LED 조명산업 비전 및 발전전략

LED조명산업 비전 및 발전전략 한국조명기술연구소_황명근 수석연구원 (032)670-8888 / keunhwang@korea.com 개요 인류에게 있어서 문명을 가져다 준 가장 중요한 원동력은 불(Fire, Light)이라고 할 수 있다. 인류가 불을 이용하면서부터 문명은 급속도로 발전하여 왔다. 구석기 시대부터 인간이 불을 사용하여 왔다는 것은 널리 알려진 사실이나 불을 언제부터 사용하기 시작했는지는 추측할 따름이다. 지금까지 불은 어둠을 밝히는 조명(Lighting)으로, 추위를 막아주는 난방(Heating)으로 그리고 점차 음식물을 조리(Cooking)하고 흙을 빚어 굽고, 쇠붙이를 녹여 각종 기물(器物, 농업을 하기 위한 쟁기, 짐승 등을 잡기 위한 칼 등)을 만들고, 국가의 위기를 알리는 신호에 이르기까지 그 쓰임새가 다양하게 발전하여 왔다.

조명산업의 분류 조명기기로 분류될 수 있는 제품은 매우 다양하다. 대부분 한국표준산업분류(KSIC, Korean Standard Industrial Classification)에 의한 기타 전기기계 및 전기변환장치 제조업 중 전구 및 조명장치 제조업에 포함되지만 안정기와 램프홀더, 소켓 등 일부 부품은 변환장치 또는 제어장치에 속한다. KSIC상에서 조명기기와 관련된 품목은 <표 1>과 같다. 그러나 일반적으로 조명산업에서 통상적으로 많이 사용되는 IEC TC34/A/B/C/D 제품별 대분류 형태는 <표 2>와 같이 분류하여 사용하고 있다. 조명산업의 중요성 조명기기(램프, 안정기, 등기구 등)는 산업, 사회, 경제, 문화 등에서 필수불가결한 제품으로서, 최근 조명기술에 각종 첨단 신기술(ITㆍNTㆍBTㆍET)을 접목ㆍ융합화(Convergence)한 새로운 고부가가치 신산업 창출이 촉진되고 있다. 1879년 에디슨의 백열전구(발광효율 1.4㏐/W, 수명 40시간)가 실용화된 이래로 백열전구의 효율은 10배, 수명은 25배 이상 향상되었고, 현재 가장 널리 사용되는 형광램프의 경우 발광효율은 60~90㏐/W, 수명 10,000시간으로 향상되었다. 그러나 이는 백색광원 이론적 한계효율(280㏐/W)의 5~40% 정도에 불과하다. LED(Light Emitting Diodes)는 기존 전기ㆍ전자ㆍ통신 분야 등 신호용에서부터 자동차 테일램프, 간판, 피난 유도등(Exit Sign), 간판ㆍ전광판 등 광범위하게 사용이 되고 있다. 최근 국내에서도 HB LED를 사용한 교통신호등용 규격이 이미 제정되어, 기존 백열구에서 LED신호등으로 교체ㆍ사용 중이다. 이러한 LED는 저소비전력과 장수명뿐만 아니라 소형경량, 고신뢰성, 간단한 구동회로와 제품 개발 시에 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 등 색상제어가 용이한 장점을 가지고 있다. 이처럼 LED조명은 산업적 성장 잠재력과 친환경ㆍ고효율 특성이 융합된 투자유망 신산업이자 첨단 환경ㆍ에너지산업으로서 광원의 트랜드(Trend) 변화와 함께 지속적인 성장 잠재력과 거대한 시장을 갖춘 신규투자가 유망한 산업으로 여겨진다. 따라서 IT, 유비쿼터스 등 첨단 기술 및 문화ㆍ관광산업과의 융합화로 새로운 고부가가치 산업 창출을 촉진시키며 홈 네트워크, 최첨단 도시ㆍ경관조명 연출, 의료ㆍ차량조명 등 이종산업간 시너지효과를 창출해 낼 수 있을 것으로 본다. 또한 LED조명은 각종 환경규제 및 기후변화협약에 대응하는 미래 친환경 산업으로서 백열등ㆍ형광등과 달리 가스필라멘트ㆍ수은을 사용하지 않아 안전하며, 긴 수명(5~10만 시간, 다른 광원의 10~100배), RoHS(유해물질 사용제한), WEEE(전자제품 회수의무), CO2 배출제한(전력소비 절감) 등에 대응 가능한 친환경 미래자원으로 조명산업에서의 중요성은 실로 높다 하겠다.

