[특별기고 II] LED 조명기술의 특성과 응용사례

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[특별기고 II] LED 조명기술의 특성과 응용사례

2008년 5월 2일 (금) 23:49:00 | 지면 발행 ( 2008년 4월호 - 전체 보기 )

LED조명기술의 특성과 응용사례 한국에너지기술연구원 전기·조명기술연구센터_정봉만 책임연구원 (042)860-3125/bmjung@kier.re.kr LED광원 조명특성 인류의 탄생과 함께 조명기술은 태양 빛을 근간으로 횃불에서부터 백열전구와 형광등으로 대표되는 방전등까지 발전되어 왔다. 20세기에 반도체기술의 진전으로 마법의 돌에서 빛이 발산하는 기술이 발명되었으며, 최근 조명용으로도 충분히 밝은 반도체 발광다이오드(LED)가 개발되면서 이를 응용한 새로운 조명기술(Solid State Lighting)이 등장하여 미래 조명기술로 부각되고 있다.

현재 LED광원의 독특한 발광특성을 응용하여 기존 지시용 조명기기 분야에 빠른 속도로 침투하고 있으며, 2020년에는 일반 형광등 조명기기에도 폭넓게 사용되리라 예측하고 있다. <그림 1>은 조명용 광원의 진화과정을 나타낸 것이며, <표 1>은 기존 광원과 LED광원의 전형적인 조명특성을 비교한 것으로 LED광원의 주요 조명특성을 요약하면 다음과 같다.

① 구조적으로 기존의 광원과는 달리 단단한 고체형태의 작은 점광원으로써 유리전극, 필라멘트 및 수은(Hg)을 사용하지 않아 매우 견고하고, 수명이 길며, 환경 친화적이다. 이에 따라 LED를 사용하는 조명기술을 기존 조명기술과 달리 고체형태로 된 단단한 구조의 광원을 사용하는 반도체조명기술이라 부른다. ② 광학적으로 선명한 단색광을 발광하여 연색성이 나쁜 반면, 특정색(또는 특정파장)을 필요로 하는 조명기구 적용 시 빛 손실이 매우 작고 시인성이 향상되며, 지향성 광원으로써 등기구 손실을 크게 줄일 수 있다. 또한 현존하는 어느 광원보다도 조광제어 능력이 우수하여 다양한 색 연출이 용이하다. ③ 전기적으로 직류 구동광원으로(다이오드 특성상 교류도 가능) 특정전압 이상에서 점등을 시작하고 점등 후에는 작은 전압변화에도 민감하게 전류와 광도가 변화한다. 또한 주위온도에 따라 정격전압이 변화하므로 정전압으로 구동 시 환경 적응특성이 매우 열악하게 되어 원칙적으로 정전류원으로 구동하여야 한다. 이에 따라 LED조명기기를 안전하게 점등시키기 위해서는 LED램프 특성에 맞는 전용 전원공급 장치(Ballast)가 요구된다. ④ 환경적으로 온도상승 시 허용 전류와 광 출력이 감소하고 많은 열이 발생하는 등 주위온도 및 동작온도 변화에 대해 매우 민감하게 동특성이 변화한다. 만약 허용치 이상의 전류가 흐를 경우, 수명이 대폭 감소하고 성능이 크게 저하되므로 전용 전원공급 장치 외에 적절한 열처리 기술이 필요하다. 1. 전기적 동특성 LED는 빛을 내는 다이오드(Diode)로 다이오드 특성상 전기적 극성이 일치하고 일정 전압 이상에서 급격히 전류가 증가하며, 밝기는 전류 크기에 정비례하는 독특한 특성을 지니고 있다. 단일 LED의 정격 구동전압은 발광색(반도체 종류)에 따라 변화하며, 주위온도에도 미세하게 변화한다. 일반적으로 2~4V의 매우 낮은 전압에서 동작한다. 2. 열적 동특성 LED광원은 기존 광원(백열등, 형광등)과 달리, 흐르는 전류가 일정하더라도 접합 부분 온도가 낮을수록 광출력과 광효율이 향상하는 특성을 지니고 있다. 이는 온도가 높을수록 광출력과 광효율이 저하된다는 의미로 필요 시 조명성능을 향상시키기 위해서는 접합부에서 발생된 열을 적절히 방출하여야 한다.

