LED 조명 - pds13.egloos.compds13.egloos.com/pds/200907/22/46/1-6_led.pdf2008-12-04...

LED 조명- 적합성 재평가 및 경쟁력 확보방안

서울산업대학교 전기공학과 교수

한국조명전기설비학회 부회장

장우진

2008-12-04 서울산업대 조명연구실 2

LED 조명의 적합성 재평가 및 경쟁력 확보 방안

LED

Light Emitting Diode

단일 색상의 빛을 발생하는 반도체 소자

색상을 필요로 하는 신호조명에 장점-필터 불용

정상상태 사용시 수명은 반영구적

과전압과 과열에 취약

신뢰성 있는 전원과 방열기구 사용 필수

저전력 소비

필요 광량을 얻기 위하여 다수의 소자 필요



환경 요소

쾌적한 생활공간

공조

조명

음향

미각 < 촉각 < 후각 < 청각 < 시각

정보 습득의 80% 이상을 시각에 의존



조명의 역할

작업 능률의 향상조도기준

쾌적한 환경

조명과 생체SAD(seasonal affective disorder)

안전과 보안가로등, 유도등, 보안등

공간의 의미와 분위기의 표현



에너지 절감???

필요한 일인가?

의식의 퇴보

기름 값만의 문제는 아니다.

환경

환경은 산업과 무역의 문제

조명에너지는 어떤 의미?

가시적-시범사업-체감효과

다양한 가능성과 큰 효과



각국의 노력(I)

미국

EPACT

저효율 제품의 생산, 수입, 판매 금지

ASHRAE/IES 90.1

EPA - Energy Star, Green Light, TCLP

DOE - LER

LRC - NLPIP

조명자격증 - NCQLP



각국의 노력 (II)

유럽

각국의 조명전력 허용치

EC 표준의 조명기준

형광램프 수거 및 폐기 프로그램

고효율 조명기기 보급 – 리베이트

RoHS

일본

조명전력 허용치

Hf 조명기구 - 리베이트



한국의 노력

기존 시설의 개체 – GEF, ESCO

고효율 제품의 개발

조명전력 허용치 설정 연구

고효율 제품의 선정, 보급

저효율 램프 생산금지

외국의 환경규제에 대응



조명에너지 절약 효과

조명전력과 절전잠재량우리나라 총 발전설비: 약 6,800만 kW (’07년도)

조명전력: 총 발전량의 약 20%

조명전력 20% 절감(고효율기기 사용)6,800만 x 0.2 x 0.2 = 272만 kW

원자력발전소 1기 발전용량: 약 100만 kW

연간 소비전력량: 약 33만 GWh (’06년도)

조명전력량 20% 절감33만GWh x0.2x0.2 x 100원/kWh = 1조 3,200억원



과거의 조명 에너지 절감

한 등 끄기

확실한 효과

부정적 영향

기술적 퇴보 - 제품의 질 상승기회 없음

시장 작고 기업 영세 - 제조업의 0.375%

조명이 호화시설인가?

열악한 조명환경

질적인 고려 없음

고교생 50%, 성인의 1/3이 안경을…



한등 끄기는 경제적인가?

조명과 생산성

인건비와 조명비

조명과 안전

가로등의 한등 끄기

조명과 판매, 조명과 관광, 조명과 경관..

조명은 생활에 필수적 요건 - 물, 공기절대 불가



조명에 대한 요구사항

이율배반

에너지 절감

적절한 양적, 질적 수준의 조명

새로운 조명에너지 절감 방식은?



새로운 절약 패러다임

고효율 기기

램프와 안정기

조명기구

표준화된 설계

정확한 계산법

설계용 Software

TPO(Time, Place, Occasion)재실검지, 조도 센서, Dimming….



