LED ǹ )pds17.egloos.com/pds/200912/28/46/LED.pdfled조명실무개관 2008-11-20 서울산업대조명연구실 10 조명에너지절약효과 •조명전력과절전잠재량 –우리나라총발전설비:

LED조명 실무 개관

LED 조명 실무 개관

서울산업대학교 전기공학과 교수

한국조명전기설비학회 부회장

장우진


2008-11-20 서울산업대 조명연구실 2

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





1.1 에너지 절약

• 쾌적한 생활공간

–공조

–조명

–음향

• 미각 < 촉각 < 후각 < 청각 < 시각

–정보 습득의 80% 이상을 시각에 의존



조명의 역할

–작업 능률의 향상� 조도기준

–쾌적한 환경

–조명과 생체� SAD(seasonal affective disorder)

–안전과 보안� 가로등, 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 절전잠재량– 우리나라 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% 절감� 33만GWh 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….





2.1 빛

• 파장에 따른 전자파의 분류• 우주선-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)



• 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 W� 램프효율 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 새롭게정의



• 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 역할을 하는 것이 대부분이고, 따라서 LED의 효율이 기구효율로 취급되는 경우가 대부분



2.3 광원의 기초

기타

기체방전

고압기체방전

저압기체방전

LED

EL

OLED

루미네슨스

고압수은램프

메탈핼라이드램프

고압나트륨램프

무전극 HID 램프

네온사인

형광램프

저압나트륨램프

무전극 형광램프

일반 백열전구

크립톤전구

할로겐전구온도방사

대표적 광원발광원리



2.3.1 온도방사

• 가열에 의한 물체(고체)의 발광

• 표면 온도에 따라 방사속 변화

• 연속 스펙트럼

• 방사이론에 적합한 이상적 물체� 흑체: 모든 파장의 방사속을 흡수



2.3.1 온도방사

• 필라멘트–고온도 유지� 방사에너지는 온도의 4승에 비례

–고온에서 증발이 적을 것� 관내벽 흑화 방지

–가공이 용이

�텅스텐(W): 융점 약 3380 ℃

• 적외방사가 대부분� 효율이 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 복귀� 흡수 에너지를 전자파로 방출

• 특정 파장만 방출

• 온도방사에 비해 고효율



2.3.2 루미네슨스

• 전기(electric)– 방전등

• 전계(electro)– EL, LED

• 방사(photo)– 형광체전자파

• 음극선(cathode ray)– 형광체고속전자

• 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

3,500온백색 형광램프6,500주광색 형광램프

2,850백열전구 60[W]6,500구름낀 하늘

2,000촛불12,000푸른하늘

색온도 [K]광원색온도 [K]광원



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

30 이상고압

나트륨80 이상

메탈

핼라이드

84 이상3파장

형광램프100백열전구

Ra광원Ra광원





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 구성

– 투명 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-Nichia

– 20 mA 저출력



백색광 방사 원리



백색광 방사 원리

• R, O, Y : AlGaInP 혼합물G, B : InGaN 혼합물

UV LED +RGB Phosphor

B LED +Y Phosphor

R+G+B LED



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 전류� 접합부 온도가 상승하면 감소

• 접합부 온도

–주변 온도

– LED 전류

–방열기

• 접합부 온도를 내리기 위하여� 적절한 방열기 사용



• 온도가 증가함에 따라서 광출력 감소

• 온도 변화에 따라 파장 변화



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

-40 ℃에서도 점등60,000803,000

~5,000

100,

150무전극

5~80 ℃에서 90 %

이상의 광출력20,000

82

~85

3,000

~5,000

28,

54T5 FL

PAR30, PAR38, T6

MR-16

spot, narrow

10,000

~12,000

87

~95

3,000

~4,000

25

~70

세라믹

MH

비고수명

[hr]Ra

색온도

[K]

크기

[W]

항목

광원



F/L

둥근형 T10과 T5

2중 둥근형 T5

안정기내장형 외구부

안정기내장형 노출형

3W급 캔들형

콤팩트 형광램프



HID 램프

• 세라믹 메탈 핼라이드 램프

– 발광관 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 달성 발표(나노퍼시픽)



조명용 LED 개발 현황

2,700~10,000

5,000~10,000

47

70

57

80

1.2

1.15Cree

5,50044

38

53 (G)

45 (W)1.2Lumileds

5,500231205.3Lamina

6,500

4800

24

45

900

1,440

38

45Lumination

색온도

[K]

효율

[lm/W]

광속

[lm]

크기

[W]

항목

제조사



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 가능성� 해결해야 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

• ANSI

– C78.377 : 반도체 조명의 색상 규정

– C82.SSL1 : 전원

– C82.77-2002 : 고조파 방출 한계



• IESNA

– TM-16-05 : LED 광원과 시스템 기술

– RP-16 : 용어

– LM-79 : LED 광속측정법

– LM-80 : LED 수명측정법(위원회 계류)





추세와 적용

• 발표이래 수십년간–매년• 35% 효율 향상

• 20% 가격 하락

• 매 18~24개월 주기로 가격, 성능 배가

• 언제 적용해야 하는가?–획기적 도약점 기대?

–현재의 성능만으로도 많은 영역에 적용가능• 광품질, 연색성, 색온도, 효율 등



발상의 전환

• SSL의 물리적 본성

–컴팩트한 크기, 열방사 미비, 가동부분 없음� 빛의 생산, 조절, 적용 방식에 변화� 표면(벽, 천장, 가구 등) 자체에 직접 조립

• 단순히 기존 광원영역의 대체에서 벗어나새로운 응용-Blue Ocean- 창출



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