3. 광학특성과 광변환효율 LED 반도체는 본질적으로 방향성 광원은 아니나 구조적으로 불투명성 요소(기판, 전극, 방열기 등)에 의한 빛 손실을 최소화한 광학적 디자인으로 작은 반사경과 에폭시 렌즈를 사용하여 전면에 빛을 모아 발산하는 구조를 사용하고 있다. 이에 따라 패키징된 LED 램프는 방향성을 가지고 있으며, 광학특성도 이러한 구조에서 측정하는 것이 일반적이다. 광변환효율(LPW)은 반도체기술 발전과 더불어 매 18개월 주기로 약 2배 향상되고 있으며, 현재 실험 실적으로 100㏐/W이상 보고되고 있다. 그러나 양산되는 상용제품은 30~40㏐/W 수준이다. 이는 백열전구 광변환효율 10~15㏐/W의 약 2.5배, 형광등 광변환효율 70~80㏐/W의 약 1/2에 해당하는 것이다. 즉, LED는 현재 사용하는 대표적인 광원들과 비교하여 여전히 낮은 광변환효율을 갖고 있으나 특정 파장대(색)를 발광하는 독특한 조명특성으로 지시용 조명기기에 적용하여 80~90%이상의 에너지절약 효과를 입증하고 있다. 2020년경으로 예측하고 있는 200㏐/W 실현 시 에너지절약뿐만 아니라 환경보호 측면에서 LED광원이 모든 조명기기의 주요 광원으로 사용될 것으로 예상하고 있다.

4. 구조적 특성과 수명 LED는 필라멘트와 전구가 없는 단단한 고체상태 발광소자로 적절한 전원공급과 방열기를 사용할 경우 10만 시간 이상 사용해도 소손 없이 점등상태를 유지할 수 있다. 이에 따라 일부에서는 LED를 반영구적인 광원이라 하기도 한다. 그러나 모든 광원은 시간이 지날수록 광출력이 점점 감소하는데, 초기 광도의 80%까지는 사람이 잘 느끼지 못하며[Boyce 2002], 이 기준으로 평가할 때 LED의 수명은 현재 약 40,000 ~ 50,000시간으로 평가된다. 따라서 백열전구의 1,500시간, 형광등의 10,000시간에 비해 LED는 수명이 매우 긴 장수명 광원이라 할 수 있다. LED광원 응용특성 1. 좁은 파장대의 단색광 발광과 높은 시인성 LED는 반도체 종류에 따라 결정되는 좁은 파장대의 단색광을 발광하므로 특정한 색을 요구하는 조명기구에 적용할 경우 탁월한 조명성능과 유효 발광효율을 기대할 수 있다. 그 예로 15㏐/W 백열전구를 사용하는 신호등은 적색 투과율은 10% 정도, 발광효율이 1.5㏐/W로 90% 감소하는 반면, LED는 선명한 적색 그 자체를 30㏐/W 이상 발광하기 때문에 전구식에 비해 90% 이상 에너지절약이 가능하게 된다. 이밖에 장수명에 따른 유지보수비용 절감, 시인성 향상에 따른 교통사고저감 등도 기대된다. 주요 응용분야로는 특정 색을 요구하는 교통신호등, 항공장애등, 비상구, 등명기(Buoy) 등이 있다. 2. 용이한 광 출력 제어와 빠른 응답 LED의 광출력 제어는 전원전압(전류)을 제어하는 방법과 전원전압을 일정하게 유지하면서 펄스폭을 변조(PWM)하는 방식이 사용된다. 일반적으로 신호등과 같이 단순한 조명장치는 전압(전류)제어 방식을, 전광판과 같이 다양한 밝기와 색을 연출해야 하는 복잡한 조명장치는 디지털 기술을 이용한 펄스 폭 변조방식을 사용하고 있다. LED 응답 속도는 수 ㎲로 백열전구의 150㎳에 비해 매우 빠르다. 이러한 특성을 자동차의 브레이크 등(적색)에 적용할 경우 교통안전에 크게 기여할 수 있다.(시속 100㎞/h 차량의 경우, 전구식보다 6m 앞에서 감지) 3. 지향성 - Task Lighting