미국내 건물에너지 소비분석 ‘03

전기소비2390 TWh

조명 30%

냉방 17%

냉장 11%

난방 10%::

총1차에너지37.6 quads

난방 27%

조명 21%

온수14%

냉방 12%::

Building Technology Program Core Databook, Aug., 2003



SSL기술의 급속한 변화

LED Chip 지속적 개선

열성능 개선

제조업체: 거의 매달 새로운 성능지수 발표

지속적인 신상품 출시

미성숙 시장, 제한적 이해



DOE의 시장진입 시나리오

상업적 지원

정책 요소CALiPER Testing

기술 전시

기술 지원

Energy Star

표준화 기술지원

기술자료 네트워크

시장고효율

가격경쟁력

제품



2.1 빛

파장에 따른 전자파의 분류우주선-감마선-X선-자외선-(가시)광선-적외선-전파

380 [nm] 760 [nm]화학반응 온열효과살균효과



2.1 빛

시감도

555 [nm]에서 683 [lm/W]

비시감도 곡선



2.2 측광량과 단위

광속 (lumen; lm)

광도 (candela; cd)

조도 (lux; lx)

광속발산도 (radlux; rlx)

휘도 (nit; nt)

효율 (LPW; lm/W)



Efficacy vs. Efficiency

전등효율 η (lm/W)

Lamp efficacy

소비전력 P에 대한 발산광속 η = F / P

종합효율, 시스템 효율: 소비전력은 점등하기위해 소요되는 전체 전력을 고려하여야 함예) 백열전구 100 W, 1,500 lm 15 lm/W

형광램프 32 W, 2,900 lm, 안정기 1 W램프효율 90.6 lm/W, 종합효율 87.9 lm/W



기구효율 ε%

Luminaire efficiency

램프 발산광속에 대한 기구 발산광속

최근 LED 광원의 효율을 정의하면서 “기구효율 (Luminaire efficacy)”을 새롭게 정의



기구효율 lm/W

Luminaire efficacy

기구 입력전력에 대한 기구 출력광속

앞서 형광램프와 안정기를 기구효율 80 %의등기구에 사용한다면 결과적인 기구효율은87.9 ⅹ 80 % = 70.32 lm/W

LED를 사용한 램프는 자체로 등기구의 역할을하는 것이 대부분이고, 따라서 LED의 효율이기구효율로 취급되는 경우가 대부분



PowerInputLampLumensLampRatedEfficacyLamp =

PowerInputDriverBallastBFLumensLampRatedEfficacySystem

/×

=

PowerInputDriverBallastOutputLightinaireLumEfficacyinaireLum

/=



효율에 영향을 주는 요소

색온도

높을수록 효율 상승

연색성

낮을수록 효율 상승

열

낮을수록 효율, 출력, 수명 상승



LED 소자의 효율

광출력(광속 lumen), 구동 전압 VF, 구동 전류 IF를알아야 함

LED 효율

수명 또는 열적 문제로 저전류에서 구동하는 경우가 많음

업체에서 발표하는 값과 사용시 조건에 따른 값은 차이가 남

FF IVOutputLumenEfficacyLED×

=



2.3 광원의 기초

발광원리 대표적 광원

온도방사일반 백열전구

크립톤전구

할로겐전구

저압기체방전

네온사인

형광램프

저압나트륨램프

무전극 형광램프기체방전

고압기체방전

기타

고압수은램프

메탈핼라이드램프

고압나트륨램프

무전극 HID 램프

루미네슨스

LED

EL

OLED



2.3.1 온도방사

가열에 의한 물체(고체)의 발광

표면 온도에 따라 방사속 변화

연속 스펙트럼

방사이론에 적합한 이상적 물체흑체: 모든 파장의 방사속을 흡수



2.3.1 온도방사

필라멘트고온도 유지

방사에너지는 온도의 4승에 비례

고온에서 증발이 적을 것관내벽 흑화 방지

가공이 용이

텅스텐(W): 융점 약 3380 ℃

• 적외방사가 대부분효율이 낮다 (~15 lm/W)



