해서 백색을 낸다.종래의 광원과 비교해볼 때, LED는 소쪾경량형으로 점광원에 가깝다는 점, 다양한 광색을 얻을 수 있다는 점, 점멸성능이 뛰어나고 유리처럼 쉽게 깨지지 않는다는 점, 가시광 이외의 방사가 거의 없는 점, 수명도 긴 데다(~40,000시간) 환경에 유해한 물질을 내지 않는 점 등 많은 이점을 가지고 있다. 하지만 LED 단체의 광량이 아직 불충분(입(粒)자 당~ 수 lm 정도)하기 때문에 입자를 많이 집적(集積)해야만 하며, 집적해서 사용할 경우에는 방열에 주의해야 하는 단점도 있다. 현재 LED 발광 효율의 개량이 이루어져 이미 형광램프와 어깨를 견줄 만할 정도로 많이 발전되었다.그 밖의 고체광원은 무기, 유기 EL 등이 있으며 많은 연구를 하고 있는 단계이다. 위에 언급한 내용을 중심으로 각 광원의 특징을 <표 2>에 나타내었다. 표를 보면 조광성은 전력을 더했을 때의 안정성을 의미하고, 연색성은 조명의 용어로 다양한 색표의 색 재현성을 의미하는 것으로 평균 연색 평가수 Ra는 100이 최고값이다. ◎은 실현이 가장 쉽다는 것을 의미하고 ○, △, ×의 순서로 그 정도가 어려워진다는 것을 의미한다.백열등의 동향앞서 말했듯 2005년 일본에서 일반 조명용 전구는 1억 9백만 개, 할로겐전구는 4천 7백만 개였다. 전구의 생산량은 1960년경에 약 1억 6천만 개로 최고조에 달했으며 그 후 점차 감소했다. 전구의 역사적인 발명은 <표 3>에 정리해두었다. 일본에서 처음 전구가 만들어진 곳은 1890년 당시 백열사(현 (주)도시바)였다. 그 후 먼저 탄소 필라멘트가 텅스텐으로 개량되었고 그 텅스텐의 열에 의한 증발을 억제하기 위해 텅스텐과 반응하지 않는 활성가스를 넣은, 이른바 가스입 전구가 랭뮬러에 의해 만들어졌다. 이것으로 전구의 효율이나 수명은 비약적으로 향상되었지만, 가스를 넣었기 때문에 열손이 늘어나는 문제가 생겼다. 이 문제를 해결하기 위해 텅스텐 코일을 한번 더 꼬아 나선 형태로 만들어(이중코일化) 소형화 시켰다. 또한 전구의 눈부심을 없애기 위해 전구 안 쪽에는 간유리로 코팅한 전구를 개발하였다. <그림 2>은 이런 비약적인 발전의 도화선이 된 기술개발에 의해 효율이 얼마나 늘었는지를 나타낸 것이다. 코일의 텅스텐화와 같은 새로운 발명으로 효율의 증가가 눈에 띄게 늘어난 것을 확인할 수 있다.
 최근 일반 조명용 전구의 판매가 저조해지는 데 반해, 클립톤 전구는 점차 그 판매 규모를 확대해 가고 있으며, 최근 신축 건물에서 많이 사용되고 있다. 직경 약 64% 소형으로 약 10% 성전력, 2배나 긴 수명을 가졌다는 장점은 봉입 희가스를 아르곤에서 원자량이 많은 클립톤으로 전환시켜 열손실을 줄일 수 있게 하였다. 또 2005년 라이팅페어에서는 봉입가스를 클립톤에서 더욱 원자량이 큰 키세논 베이스로 바꾸고 필라멘트를 적정하게 설계하는 등의 끊임없는 연구개발로 인해 60W의 전구일 경우, 밝기·수명이 그대로인데 성전력은 약 17%인 상품들이 소개되었다. 할로겐전구는 소형으로 광제어가 쉽고 황색성이 좋아 특히 미국에서 많이 사용된다. 