[IOD Serial #: 4-0010, /5] IOD Report 세계 조명용 램프 산업 및 시장동향분석

[IOD Serial #: 4-0010, /5]

IOD Report

세계 조명용 램프 산업 및 시장동향분석

2005. 2.

산 업 자 원 부

머 리 말

부품․소재산업의 경쟁력은 그 자체로서 국민 경제적으로 중요하고 또한 신제품과 신기술의 기반이 되어 완성품의 가격․품질 경쟁력의 원천이 된다 는 점에서 제조업 경쟁력의 허리에 해당됩니다. 이러한 부품․소재산업의 발 전을 위한 종합적이고 체계적인 정보의 수집과 활용 지원은 현실적으로 가 장 시급한 과제라고 할 수 있습니다.

산업자원부 지원으로 부품․소재종합정보망 MCT-net(www.mctnet.org)을 운영하고 있는 한국과학기술정보연구원(KISTI)은 이용자 근접 정보 지원 체 계를 강화하는 측면에서, 정보 컨텐트 제작에 있어서 전문성과 신뢰성 기반 위에 적합성과 최신성을 더하여 분석정보의 유효성을 향상시키고자 IOD(Information On Demand) 서비스를 제공하게 되었습니다.

IOD 서비스는 부품․소재기업으로부터 요구 정보에 대한 신청을 받아 이 를 종합 분석하여 관련 필요 정보를 제공하는 사업이며, 제공된 정보는 추후 부품․소재종합정보망(MCT-net)에서 모든 이용자에게 제공됩니다. 본 보고서 가 신청기업 및 MCT-net 이용자의 발전에 조금이라도 기여하길 바랍니다.

끝으로 본 보고서를 집필해 주신 윤병국 변리사께 깊은 감사를 드리며, 수 록된 내용은 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아님을 밝혀두고자 합니 다.