LED램프는 반사 컵과 에폭시 렌즈의 구조 등에 의해 배광특성이 결정되며, 최대 광도를 발산하는 광축방향을 중심으로 좌우 각도에 따라 광도가 감소한다. 이때 중심 축 방향 최대광도의 50%되는 각도를 반치각 또는 가시각(Δθ)이라 하며, 최대광도와 더불어 LED 발광효율을 결정하는 중요한 요인이다. 동일 광량에서는 반치각이 클수록 중심 축 광도는 작아진다. <그림 5> 위 2개의 그림은 등기구에 의한 광원의 빛 이용특성을 나타낸 것으로 100㏐/W의 HID램프의 경우 기구효율 40%, 50㏐/W의 LED의 경우 기구효율 80%로 실질적으로 같은 40l㏐/W의 빛을 이용하고 있음을 알 수 있다. 이는 LED광원 효율이 1/2로 낮다고 하더라도 등기구 효율이 2배로 높아 실질적인 조명효율이 같다는 것을 보여주는 것으로 단순히 광원효율이 높다고 하여 조명효율이 높지 않은 것을 보여주는 사례이다. <그림 5> 아래 2개의 그림은 LED램프의 지향특성을 응용한 사례이다. 4. 낮은 UV/IR

가시광선의 좁은 파장대를 발광하는 LED 광원은 적외선과 자외선 방출에 의한 대기로의 열전달은 거의 없는 반면 접합부분에서 큰 열을 발생한다. 이러한 열 발생은 LED 성능을 크게 좌우 하므로 조명시스템 설계 시 열처리 기술은 매우 중요한 요인의 하나로 고려된다. <표 2>는 입력전력에 대한 주요 광원의 광출력, IR/UV 출력, 열 발생, 안정기 손실에 대한 비율로써 기존 광원의 경우 IR 발생비율이 높은 반면 LED의 경우 열 발생비율이 높은 것을 알 수 있다. IR과 UV가 적다는 것은 빛에 의해 피사체에 전달되는 에너지가 적다는 의미로 외부로 적절히 열을 방출할 경우 박물관 조명, 냉동냉장고의 내부 조명에 우수한 효과를 기대할 수 있다. 현재 형광등에 주로 사용하는 냉장 쇼 케이스의 경우 짧은 수명에 깨지기 쉽고, 불균일한 조도와 열전달 등이 문제되나, LED를 사용할 경우 작은 점광원을 균일하게 분배하여 조도를 균일하게 유지하기 용이하고 내부의 적은 열전도로 냉장효율을 증가 시킬 수 있다. 또한 형광등의 경우 저온에서 광출력이 25% 감소하는 반면 LED는 광출력이 증가하여 광 이용효율 향상이 기대된다. 5. LED의 파장별 응용분야 LED광원의 가장 큰 특징은 여느 기존광원과 달리 특정파장의 단색광을 발광한다는 것이다. 이는 지금까지의 조명기술이 백색광에서 출발하여 빛을 직접 또는 파장별로 분해하여 이용하는 방식과 달리 LED 조명기술은 파장별로 분해된 빛을 직접 또는 결합하여 이용하는 방식으로 조명기술의 근본적 개념이 변화되고 있다.