일본에서 점포용 조명으로 사용되고 있기도 한 할로겐램프는 아직도 응용할 수 있는 용도가 광범위하다. 최근에는 유리밸브 한쪽 면에 실버코드의 반사경을 붙여 조사효율을 더욱 높게 만드는 연구가 진행되어 상품화하려고 준비 중이다. 원래 전구는 직조공장(생사의 증산)에서 불이 나기 쉬운 등불을 대신하여 쓰였다고 한다. 이미 전구의 기술개발이 활발히 일어났던 시기는 지났지만, 전구가 가지는 부드럽고 따뜻한 밝기, 빛깔 때문에 아직까지도 충분히 사용되고 있다. 전구 최대의 약점인 효율의 저하를 개선시키기 위해 기본적인 연구가 진행되고 있는데, 그 중 한 방법은 발열체에서의 적외폭사를 억제시키는 것으로, 발열체의 표면을 미세한 양자정호구조로 만들어 적외의 장파장광 폭사를 잘라내는 것이다. 계산상으로 60~80lm/W가 가능하다고 본다. 또 다른 방법으로는 방전하여 초미립자상금속 클래스터를 생성시켜 4,000K이상의 고온으로 가열하여 60lm/W의 효율을 만드는 것이 있다. 아직까지 실증 중인 단계로 아직 제품화에 이르지는 못했다. 형광램프의 동향형광램프도 발명된 이래, 70년 이상이 지났다. 수은의 자외발광을 형광체에 대고 가시광으로 바꾸는 여러 가지 실험의 결과, 단독 형광체로 백색광을 내는데다 효율도 좋은 할로인산 칼륨 형광체의 개발은 형광램프에 있어 비약적인 발전을 이루어낸 것이었다.형광램프는 주로 제 2차 세계대전이후에 일본시장에서 큰 점유율을 보인 환형 형광램프의 개발 이후 고효율화쪾에너지절감 시대로 들어오게 되었다. <표 4>에 나타난 것처럼 1970년대 후반에는 세 개의 큰 개발이 있었다. 하나는 재료를 가지고 형광체를 대폭적으로 개량해낸 삼파장 형광램프의 출현이었다. 앞의 할로인산칼륨 형광체가 가시영역에 넓은 발광 스펙트럼을 가진 것에 반해, 삼파장 형광램프는 청, 록, 적 등 각각의 협대역 발광 스펙트럼을 가진 복수(複數)의 희토류 형광체를 혼합하여 발광시킨 것이다. 고가의 희토류 형광체를 사용한 것이므로 고효율인데다 황색성이 높은 백색을 얻을 수 있기 때문에 시장에서 쉽게 찾을 수 있으며 형광램프에서부터 나오는 빛은 자연적 색 재현성이 좋다.두 번째는 전구형 형광램프의 개발이다. 앞서 말했듯 전류 대체를 겨냥한 것으로, 램프 내 점등기구를 겸비한 것이다. 초기에는 무거운 철심형의 안정기를 이용했지만 후에는 가벼운 전자 점등회로를 이용하게 되었다. 제약이 커서 세관을 고부하로 점등시킬 필요가 있다. 이것도 역시 고부하 내성이 좋은 희토류 형광체를 사용해 효과를 얻었다. 현재는 <표 3>처럼 전구와 거의 똑같은 형태로 작게 만들게 되었다. U자형의 세관 3개를 이어 합치고 그 위에 전구 모양의 커버를 씌운 것으로 전자 점등회로는 꼭지쇠 안에 넣었다. 똑같은 모양의 전구와 비교하면, 60W 사이즈의 전구와 똑같은 밝기로 입력이 12W(효율 5배), 수명이 6000시간(6배)으로 크게 개선이 이루어졌다. 이런 전구형 형광램프 전구의 치환율은 현재로서는 약 20% 정도에 그쳤지만 종래의 전구와 똑같은 크기에 성능은 더 우수하므로 앞으로 점점 이 비율이 늘어날 것으로 본다.