<그림 2>는 2001년 12월부터 2004년 11월까지 조명기술연구소와 LG전자, 태원전기산업 등 14개 기관 및 단체가 참여하여 3개년 사업으로 개발한 친환경 무수은 차세대 광원으로써 PLS(Plasma Lighting System)무전극 램프와 LED램프, FFL(Flat Fluorescent Lamp), OLED(Organic Light Emitting Diode), CNT(Carbon Nano Tube)광원 등을 나타낸 것이다. 최근 백색 LED 분야가 활성화됨에 따라 국내 중소·대기업이 MR16, PAR LED램프 등 각종 조명용 파워 LED램프 연구개발 및 상품화 중에 있다. 참고로 <그림 3>은 우주왕복선(러시아)에 사용되었던 조명기구로서 정격이 50㎾/200A이며 무게가 성인 한 사람 몸무게인 65㎏, 투광거리가 약 1㎞인 조명등기구이다.

차세대 신광원(LED/OLED/CNT 등)조명기술의 등장과 에너지절감과 환경문제에 대한 관심 고조로 2015년경 신광원 조명사회가 본격 실현될 전망이다. 앞으로 인간의 감성과 생체리듬에 부합되는 U-city 등과 연계한 지능 감성형 신문화 환경을 조성할 것이다. 세계시장 ▶ 세계 조명시장 규모는 2007년 800억 불 수준(2015년 1,100억 불)이다. - 아시아(34%), 북미(28%), 서유럽(24%)이 세계 조명시장의 86%를 형성, 중국(2006년 96억 불)은 아시아 시장의 36%, 일본(2006년 79억 불)은 30%, 한국(2006년 20억 불)은 7.7% 점유하고 있다. ▶ 중국, 동남아시아 등 신흥 공업국의 조명산업 급성장, 조명전문 대단지 클러스터(Cluster)화로 인해 세계시장 가속화로 중국의 중산(Guzhen)시에 약 1,800여 업체 입주, 다수의 업체가 LED조명 생산에 주력하고 있다. ▶ LED조명은 2004년 1.74억 불 수준에서 2015년에는 16억 불 규모(37.6%/년), OLED 시장 규모는 2005년 7.38억 불 수준에서 2015년에는 66억 불 규모로 성장할 것으로 전망(30%/년)되며, LED조명은 연평균 38%, OLED는 30% 등 급성장세를 보이고 있다. LED 응용 조명기술 최근에 조명용 광원으로 사용되는 고휘도 5Φ LED 청색, 녹색, 호박색, 적색, 백색 등에 대한 광속(Luminous Flux), 효율(Luminous Efficacy), 최대 파장(Peak Wavelength, λp), 가중 평균파장(Weighted Average Wavelength), 반치폭(FWHM, Full Width At Half Maximum, △λ), 색도좌표(Chromaticity Coordinate), 주파장(Dominant Wavelength), 자극순도(Excitation Purity, Pe) 및 휘도순도(Colorimetric Purity, Pc) 등 광학적 특성을 각각 비교 검토하여, 앞으로 개발 사용하게 될 신광원용 고휘도 LED조명의 광학적 특성 연구에 도움이 되고자 한다.