2.3.2 루미네슨스

온도방사 이외의 모든 발광현상

기저상태의 원자에 외부 에너지

고속 전자의 충돌, 전자파

원자는 여기상태로 천이

다시 기저상태로 복귀흡수 에너지를 전자파로 방출

특정 파장만 방출

온도방사에 비해 고효율



2.3.2 루미네슨스

전기(electric)방전등

전계(electro)EL, LED

방사(photo)형광체 전자파

음극선(cathode ray)형광체 고속전자

생물(bio)반딧불이



2.3.3 광원의 색특성

(상관)색온도(Correlated Color Temperature)

광원색과 같아 보이는 흑체의 온도(단위 [K])

색온도가 낮을수록 따뜻한 느낌

3,300 [K] 이하: 따뜻함

3,300∼5,000 [K]: 중간 정도

5,000 [K] 이상: 시원함

광원 색온도 [K] 광원 색온도 [K]

푸른하늘 12,000 촛불 2,000

구름낀 하늘 6,500 백열전구 60[W] 2,850

주광색 형광램프 6,500 온백색 형광램프 3,500



2.3.3 광원의 색특성

연색성(Color Rendering)연색성지수(CRI: Color Rendering Index, Ra)

인공광원이 표준광과 얼마나 비슷하게 물체색을 표현할 수 있는가?

실내에서는 Ra > 70 바람직

광원 Ra 광원 Ra

백열전구 1003파장

형광램프84 이상

메탈

핼라이드80 이상

고압

나트륨30 이상



3.1 LED 개요

일반 조명용 광원으로는 비교적 신광원

1990년대 후반기존 적색, 녹색 + 청색 개발

임의 색상 표출

필터없이 원하는 색상 표출

장수명

고효율화

저렴한 운전비용



발광원리

여러 층으로 구성투명 전극

P-형 반도체 층

활성층(접합부)

N-형 반도체

기판 전극

Si, Ge

Al, Ga, In

N, P, As



성냥, 8 mm, 5 mm, 3 mm LED Blue, Green, Red LED의 파장 분포



LED의 변화



LED의 역사

현재 색상 광원 응용 전분야 적용

백색 LED도 다양한 분야 적용강조 조명, 장식 조명, 전시 조명

조만간 일반 조명용 광원으로 부상

신호등, 전장품, 손전등휴대폰 키패드, LCD의 BLUSpot light, Task light냉장 쇼윈도 조명광고판 조명



일반 조명용 LED

광고판, 신호등용과는 달리 백색 LED 사용

현재 고출력 LED의 효율은 약 50 lm/W

최근 159 lm/W 백색 LED 발표-Nichia20 mA 저출력



백색광 방사 원리



백색광 방사 원리

R, O, Y : AlGaInP 혼합물G, B : InGaN 혼합물

R+G+B LEDB LED +

Y PhosphorUV LED +

RGB Phosphor



3.2 LED의 제 특성

저 소비전력

작은 크기

진동과 충격에 강합

장수명

고 색상효율

자외/적외선 무방출

렌즈에 의한 집속광

낮은 초기점등 실패율

동급 램프에 비해 저발열



역전압 특성

이 전압을 넘기면 영구 파괴

일반 다이오드에 비하여 낮음

5~20 [V] 정도



열 특성

광출력, 허용 전류접합부 온도가 상승하면 감소

접합부 온도

주변 온도

LED 전류

방열기

접합부 온도를 내리기 위하여적절한 방열기 사용



온도가 증가함에 따라서 광출력 감소



온도 변화에 따라 주파장 (λpeak) 변화



온도가 증가함에 따라 구동전압 VF 감소

백색 LED는 -2 mV/℃ 감소 특성

접합부온도가 상온 25℃에서 50℃상승한75℃가 되면 LED개당 0.1V감소하여 5개 직렬회로 시 0.5V 전압강하 발생



온도가 상승하면 수명 단축



광학 특성

방향성 광원

본질적으로는 확산 광원

빛의 손실을 줄이기 위하여 패키징 단계에서반사경, 렌즈 등을 사용하여 집속광 발생

광도는 중심에서 최대, 주변부로 갈수록 저감



3.3 일반 조명용 광원 개발 추이

항목

광원

크기

[W]