 세 번째는 점등회로의 전자화이다. 안정기(安定器)는 강판을 적층한 자기(磁氣) 코어와 동선 혹은 알루미늄선을 이용한 권선 등의 인피던스 (L성분)에 의해 구성된다. 그만큼 무겁고 역율이 낮다는 문제가 있었다. 전자회로에 의한 점등은 반도체 부품을 사용한 인버터 회로로 고주파 점등(수 10KHz)이 중심이다. 수 10KHz의 고주파로 형광램프를 점등한 경우, 방전 플라즈마 안 전자의 양극성 확산정수보다 점등 주파수 쪽이 빠르기 때문에 시간적으로 램프 내의 전자 밀도는 일정하게 되고 역율은 1에 가깝게 된다. 또 전극 양극부에서의 손실이 저감되기 때문에 그만큼 고효율이 된다. 고주파 점등 시 램프 관장에 가깝지만, 상용주파수 점등과 비교해보면 대체로 5~10% 성전력이 된다. 앞서 말한 세 가지의 발명 외에도, 형광램프의 관경을 보다 가늘게 하거나 램프 내에서 수은과 함께 넣는 봉입 희가스의 종류와 압력을 최적화하여 램프 내 자외선 발광효율을 높이도록 노력한 결과, <그림 4>에서처럼 1990년에는 효율이 100lm/W를 넘기게 되었다.
 무전극 형광램프의 개발도 여러 가지로 성공이었다. 형광램프를 예를 들면 수 MHz의 고주파로 점등하면 전자가 한쪽 전극에서 나와 다른 쪽 전극으로 들어가기 전에 인가전압에 계속 존재하게 되어 전극은 불필요하게 된다. 그로인해 예전과 같이 전극수명 때문에 불이 켜지지 않는 경우가 줄어들게 되었고 장수명화를 진행시켰다. 게다가 전극부의 손실이 없어져 효율도 높아지리라 예상된다. 점등 주파수가 높아지기 때문에 방사 노이즈 문제가 있지만 최근에는 주파수를 저하시키는 등의 연구도 진행되고 있다.2003년 2월에 발효된 전기전자기구에 포함된 특정유해물질의 사용제한에 관한 유럽회의 및 유럽이사회의 지령(유럽 RoHS 지령)으로는 수은도 규제대상 물질이지만, 방전램프는 그 규제대상에 제외되었다. 사실 형광램프 내의 봉입수은을 완전히 0으로 할 수는 없지만 그 봉입 제한량은 램프의 조건에 의해서 조절할 것을 자세히 명시하고 있다. 여기엔 만약 형광램프의 사용을 멈추고 전부 효율이 낮은 전구로 바꾼다고 할 때 에너지를 만드는 과정에서의 화학연료에서 나오는 수은 방출이 오히려 더 크다는 이유도 명시되어 있다. 수은의 정량 봉입을 위해, 수은을 금속과 합금해서 금속광체에 담지하게 하거나 펠릿 형태로 램프 안에 넣는 연구를 하였으며, 또 동작온도가 높은 전구형 형광램프를 아말감으로 하여 점등 시 수은 증기압이 너무 높아 효율이 저하되지 않도록 하는 연구 개발도 하고 있다.위에서 언급했듯이 형광램프는 발명된 이후, 높은 효율과 보다 쉽게 사용할 수 있는 방법 개발에 연구되어 왔다. 수은을 봉입하지 않는 형광램프의 연구가 계속 진행되고 있지만, 효율적으로 사용하기 쉽도록 하는 연구의 결과는 그다지 좋지 않아 아직까지도 기초적인 시행착오에서 벗어나지 못하고 있다. 앞으로 수은 사용량을 줄이고 수명을 늘려서 환경부하를 떨어뜨리고 회로나 센서와 일체화 한 시스템을 연구하여 효율향상과 환경부하 저감을 목표로 더욱 정진해야 할 것이다.HID 램프의 동향HID 램프는 위에서 말한 것처럼 고압 수은램프, 나트륨램프, 메탈할라이드 램프의 총칭으로 최근 생산량 총합은 각각 40%, 10%, 40% 정도의 비율을 보인다. HID 램프의 역사는 <표 5>에서처럼 시작은 형광램프보다 더 빨랐으며 빌딩의 조명 등의 대광량의 용도로 많이 사용되지만 생산량은 형광램프의 1% 정도로 낮다.