<그림 6>은 LED 광원의 발산 파장별 주요 응용 분야를 나타낸 것이며, 현재 광원의 성능향상과 병행하여 폭넓게 응용분야가 확대되는 추세이다. 응용사례 분석 1. LED 교통신호등

우리나라 교통신호등 수는 2005년 1/4분기 기준 약 40만 조, 총 114만 등이며, 평균 점등률은 약 37%로 조사되었다.(<표 3> 참조) 광원별 보급비율은 100W백열전구를 사용하는 전구식 신호등이 79.4%, LED 신호등이 20.6%이며, 연간 약 305GWH의 전기에너지를 소비하고 있다.(<표 4> 참조)

기존의 100W 백열전구를 사용하는 전구식 신호등은 ① 빛 이용효율이 낮고 365일 24시간 점·소등에 따른 많은 전기에너지 소비, 첨두부하 증가(전력수요관리 불가)의 원인이 되고, ② 수명이 짧아 잦은 유지보수와 교통흐름에 장애를 유발하며, ③ 착색렌즈와 반사경을 사용하여 빛 이용이 크게 저하하고, ④ 상대적으로 나쁜 시인성과 'Sun Phantom 효과'로 교통사고 증가 등 비효율적인 광원이라 할 수 있다. 이에 반해 LED 신호등은 ① 양호한 반복점등과 충격특성의 장수명으로 유지보수비 절감, ② 반사경, 소켓, 착색렌즈가 필요치 않아 소형화 및 빛 이용효율 향상, ③ 특정파장대의 선명한 단색광 발광에 의한 시인성 향상과 교통사고 저감 등의 특성으로 전구식 신호등 대비 90% 이상의 에너지절약뿐만 아니라 유지보수비 경감, 교통 환경 개선에도 크게 기여하고 있다. 교통신호등의 규격은 특성상 모든 국가에서 엄격히 관리하고 있으며, 우리나라의 경우 2001년 기존 신호등 규격과는 별개로 세계 최고 수준의 '한국형 LED 교통신호등 규격'을 개발하여 2002년부터 제도화 보급 중에 있다. 한국에너지기술연구원에서 개발한 '한국형 LED교통신호등 규격'의 주요 특징은 ① 삼색 동일광도기준 채택(차량용 중심축기준 340cd), ② 무색 투명렌즈 채택으로 팬텀효과 억제, ③ 설치환경과 LED의 동특성을 고려한 허용 광도변화율 규정(±20%), ④ 최대 소비전력 제한(차량용 10W, 보행용 8W), ⑤ 무상 보증기간 3년 의무화 등으로 요약된다. 1개 교차로(차량등 32개, 보행등 16개 총 48개 기준)를 LED 신호등으로 교체 시 월간 절전량 '90W×33%(점등율)×24시간×30일×48개=1,040㎾H'로 약 4가구에서 사용하는 전력량에 해당한다.

우리나라의 2005년 기준 LED 교통신호등의 절전 실적은 69GWH이며, 추가 절전 잠재량은 연간 270GWH로 추정된다.(<표 5> 참조) 이를 전력요금으로 환산하면 연간 69억 원의 전기료를 이미 절감하고 있으며, 추가적으로 연간 270억 원의 전기료를 절감할 수 있는 막대한 금액이다(100원/㎾H 기준).

<표 6>은 1개 신호등 교체 시의 효과를 분석한 것이며, <표 7>은 LED 교통신호등의 경제적 회수기간을 분석한 것이다. 분석결과 회수기간이 0.42년(약 5개월)으로 경제성 매우 좋은 것으로 분석되었다.

2. LED 문자형 간판 문자형 간판은 일반적으로 지상에서 높은 곳에 설치되어 글자형태로 정보를 전달하는 전기사용간판으로 대부분 광 이용효율과 시인성이 낮고, 수명이 짧으며, 환경오염이 큰 네온램프와 형광등을 사용하고 있다. 그러나 최근 LED 기술의 급진전으로 문자형 간판에 LED광원을 적용하는 시도가 있으며, 적용 결과 국내외적으로 80% 이상 에너지절약이 가능한 것으로 보고되고 있다. 우리나라 네온/형광등 문자형간판 총 보급용량은 417㎿, 연간 소비전력은 1,371GWH이며, 이를 LED 문자형 간판으로 교체 시 초기 설치비용은 약 1,500억 원 증가(23%)하는 반면, 연간 소비전력은 246GWH로 감소하여 1,125GWH의 절전(82%)이 가능한 것으로 평가되었다. 이를 전기요금으로 환산하면 연간 1,125억 원에 해당하는 것으로 단순히 전력요금 절감을 반영한 경제적 회수기간은 약 1.3년으로 분석되었다.