2005년 2월 한국과학기술정보연구원 부품소재정보분석실 실장 유재영

<제목차례>

제 1장 서론 ···1

제 2장 기술동향 및 전망 ···4

1. 기술개요 ···4

가. 열복사 이용 전구 ···4

(1) 할로겐램프(Tungsten Halogen Lamp) ···5

(2) 크립톤램프(Krypton Lamp) ···6

나. 형광램프(Fluorescent Lamp) ···6

다. 무전극램프(Electrodeless Lamp) ···6

라. LED램프(Light Emitting Diode Lamp) ···9

마. 방전램프(Discharge Lamp) ···9

(1) 나트륨램프(Sodium Lamp) ···10

(2) 수은램프(Mercury Lamp) ···11

(3) 메탈할라이드램프(Metal Halide Lamp) ···12

바. EL 램프(Electro-Luminescent Lamp) ···12

2. 기술 개발 동향 및 전망 ···13

가. 백열전구(Incandescent Lamp) ···13

(1) 적외선 반사막 응용 할로겐 전구 ···13

(2) 다이크로익 미러 부착 할로겐 전구 ···14

(3) 자동차용 전구 ···14

(4) MR형 전구 ···15

나. 형광램프( lamp) ···16

(1) T8(관경 26mm)형 고주파전용 형광램프 ···16

(2) 더욱 세관화된 T5(관경 16.5mm)형 고주파전용 형광램프 ···16

(3) 고품위형 저수은 형광램프 ···16

(4) T5 2관형 ···17

(5) T5 4관형 ···17

(6) T4 6 또는 8관형 ···17

다. 무전극 램프(Electrodeless Lamp) ···17

(1) 무전극 형광램프 ···18

(2) 무전극 황램프 ···19

라. LED 램프 ···20

마. 방전램프 ···23

바. EL 램프(electroluminescent lamp) ···24

제 3장 시장동향 및 전망 ···25

1. 산업 동향 ···25

가. 국내 산업 동향 ···25

나. 세계 산업 동향 ···28

2. 시장 동향 및 전망 ···29

가. 국내 시장 동향 및 전망 ···29

나. 세계 시장 동향 및 전망 ···32

(1) 미국 ···33

(2) 유럽 ···34

(3) 중국 ···36

(4) 일본 ···39

제 4장 결론 ···42

참고문헌 ···43

<표차례>

<표 1-1> 램프의 발달사 ···2

<표 2-1> 각종 무전극 형광램프의 비교 ···19

<표 2-2> 구성원소에 따른 광색과 우세파장 ···21

<그림차례>

<그림 2-2> 크립톤 램프 ···6

<그림 2-3> 무전극램프의 발광 원리 ···7

<그림 2-4> 나트륨램프의 구조 ···10

<그림 2-5> 수은램프의 외관 ···11

<그림 2-6> 수은램프의 구조 ···11

<그림 2-7> 메탈할라이드램프의 구조 ···12

<그림 2-8> EL램프의 구조 ···13

<그림 2-9> 적외선 반사막 응용 및 다이크로익 미러 부착 할로겐 전구의 분 광분포 ···14

<그림 2-10> 유황램프 조명 시스템 ···20

<그림 2-11> 교차로 3색 LED 신호등 ···22

제 1장 서론

조명이란 빛을 인간생활에 유효하게 사용하는 기술로서, 태양광에 의한 채광인 주광조명(晝光照明)과 램프 등의 인공광원에 의한 인공조명 기술로 대별될 수 있다. 태양광은 인간이 느끼는 색, 기타 모든 빛의 근원이지만, 계 절, 시간, 기후에 따라 변동이 크고, 또한 지구의 자전으로 인해 인간생활을 위한 조명의 전부를 제공해 줄 수는 없다.

때문에 예전부터 인공광원이 이용되어 왔으며, 근세 이전에는 물체가 연 소할 때 발생하는 빛을 조명으로 주로 이용하였다. 즉, 나무를 비빌 때 생기 는 마찰열이나 부싯돌로 일으킨 불을 송진이 많은 관솔에 붙여서 등불로 사 용한 관솔불이 등불의 시초이며 그 후, 쇠기름, 돼지기름 등의 동물유, 정어 리기름 등의 어류기름 등을 사용하였고, 이어서 들깨기름, 피마자기름 등의 식물유를 사용하였으며, 뒤이어 석유인 광물유를 사용하였다.

인공광원의 획기적인 전기는 1879년 미국의 Thomas Edison에 의해 발 명된 백열전구(Incandescent Lamp)에 의하여 마련되었다. 백열전구로 위생적 이며, 밝은 인공광원의 기초가 구축되었다. 에디슨이 1879년에 진공 탄소필 라멘트 전구로 실용화시킬 당시 발광효율은 1.4[lm/W], 수명은 40시간에 불 과했지만, 1908년 쿨리지에 의한 텅스텐 신선방법의 개발, 1910년 직선 텅스 텐 필라멘트의 코일링화와 가스 봉입 전구의 개발을 통하여 10[lm/W]에 도 달한 이후 이중 코일링화, 크립톤 전구, 할로겐 전구의 등장 등 여러 가지로 개량되어 오고 있다. 백열전구는 물체의 색상을 표현하는 연색성이 매우 우 수하여 Ra가 100이 된다. 그러나 에너지 효율이 낮은 단점 때문에 최근 일반 조명분야에서는 전구형 및 컴팩트 형광램프로 일부 대체되고 있다.

형광램프 즉 형광등은 1856년 H. Geissler에 의해 글로 방전이 발견된 것을 시작으로 하여, A. E. Becquerel이 형광체를 방전관에 사용한 실험에 기초하는 것으로서 1938년에 GE사의 G.E. Inman에 의하여 개발된 이후, 1973년 에너지 위기를 계기로 각종 에너지 절약형 램프가 개발되었는데, 1977년 3파장형 형광램프, 1980년 전구형 형광램프, 1985년 소형 컴팩트형 형광램프 등으로 효율 및 연색성의 개선에 많은 노력이 이루어져 왔다. 형광 램프는 백열전구와는 달리 점등장치를 필요로 하지만 광질이 좋고 고효율로

<표 1-1> 램프의 발달사 서 경제적이며 취급도 쉬워 현재

일반 조명광원의 주류를 이루고 있다.

최근에는 무전극 방전 (electrodeless discharge)을 이용하 는 램프로서 비교적 신광원으로 인식되고 있는 무전극 램프와 고 체 발광소자로서 일반 전자기기의 표시등이나 숫자 표시에 사용되는 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 램프가 각광을 받고 있 다.