 <그림 5>는 그 생산량 추이를 나타낸 것이다. 1990년경까지는 점차 늘어났지만 버블붕괴 후 생산량이 줄어들어 근래에 와서야 겨우 회복되고 있다. 형광램프의 생산량 역시 1990년 초 쯤에 확 줄었지만 금방 다시 늘어난 데에 반해, HID 램프는 옥외용도가 많은 탓인지 경기의 영향을 많이 받고 있다. 고압 수은램프는 일반 조명으로 40W에서 20KW까지 광범위하게 개발되었지만 효율이나 황색성이 뛰어나지 않기 때문에 최근에는 거의 사용되고 있지 않다. 오히려 프로젝트용 광원으로 광학적인 필요에 의해 전극간 거리가 1mm정도로 짧고 그 사이에 100W정도의 전력을 인가(印加)시킨 초고압수은등이 실용화되어 폭넓게 이용되고 있다. 메탈할라이드 램프는 최근에 가장 많이 개발되고 있는 램프로, 특히 1990년 이후 발광관이 종래의 석영제에서 투명 세라믹제로 변한 세라믹 메탈할라이드 램프가 활발하게 개발되고 있다. 이것은 세라믹 재료로 대체시키는 것보다 발광관 온도를 더 높이기 때문에, 효율이 더 좋은 램프를 만들 수 있다는 점, 화학적으로 안정하다는 점, 타는 물질이기 때문에 형상의 촌법정도가 높게 만들어져 각각의 램프의 특성이 고르다는 점 등의 이점이 있다. 세라믹 메탈램프에서는 전류를 램프 내부에 도입시키기 때문에 금속부와 세라믹을 기밀(밀폐하여 기체가 통하지 않도록)로 봉지할 필요가 있다. 그 독특한 봉착구조를 <그림 6>에 나타내었다. 전극은 발광관과 캐피럴리(미세한 유리관, 길고 가는 모세관)부에서 접속된다. 왜냐하면 봉지재료인 플릿 유리(초고온에서 녹여 만든 것으로, 입자가 미세하여 불순물도 없으며 강도고 높은 유리)와 발광재료의 반응을 억제시키기 위해 플릿 부를 전극 선단에서 떨어뜨려 온도를 낮추기 때문이다. 이런 연구에 의해 Ra이 90으로 높아지고 효율이 115lm/W인 매우 뛰어난 특성을 가진 램프가 나오게 되었다.
 세라믹 메탈할라이드 램프는 현재 10W에서 400W정도까지 만들어졌다. 위 특성이 정도(精度)도 좋고 Ra도 높은데다 색 재현성도 뛰어나기 때문에 종래의 HID 램프가 사용되지 않았던 점포조명등도 소형 램프가 형광램프로 바뀌어 사용되었으며 응용 범위 또한 확산되었다.
 <그림 7>에 나타난 HID 램프쪾기구는 115lm/W의 고효율 세라믹 메탈할라이드와 전자 안정기 및 증반사막(增反射膜)으로 인해 기구의 반사효율도 더불어 같이 개선된 제품이다. 종래의 일반적인 기구(수은램프 400W+적응기구)와 비교해볼 때 조명 설계로서는 약 52%의 에너지절감 효과를 이뤘다. 그리고 100~50%에 광량을 합친 연속조광기능을 갖췄고 0.2초 이내의 순간적인 전압드롭이나 정전이 있을 때도 연속점등이 가능해졌다. 이것은 종래의 HID 램프의 약점이었던, 조광이나 점등 후 재점등에 시간이 걸린다는 문제를 전자회로로 커버하여 손쉽게 사용할 수 있게 변한 예라고 할 수 있다.고압 나트륨램프도 반응성이 높기 때문에 세라믹 발광관이 이용되고 있다. 원래는 전용 안정기가 필요했지만 시동장치를 램프외관에 넣는 방법이 연구되어 수은 램프의 안정기에도 점등할 수 있게 되었으므로 일본에서도 사용이 확산되고 있다. 고효율형 고압 나트륨램프로는 효율 140lm/W이상, 발광관을 2개로 묶어 넣은 교호점등형의 고압 나트륨램프로는 48000시간의 장수명을 가진 품종도 있다. HID 램프는 대광량인데다 효율이 좋기 때문에 세라믹 메탈할라이드 램프를 중심으로 앞으로도 개발이 크게 진행될 것이다. 또 램프뿐만 아니라 점등회로도 전자회로화가 진행되어 앞으로 몇 년 안에 기구가 경량쪾소형화 형태로 변할 것으로 예상된다.그 외 광원의 동향여기에서는 LED 조명의 동향을 주로 이야기해보겠다. LED는 1990년대 초기의 청색 LED 개발에 의해 조명분야로 처음으로 응용되었다. 