1. 서론 1990년대 일본 니치아(NICHIA)사의 청색 및 백색 고휘도 LED 개발로 기존 램프를 대체할 LED조명 연구개발이 국내외에서 상용화에 박차를 가하고 있다. 오스람과 지멘스(반도체)사의 합작을 비롯하여 HP 애질런트(Agilent)사와 필립스사가 합작한 루미레즈(LumiLeds)사, GE조명과 엠코어(Emcore)사가 합작한 젤코어(GELCore)사 등 새로운 합작회사가 생겨나고 있으며, 국내에서도 서울반도체, 삼성, LG이노텍, 이츠웰, 나이넥스, 포트론, 옵토웨이 등 40여 회사에서 고휘도 파워 LED를 개발하고 있다. 또한 금호전기, 중부전기전자, 대진디엠피, 화우테크, KDT, 반디라이트, SLD, 목산전자, 루멘스, 일루텍, 에디슨쏠라이텍, 베스비 등 200여 개의 기업이 LED조명에 대한 기술개발 및 제품을 시판 중에 있다. 현재 국내 LED조명 전문 인력 및 국내외 LED 관련 규격이 미비하여 LED조명의 정확한 특성 설계 및 측정이 어려운 실정에도 불구하고 ‘LED조명 인력양성사업’추진과 함께 기존의 백열구, 형광램프 및 HID광원류의 특성 측정을 기초로 시험하고 있다. 정부는 ‘LED조명 15/30 보급’과 2009년까지 LED조명기기의 15개 품목에 대한 ‘LED조명 표준화’ 정책을 밝힌 바 있으며, 최근 대기업(금호전기, 삼성전기, LG이노텍 등)과 중소기업이 서로 협력하여 LED조명 생산을 추진하고 있어 국내외 시장에서 LED조명 선점 각축전이 예상된다. 2. 시험 ⑴ 시험 준비 고휘도 LED램프의 광속, 상대 분광분포(Relative Spectral Power Distribution)측정은 LIScontrol 프로그램을 이용하였다. 이 소형 적분구(Integrating Sphere) 100Φ을 사용하여 시험한 결과를 제시하고자 한다. 표준으로 사용한 LED는 국제공인시험기관인 NML(National Measurement Laboratory)에서 공급받은 것으로 직경 5Φ 표준 발광다이오드(Reference LED)를 사용하였으며, 국내 A사 LED제품을 무작위로 선택하여 공급전류 20㎃를 기준으로 시험하였다. LED 광 특성 시험 시 분광기(Monochromator) 시스템에서 데이터를 취득하기 위한 DAS(Data Acquisition System)는 분광기, 광파이버(Optical Fiber Input), 필터 휠 시스템(Filter Wheel System), CCD 어레이 등으로 구성된다. LED의 작은 빛 단파장을 적분구에서 분광기 입력단(Input Stage)까지 전달시키는 광파이버(Optical Fiber)케이블은 케이블 내부(Fiber Bundle)가 분광기 출입구(Entrance Slit)까지 연결되도록 하고, 분광기 내에서는 빛을 스펙트럼 구성요소(Spectral Component)로 분산시키는 회절격자(Diffraction Grating)를 부착한다. 분광기 CCD 어레이는 각 파장대에서 광원의 상대분광(Relative Spectral Power)을 측정하도록 하였다. <그림 5>는 분광기 시스템 연결 상태를 나타내며, <그림 6>은 시험에 사용한 LED 종류이다.