색온도

[K]Ra

수명

[hr]비고

세라믹

MH

25

~70

3,000

~4,000

87

~95

10,000

~12,000

PAR30, PAR38, T6

MR-16

spot, narrow

T5 FL28,

54

3,000

~5,000

82

~8520,000

5~80 ℃에서 90 %

이상의 광출력

무전극100,

150

3,000

~5,00080 60,000 -40 ℃에서도 점등



F/L

둥근형 T10과 T5

2중 둥근형 T5

안정기내장형 외구부

안정기내장형 노출형

3W급 캔들형

콤팩트 형광램프



HID 램프

세라믹 메탈 핼라이드 램프발광관 고온 가능

고효율, 고연색

세라믹과 할로겐화물 반응 적음

광색 변화 감소

발광관 치수 고정밀도

광색, 전기특성 오차 적음

기존 발광관보다 소형

열전도에 의한 열손실 감소



무전극 형광램프

Philips: QL-Lamp Osram: Endura GE: Genura



무전극 HID 램프

(a) 기본 구조 (b) 분광출력분포

(c) 도광관을 사용한 조명 시스템



EL 램프

1936년 개발

초박형, 자유 형상

수명: 무기 10,000 h유기 ~5,000 h

* 최근 OLED라 호칭

~1,000 cd/m2

15 lm/W



기타

EEFL

외부전극 형광램프

장수명: 50,000 h

무수은 Xe 평판형광램프

Ar-Ne-Xe

15 kHz, 10,000 cd/m2

효율: 30 lm/W



기타

CNT 램프

기본적으로 FED 원리의 평면광원

전극 소재로 CNT, CNF, CNW 사용

무수은 친환경

조광 용이

실험실 수준에서 10,000 cd/m2, 60 lm/W 달성발표(나노퍼시픽)



조명용 LED 개발 현황

항목

제조사

크기

[W]

광속

[lm]

효율

[lm/W]

색온도

[K]

Lumination38

45

900

1,440

24

45

6,500

4800

Cree1.2

1.15

57

80

47

70

2,700~10,000

5,000~10,000

Lamina 5.3 120 23 5,500

Lumileds 1.253 (G)

45 (W)

44

385,500



3.4 백색 LED의 특징

광량

광품질

연색성 지수

색온도 조절

일관성



광량(Quantity)

광출력은 매년 35% 증가

현재

단일 LED: 30~57 [lm]

다중 LED: 1,000 [lm] 정도

800~1,000[lm]

기존 광원용도의 많은 부분 대체

전조등과 같은 방향성 광원은 이미 적용 시작



광품질(Quality)

초기 백색 LED는 침침하며 푸른색 기운

형광체 개선에 의해 효율 및 스펙트럼 개선

현재

백열전구 부근으로 색온도 하강

3,000 K 온백색 LED 출시됨



연색성 지수(Color Rendering Index)

CRI, Ra

광품질 척도 중 한가지

동일한 색온도의 광원을 비교해야 의미

현재

백색 LED는 80대 중반에서 90 가까운 값

빔각도에 따라 변화할 가능성해결해야 할 문제



색온도(Color Temperature) 조절

LED 선택에 의하여 색온도 조절 가능

색온도와 밝기를 독립적으로 조절 가능

일반 할로겐, 백열전구

어둡게 하면 색온도 저하

색온도에 관계없이 임의의 밝기 변화 가능



일관성(Consistency)

제조 공정에 따른 광색의 변화

“통분류”(binning 또는 batching) 문제

출력, 전기적 특성도 변화

적절한 구동회로로 어느 정도 해결 가능

민감도

색상 > 채도 > 명도



3.5 LED 관련 규정

ANSIC78.377-2008 : 반도체 조명의 색상 규정

C82.SSL1 : 전원

C82.77-2002 : 고조파 방출 한계

IESNATM-16-05 : LED 광원과 시스템 기술

RP-16-05 : (부속서)용어

LM-79-08 : LED 전기, 광학 측정법

LM-80 : LED 수명측정법(위원회 계류)