기술적으로 종래의 다른 광원이 진공공학을 중심으로 한 플라즈마, 재료와 프로세스 기술이 그 포인트였던 것에 반해, 개체광원은 반도체 공학이 중심이 되므로 결정적으로 제조기술이 다르다. 또 광원도 종래의 것이 교류의 고전압 구동이었던 것에 반해, 이것은 직류의 저전압 구동이므로 다른 제어계와의 매치가 좋다. 더욱이 LED소자는 대부분 렌즈계가 들어가 있어 한 방향으로만 빛이 나올 수 있게 실치되어 있어서 그 광리용 효율이 높다는 특징을 가진다. 지금 LED의 세계 시장규모는 휴대전화용으로 약 50%를 차지하고 있으며 그 외 표시 18%, 자동차 15%, 신호 2% 등으로 아직까지는 조명에 사용되는 LED 의 비율이 5% 정도로 적다고 할 수 있는데, 그 이유는 앞에서도 말했듯이 LED는 약점이 많은데다 비용이 높고 똑같은 밝기를 내기 위한 비용이 현재로는 백열램프나 형광램프보다 훨씬 많이 들기 때문이다. 또한 백열등은 적외선역의 폭사로 소비로스분이 빠져나가는 것에 반해, LED의 경우엔 모두 열로 바뀌기 때문에 방열처리가 필요조건이 된다는 점이 원인일 것이다. 그러나 LED 이외의 광원은 앞의 2, 3절에 말한 여러 가지 이점을 한꺼번에 실현시킬 수 없기 때문에 앞으로 조명으로서 LED의 기댓값이 높다. 특히 환경부하의 시점에서 생각해보면, LED의 이용은 여러 면에서 긍정적이다. 현재 LED의 성능개선이나 연구개발이 활기차게 이루어지고 있으며 효율도 급속하게 향상되고 있다. 백색 LED의 효율은 개발당초의 수 lm/W에서 현재 양산품 백색 LED의 발광효율은 약 50lm/W로 백색전구의 효율을 대폭 상회하고 있다. 2009년에는 100lm/W에 달할 것으로 보이며 150lm/W까지 이를 수 있을 것으로 예측된다. LED 제조사에서 소자의 100lm/W 제품상품화를 방송하기도 해서 LED의 효율이 형광램프의 효율과 비슷해지는 것은 시간문제일지도 모른다. 특성을 높이고 가격이 내려가면 많은 조명 분야에서 사용될 것이다. LED는 사용재료의 열화에 의해 점등과 함께 광속이 감소한다. 실제의 수명은 방열조건에 의해 크게 다르지만, 포탄형의 용기로 사용되는 에포킨 수지의 경우 빛과 열의 상승효과에 의해 빛의 투과율이 감퇴한다. 이와 반대로 세라믹스 용기에 내구성이 우수한 실리콘 수지로 봉지된 소자의 경우는 칩의 동작온도만 100℃ 정도 이하로 억제하면 40000시간 이상의 수명을 가질 수 있다.LED 조명이 많이 사용되는 분야는 상야등(常夜燈)이나 족원등(足元燈), 정원용 등, 장식쪾연출 조명 등 주로 소전력으로 밝기는 그다지 문제 삼지 않는 곳에서 사용되다가, 현재는 점차 스포트라이트나 다운라이트 등과 같이 어떤 작은 장소에 적당한 밝기로 조명하는 용기 개발로 이행하고 있는 단계이다. 그리고 LED도 수 와트 레벨의 대전력 타입이 개발되고 있어 종래의 표시용 등에서 조명용 등으로 바뀌고 있다. 최근에는 LED를 집적한 모듈 타입으로 3.5W, 70lm/W로 245lm의 조명을 개발한 사례도 있다.
 광원의 기본 모듈은 <그림 8>처럼 점, 면, 선이나 면의 형태로 전개되는 것이 많다. 점은 주로 스포트라이트처럼 단독으로 사용되며, 선은 장수(長手)방향으로 연결쪾연장할 수 있어 건축 조명에 적합하다. 면은 종쪾횡으로 늘어날 수 있고 베이스라이트 등에 응용할 수 있으리라 예상된다. <그림 9>는 LED 조명으로만 사무실이나 거실을 조명해 본 한 예이다. 현재는 금액적인 문제로 실제로 사용되진 않지만 기술적으로는 가능하다는 것을 보여주고 있다.이상으로 광원을 중심으로 조명기술의 동향을 이야기해 보았다. 여러 가지 광원이 존재한다는 점에서 앞서 말한 내용이 반드시 모든 광원특성에 맞다고는 말할 수 없지만 오해를 주지 않을 정도로 일반적인 특성에 대해서만 말해본 것이다.