LED는 초창기에는 휘도가 낮 고 광색의 한계가 있었으나 현재 새로운 LED 원재료가 개발되고 생산기술이 진보함에 따라 백색을 포함한 가시광선 영역에서 모든 색깔의 고휘도 LED가 생산되고 있다. LED는 긴 수명, 낮은 소비 전력, 높은 신뢰성 등 많은 장점 을 갖고 있어서, 물체를 비추는

일반 조명 용도로는 아직 부족하지만 주로 신호용으로서 표지판의 소형전구 대체, 칼라 스캐너용, LCD 백라이트용 등에서부터 옥외의 교통신호등, 차량 의 각종 표시등, 항공유도등, 대형 전광판에 이르기까지 광범위하게 응용되 고 있다. 앞으로는 백열전구 대체용으로서, 특히 모든 광색의 발광이 가능하 다는 점에서, 크게 주목받을 것으로 전망되며, 이는 기존의 백열전구에 비해 시인성의 향상, 에너지 절감, 높은 광학적 효율, 수명 및 신뢰성 차원에서 우 수한 점 등을 활용한 것이다.

다음으로 고휘도 방전램프(High Intensity Discharge Lamp, HID 램프) 는 고압 기체 또는 증기 중의 방전에 의한 발광을 이용한 방전 램프로서, 고

압 수은 램프, 메탈 헬라이드 램프 및 고압 나트륨 램프를 총칭하는 용어이 다. 고효율, 긴 수명 등의 특성으로 현재는 높은 천장의 공장, 경기용 조명, 도로 조명으로 많이 쓰이고 있다.

결정 발광체인 전기루미네슨스 램프, 즉 EL(electroluminescent) 램프는 전계에 의해 여기된 형광물질에서 나오는 빛을 이용하는 얇은(두께 1.2mm 이하) 평판형 광원이다. 이 램프는 조명, 계기반, 스위치, 비상등, LCD의 백 라이트용으로 사용된다.

이 보고서에서는 위에서 열거된 램프들의 기술동향 및 시장동향을 소개 하고, 향후 환경 규제 및 에너지 효율과 관련하여 전개될 조명용 램프 산업 의 전망을 조망하여 본다. 또한 향후 환경에 대한 규제로 인하여 수은을 활 용하는 기존의 조명기구의 제조 및 판매가 제한적이 될 것이라는 판단 하에 환경친화적 램프의 개발과 관련하여 조명용 램프의 산업 및 시장분석을 파 악하여 신규산업 진입을 위한 분석정보로 활용토록 한다.

제 2장 기술동향 및 전망

1. 기술개요

가. 열복사 이용 전구

백열전구(incandescent lamp)는 필라멘트에 전류를 흘려 높은 온도로 가 열할 때 얻어지는 열복사를 이용하는 조명 광원이다. 에디슨(Thomas Edison)이 1879년에 진공 탄소필라멘트 전구를 실용화시킬 당시에는 발광효 율이 1.4[lm/W], 수명은 40시간에 불과했다.

그러나 이후 1908년 쿨리지에 의한 텅스텐 신선방법 개발, 1910년 직선 텅스텐 필라멘트를 코일링하는 기술과 가스를 봉입한 전구의 개발로 발광효 율 10[lm/W]의 백열전구까지 개발되었다.

진공 상태의 백열전구는 오래 켜두면 온도가 높아져 속에 들어 있는 텅 스텐 필라멘트가 증발하게 되며, 때문에 필라멘트가 끊어지는 문제가 발생하 며, 이를 막기 위하여 1913년 미국의 랭뮤어(I.Langmuir)는 질소 가스를 봉입 하는 기술을 개발하였다.

질소는 필라멘트의 증발을 막아 필라멘트의 수명을 길게 하였다. 그 뒤 에 아르곤 가스를 넣어 효율을 더 높였으며, 오늘날 일반 백열전구에는 아르 곤 85％와 질소 15％를 혼합하여 사용하고 있다.

가스를 봉입한 램프(gas filled lamp)는 열손실을 감소시켜 효율을 좋게 하기 위해서는 필라멘트를 코일 모양으로 치밀하게 감아 사용하여야만 기계 적으로 강해진다. 그리고 이중코일 필라멘트를 사용하여 효율을 향상시킬 수 있다.

일반적으로 30W 이상의 전구는 가스 봉입 전구가 사용되지만, 100V용 20W 이하의 전구는 진공전구가 사용된다. 그 이유는 20W 이하인 소형 전구 에서는 필라멘트가 가늘고 길어서 가스를 봉입한다고 해서 효율이 크게 높 아지지는 않기 때문이다. 봉입되는 가스의 종류에 따라 할로겐 램프, 나트륨 램프, 수은 램프 등의 여러 가지로 개량되어 왔다.