ULOutline of Investigation



Scope of Initial Criteria

현 시점에서 OLED 배제

백색 일반조명용

상업용과 주거용

Luminaire Efficacy

두 개의 범주

Category A: 단기-몇 가지 제품

Category B: 장기-모든 제품에 대한 성능 규격



과도적인 두 개의 범주 접근 방식

급속한 기술발전에 부응

현재 적용 가능한 방향성 조명 제품

Category A

장래(~3년?) Category A는 모두 폐지Category B로 모두 대치



Category A: 종합 접근

최소 기구효율 제정

형광등 benchmark

현재의 ENERGY STAR 조명기준에 부합

적용 가능한 IES 기준 사용

Handbook, RP-33-99, 등등

ASHRAE/IESNA 90.1의 CFL 시스템효율 사용

58.8 lm/W

50 lm/W (저와트 제품, ENERGY STAR 최소값)



종합 요구사항

등기구상관색온도, 연색성지수, 대기전력, 3년 보증, 열 관리

Module/Array광속감퇴율(L70)

옥내주거용 ≥ 25 000 시간옥외주거용, 상업용 ≥ 35 000 시간

옥외주거용 등기구빌딩부착과 13 W 초과: 광학제어 요구

전원장치역률

주거용 ≥ 0.7상업용 ≥ 0.9

출력주파수 ≥ 120 Hz



Category A: 단기적용

방향성 조명제품

LED 자체가 방향성 광원이므로 고효율성 잠재

기구손실 최소화

피조명과 광원이 근접 위치

상대적으로 적당한 요구조도

전통적인 현재 기구효율 ≤ 60%



Category A: 단기적용

Type

Min. Output

lm

Zonal Lumen Density%

Lum. Effi.

lm/W

CCT

K

Under-cabinet Kitchen

125/lin. ft.- Min. 60% in 0~60。- Min. 25% in 60~90。

≥ 24 2700~3500

Under-cabinet Shelf Mounted Task

125/lin. ft.- Min. 60% in 0~60。- Min. 25% in 60~90。

≥ 29 2700~5000

Portable Desk Task Lamp

200 Min. 85% in 0~60。 ≥ 29 2700~5000

Recessed Downlight구경 ≤ 4.5” : 345구경 > 4.5” : 575

Min. 75% in 0~60。 ≥ 35 2700~3500

Outdoor Wall-mounted Porch

150 Min. 85% in 0~90。 ≥ 24 -

Outdoor Step 50 - ≥ 20 -

Outdoor Pathway 100 (초기) Min. 85% in 0~90。 ≥ 25 -



Category B: 효율 기준 성능

도전적인 요구효율: 70 lm/W

간단: 총광속, 구역광속 등의 요구사항 없음

비방향성 등기구 제품

발효날짜로부터 3년 후에 제조사들이 요구사항에 맞출 수 있을 것으로 예상

제조사들의 향후 목표로 작용



“In Situ” 시험 요구사항

수명(광속괌퇴율)은 실제상황(In Situ)의 온도에따라 결정된다

Module, Array, “Light Engine”전원장치 / Driver

UL 1598에서와 같이 시험이 동시에 진행됨

LM-79: Approved Method for the Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products

LM-80: Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Source



향후 진행 방향

DOE는 다음 사항들도 Category A에 포함시킬것을 고려 중

Street and area lighting

Parking garage lighting

Cove lighting

Ceiling fan ligt kits

Replacement lamp applications

Display and accent lighting

Wall-wash applications

기술발전과 보조를 맞추어서 진행



추세와 적용

발표이래 수십년간매년

35% 효율 향상

20% 가격 하락

매 18~24개월 주기로 가격, 성능 배가

언제 적용해야 하는가?획기적 도약점 기대?

현재의 성능만으로도 많은 영역에 적용가능광품질, 연색성, 색온도, 효율 등



발상의 전환

SSL의 물리적 본성

컴팩트한 크기, 열방사 미비, 가동부분 없음빛의 생산, 조절, 적용 방식에 변화표면(벽, 천장, 가구 등) 자체에 직접 조립

단순히 기존 광원영역의 대체에서 벗어나새로운 응용-Blue Ocean- 창출



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