 앞으로의 램프 개발방향은 에너지절감과 환경부하의 저감에 초점을 맞출 것이라 생각된다. 여기에 소개했듯이 LED의 고체 조명을 제외하고 광원의 개발이 종래와 같이 기술의 대폭적인 혁신에 의한 에너지절감에는 그다지 기대할 수 없지만, 일반 가정에서 조명으로 전력의 약 15~25% 소비하고 있으니 앞으로도 꾸준히 노력해야 할 것이다. 환경부하 절감을 위한 한 방법으로 램프의 장수명화를 꾀하여 항상 밝고 조도저하가 작은 광원을 공급하여 불필요한 전력을 소비하지 않고 자원소비를 줄이는 방법이 있다. 또 다른 방법으로는 환경부하가 높은 광원재료의 절감 즉, 아예 안 쓰는 방법이 있다. 이미 언급했듯 형광램프에서 수은을 아예 안 쓰는 것이 어렵겠지만, 세라믹 할라이드램프나 고압 나트륨램프 등의 HID 램프에서는 수은이 발광에 직접적으로 관여하지 않고 높은 증기압을 이용하여 램프의 전기 특성을 조정할 목적으로 사용되기 때문에 영화(零化)의 가능성이 있다. 실제로 차재용 베드라이트에 많이 사용되는 HID램프 중 수은프리(Free)의 세라믹 메탈할라이드 램프가 처음으로 사용되고 있다. 효율을 충분히 확보할 수 있는 수단만 생긴다면 앞으로는 이런 램프의 개발쪾사용이 가속화 될 것이다. 마지막으로 조명의 소프트적인 측면과 하드적인 측면에 대해서 간단히 짚어보자. 우선 소프트적인 면에서, 새로운 광원이 개발되면 조명 설계의 방법도 틀림없이 달라질 것이며, 조명은 그 설계에 가깝게 점점 변할 것이다. 예를 들어 LED나 소전력 HID와 같은 소형 광원의 출현으로 조명 공간도 전체조명뿐 아니라 부분조명등이 보다 많이 설치되고 있다. 특히 점포 공간에서 전시 장소에 포인트를 주기 위해 조명을 사용할 수 있어, 어떤 장소를 다른 장소와 비교하기 위해 조명의 조도나 색으로 구별하기도 쉬워질 것이다. LED를 사용하면 색의 제어가 시간적으로도 쉬워서 공간을 새롭게 연출할 수 있고 조명도 여러 가지 다른 가능성을 가지게 된다. 또 실제로도 여러 가지 조명이 사용되고 있다. 한편 광쪾조명이 인체에 주는 영향에 대해서도 적극적으로 평가가 이루어지고 있다. 길고 긴 역사를 통해 우리는 인간이 일출의 빨간 백색광으로 기상하여 낮 동안의 파란 백색광에서 활동하며 빛이 없는 밤에는 잠을 자는 생체리듬을 가지고 있음을 알고 있다. 그리고 이 생체리듬은 광환경의 변화에 크게 의존하는 것이라는 것도 안다. 파란 백색광은 흥분작용을 함과 동시에 높은 각성효과를 유발하고, 반대로 빨간 백색광은 기운을 완화시키고 가라앉히며, 고조도의 조명은 시차로 인해 흐트러진 리듬을 고친다는 것이 알려져 있다. 따라서 이런 특성을 살린 조명을 실내에 적극적으로 활용하면 한결 완화된 편한 분위기의 공간을 확보할 수 있을 것이다. 종래의 작업 시 조도를 확보하기 위한 조명에서 근래의 조명은 그것보다 더 적극적으로 쾌적한 공간을 제공하는 방향으로 향하고 있다. 그리고 하드적인 측면에서 역시 램프나 점등회로의 개발이 진행되어 이런 환경의 제공을 실현할 수 있게 된다. 앞으로는 이런 소프트적인 면과 하드적인 면의 개발이 동시에 진행될 것이다.
<Energy News>
|
|
장바구니
주문내역