<그림 7>은 한국에너지기술연구원에 설치된 36W PL형광등 140개를 사용하는 대형 문자형간판으로 순간 소비전력이 5㎾였으나, LED광원으로 교체 시 소비전력이 800W로 감소하여 84%의 에너지가 절감된 사례를 나타낸 것이다. 3. LED 비상구(유도등) 유도등이란 화재, 정전 등 비상시 대피용 표시등으로 피난구 유도등과 통로 유도등으로 구분되며, 정상상태에서는 상용전원에 의해 점등되고, 정전상태에서는 내장된 축전지에 의해 자동 점등되는 조명기구이다. 기존 형광등 유도등은 자기식 안정기와 계전기를 사용하여 소형 형광등을 점등하고 전원을 전환하도록 구성되어 있으며, 소비전력이 크고 짧은 광원수명과 잦은 유지보수, 대형 중량화, 유지보수 측면에서 경제적 비용 상승 등의 단점이 있다. 이에 반해 LED 유도등은 형광등 유도등의 단점을 극복하고 시인성 향상으로 비상시 유도기능의 향상이 가능하여 미국과 유럽지역을 중심으로 폭넓게 보급되고 있다. 우리나라의 유도등 연 공급수량과 시장규모는 약 100만 개, 500억 원이며, 총 보급 수량은 약 500만 개(교체수명 3~20년)로 연간 507GWH의 전력을 소비하는 것으로 추정된다. 소형 유도등 기준 평균소비전력은 형광등 유도등 16.5W, LED 유도등 2.56W로 조사되어 약 84%의 에너지절약이 가능하며 LED 유도등으로 교체시 연간 427GWH의 에너지절감이 가능한 것으로 분석되었다(<표 9> 참조). <표 10>은 우리나라의 유도등 조명성능기준(KOSEIS 0401)으로 LED 유도등의 경우 1:1 표시면, 형광등 유도등의 경우 기타 표시면 기준을 적용하고 있다. 이는 신광원(LED, CCFL)과 새로운 조명기술(도광판) 등장으로 기존 형광등 유도등을 대상으로 만들어진 기술 기준 단일화 적용의 한계에 기인한 것으로 추측된다. 그러나 이는 LED 유도등의 고유기능과 신광원의 특성(장점)을 제대로 반영하지 못하고 있으며, 특히 발광면적을 줄이고 전기에너지가 절약된다고 고효율 에너지기기라 하기에는 논리적으로 모순이 있다고 하겠다. 따라서 유도등의 고유 기능인 비상시 유도성능과 LED 유도등의 특성을 합리적으로 반영하는 새로운 '효율 LED 유도등 기술기준개발'이 절실히 요구된다. 4. 3대 지시용 조명기기 에너지 절약효과 분석 앞서 분석된 3대 지시용 조명기기(교통신호등, 문자형 간판, 유도등)의 에너지절약 실적과 잠재량은 ① LED 신호등의 경우 연간 절전 잠재량 260GWH, 절전 실적 70GWH, ② LED 유도등의 경우 연간 절전 잠재량 410GWH, ③ LED 유도등의 경우 연간 절전 잠재량 1,125GWH으로 연간 총 1,865GWH(1,865억 원)의 에너지 절약 잠재량이 있는 것으로 평가된다. <그림 10>은 우리나라의 3대 지시용 조명기기의 에너지절약 실적 및 절약 잠재량이며, <그림 11>은 미국의 에너지성(DOE)에서 평가한 LED 조명기기의 에너지절약 실적 및 절약 잠재량을 비교한 것이다.