LED의 측정ㆍ실험에서 측정 불확도(Uncertainty of Measurement)는 온도(Temperature)±0.1℃, 전압(Voltage):±0.1%, 전류(Current):±0.1%, 전력(Power):±0.1%, 파장(Wavelength):±0.1㎚, 분광에너지(Relative Spectral Energy):±0.005units이다. ⑵ 시험 순서 빛의 단파장 광속을 발하는 LED를 시험하기 위한 소형 적분구는 구가 작기 때문에 정밀한 비시감도V(λ)를 얻을 수 없으므로 LED 광속 시험은 상대 스펙트럼으로 측정한다. 분광(Spectral) 시험 시 1.5m 광케이블을 적분구에 연결, 광케이블의 다른 한 쪽 끝은 분광기 입력단자(Input Port)에 연결시킨다. CCD 어레이는 분광기 출력단자(Output Port)에 부착시킨다. 그리고 시료 LED를 적분구에 삽입하고 전압 및 전류를 가하여 광 특성을 출력하였다. ⑶ 시험 결과 및 고찰 시험 결과, 고휘도 LED의 청색(B), 녹색(G), 호박색(A), 적색(R), 백색(W)순으로 주파장은 각각 471㎚, 527㎚, 593㎚, 632㎚, 581㎚이고, 자극순도는 0.91, 0.78, 0.99, 0.98, 0.07로 나타났다. 휘도 순도는 148%, 16%, 35%, 48%, 3%로 측정되었으며, 휘도 순도의 크기를 보면 청색, 적색, 호박색, 녹색, 백색 순으로 나타났다. 청색 LED 휘도 분포는 148%로 가장 높았고 백색 LED 휘도 순도는 3%로 가장 적었다. 이로써 청색과 백색 LED 휘도 순도비는 148%로, 약 50배의 차이가 남을 알 수 있었다. <표 4>는 각각의 LED 측정시료의 색도좌표 및 주파장을 나나타낸 것이고, <표 5>는 시험에 의한 자극순도와 휘도순도를 나타낸 것이다. LED의 반치폭(△λ)은 청색, 녹색, 호박색, 적색, 백색 순으로 각각 38㎚, 38㎚, 34㎚, 24㎚, 35㎚로서 평균 33.8㎚로 나타났다. 고휘도 백색 LED 색도좌표(Chromaticity Coordinate) x, y는 0.327, 0.340으로 CIE(국제조명위원회) 1931 표준광 D65에 근접함을 실험을 통해 알 수 있었다. <표 6>은 발광색별 가시광 영역(380~780㎚)과 보색관계를 나타낸 것이다. <그림 7>은 제작된 R/G/B 및 W-LED광원의 광 특성을 측정하는 사진이며, W-LED광원은 백열전구(15㎚/W)에 비해 3배 이상의 높은 광 효율(47.7㎚/W)을 보였다. 향후 전망 및 과제 1. LED조명의 균형적이고 종합적인 발전을 기하기 위해 LED광원, 안정기, 등기구, 부품·소재 및 디자인 등 다변화를 모색하고 있다. 첨단 조명 기술의 연구개발로 고부가가치 제품을 창출하고 규격을 선점화하여 기술을 선도해야 할 것이다. 2. LED는 조명용 광원으로서 시스템 발광효율(㏐/W)증대 및 고출력 LED개발을 위한 원천기술로는 에피성장의 조성ㆍ응력ㆍ제어기술, 양자효율 개선 등을 들 수 있으며 산업계, 학계, 연구계 등에서 핵심ㆍ복합적인 기술개발을 필요로 하고 있다. 3. 앞으로 LED광원은 여러 가지 색상 조합과 주변회로 제어로서 고효율의 빛 연출이 가능하게 될 것이며, 일반 조명용(가정용, 산업용 등) 성능평가 방법 표준화 및 국제규격화로 새로운 광원으로 등장할 것이다. 또한 정부의 ‘LED조명 15/30 보급정책’과 ‘OLED조명 국책사업’으로 조명산업에서 우위를 점할 것으로 보인다. 4. 조명산업은 선진국 진입의 척도, 신광원 조명(무전극램프, PLS, LED, OLED, CNT 등)의 전환시기로 발전해 가고 있다. 따라서 2006년 8월 정부의 ‘조명산업 비전 및 발전전략’과 ‘LED조명 15/30보급정책’ 발표에 적극 대응해야 할 것이다. 5. 조명산업발전은 인적자원의 교육·훈련, 핵심 조명기술 획득, R&D 투자, 대ㆍ중소기업간 상생협력 등으로 시너지효과 창출 등에 달려있다고 압축할 수 있다.