5. LED 용용사례

<그림 12>는 선박의 안전항해를 돕기 위한 항로 표시시설인 등명기(Buoy)로 대형 해상 부유구조물 상단에 설치된 조명기기이다. 등명기용 광원(200㎜ 기준)은 직류 12V, 2.03A, 280㏐, 수명 1,000시간의 백열전구를 사용하며, 설치 환경상 상용전원 공급이 불가능하여 태양전지와 축전지를 사용하고, 백열전구의 짧은 수명과 잦은 고장으로 여분의 보조기기(Lamp Change, 제어기 등)를 설치하여야 하는 등 큰 부대설치 비용과 유지보수에 많은 어려움이 있다.

<그림 13>은 한국에너지기술연구원에서 개발한 LED 등명기로 80% 이상의 에너지절약과 이에 따른 태양전지와 축전지 용량감소, 장수명에 따른 부대설치 비용 및 유지보수비용 절감, 시인성 향상에 따른 항해의 안전성 향상 효과가 입증되어 현재 상용화 보급되고 있으며, 향후 대형 등대용 광원으로 응용확대를 위한 시도도 계획되고 있다. 결 론 지난 30년간 LED의 조명효율(LPW)은 18~24개월 주기로 2배씩 증가하여, 현재 실험실적으로는 100㏐/W 이상이 소개되고 있으나, 시장에서 보급되는 실용적인 LED는 30~40㏐/W가 보편적으로 사용되고 있다. 이는 백열전구의 2.5배, 형광등의 1/2수준으로 아직 일반조명용으로 광범위하게 사용하기에 비현실적이나, LED의 고유한 발광특성을 이용한 색을 필요로 하는 지시등의 경우 지금도 충분히 경제성 있는 고효율 조명기기로 널리 보급되고 있다. 기술 향상 추이를 볼 때 2010년경 100㏐/W LED의 상용보급이 가능하리라 예상되며, 이렇게 될 경우 LED는 일반조명용 광원으로써 경제성 및 응용성이 한층 신장되어 본격적으로 기존광원을 대체하는 응용분야가 출현하리라 예상된다. 전체 램프시장에 대한 LED의 비중도 2005년 약 2.5%에서 2010년 약 7%로 상승하리라 예상되며, 2020년경 전체 램프시장 200억 불의 50%인 100억 불을 LED가 차지하리라 예측하고 있다. 이에 따라 미국, 일본, 중국 등 LED기술 보유국을 중심으로 조명에너지 20% 감소, CO2 1990년 수준 억제, 조명시장 50% 점유 등의 장기적인 목표를 수립하여 대형 국가프로젝트를 추진하고 있으며, 우리나라도 2015년까지 LED조명 비중 30%, 전력 1조 6천억 원을 절감을 목표로 하는 'LED조명 15/30 보급프로젝트'를 수립하여 본격적으로 추진할 계획이다. 지금까지의 LED광원에 대한 인식은 조명성능은 다소 떨어지나 기존 광원과는 다른 독특한(장점이 많은) 구조적, 광학적, 환경적, 전기적 특성을 갖는 특수램프로 지시용 조명기구에 제한적으로 응용되어 왔다. 그러나 조명성능의 급격한 향상과 더불어 기존 광원의 단점을 해결하는 새로운 일반 조명용 광원으로 재평가되고 있으며, 보급 확산 속도는 LED광원의 발광효율 향상과 밀접한 관계가 있으리라 예상된다. 따라서 단기적으로는 현기술 수준으로도 경쟁력 있는 새로운 조명응용분야를 도출함과 동시에 중장기적으로는 하루가 다르게 변화하는 반도체광원기술을 면밀히 추적하면서 남보다 앞서가는 미래 지향적인 연구개발 노력이 요구된다고 하겠다. ♧ 이 원고는 '조명·전기설비 제 20권 3호'에서 전재한 것입니다.