백열전구는 물체의 색상을 표현하는 연색성이 매우 우수하여 Ra가 100

에 달하지만 에너지 효율이 낮은 단점 때문에 최근 일반조명분야에서는 전 구형 및 컴팩트 형광램프로 일부 대체되고 있다.

<그림 2-1> 백열전구의 구조

(1) 할로겐램프(Tungsten Halogen Lamp)

백열전구의 일종으로, 전구 안에 할로겐 물질을 주입하여 텅스텐의 증발 을 더욱 억제한 램프이며, 진공 상태의 전구 안에 할로겐 물질을 주입시켜 전구의 수명을 길게 하고 효율을 개선한 것이다. 백열전구의 경우 텅스텐 필 라멘트의 증발을 억제하기 위해 유리구 안에 아르곤과 질소의 혼합 가스를 주입하였으나, 할로겐램프는 브롬이나 요오드 등의 할로겐 원소를 주입하여 텅스텐 필라멘트의 증발을 한층 더 억제하였다.

유리구 안에 주입된 할로겐 원소는 필라멘트의 소재인 텅스텐 증발 원 자와 반응하여 결합하고, 이 결합된 물질은 유리구 안을 떠다니다가 필라멘 트에 부딪히면서 그 열로 인해 다시 분해 된다. 이때 텅스텐 원자는 필라멘 트와 결합해 원래의 자리로 되돌아오고, 할로겐 원소는 또다시 텅스텐 증발 원자와 반응한다.

이런 과정을 반복하면서 필라멘트를 재생시키기 때문에 할로겐램프는 백열전구에 비해 더 높은 온도에도 필라멘트가 견딜 수 있고, 이로 인해 더 밝고 환한 빛을 내면서도 수명이 오래 가게 된다.

일반적인 백열전구에 비해 수명은 2∼3배이다. 또 백열전구에서 종종 나 타나는 유리구 내벽의 흑화현상(黑化現想)이 발생하지 않아 광속 저하가 7％

정도에 불과하다. 또한 전력 소모가 적고 자연광처럼 색을 선명하게 재현시 킬 수 있다.

백열전구에 비해 1/20 정도로 크기가 작고 가벼워 자동차 헤드라이트용

<그림 2-2> 크립톤 램프 이나 비행장의 활주로 매입등, 무대 조명, 백화점·미술관·상점 등의 스포트라 이트용과 인테리어 조명의 광원으로 많이 사용된다.

(2) 크립톤램프(Krypton Lamp)

전구 안에 아르곤 가스 대신에 열전도율이 낮 은 크립톤 가스를 봉입하여 만든 연색성이 좋은 램프로서 크기가 작고 빛이 밝고 부드럽다. 필라멘 트로부터의 열의 전도와 대류에 의한 손실이 적으 므로 소비 전력을 줄일 수 있고 일반 백열전구에 비해 수명이 2배 정도 길어 자주 갈아 끼우기 어 려운 곳에 사용하면 좋다. 기존 백열등에 비해 천 정이나 벽 등 작은 광원이 필요한 곳에 유용하며 질 높은 조명을 제공한다. 또한 백열전구에 비해 10% 더 밝고 균일한 빛으로 눈부심이 없다.

나. 형광램프(Fluorescent Lamp)

1856년 H. Geissler에 의해 글로(glow) 방전이 발견된 것을 시작으로 하 여, A. E. Becquerel이 형광체를 방전관에 사용한 실험이 형광램프의 기초를 이루고 있다. 형광램프는 1938년 GE社의 G.E. Inman에 의해 개발된 이후 1951년 할로인산칼슘 형광체를 채용함에 따라 효율이 대폭 향상되어 일반 주택에 급속히 보급되었다. 1973년 에너지 위기를 계기로 각종 에너지 절약 형 램프가 개발되었는데, 1977년 3파장형 형광램프, 1980년 전구형 형광램프, 1985년 소형 컴팩트형 형광램프 등으로 효율 및 연색성의 개선에 많은 노력 이 이루어져 왔다. 형광램프는 백열전구와는 달리 점등장치를 필요로 하지만 광질이 좋고 고효율로서 경제적이며 취급도 쉬워 현재 일반 조명광원의 주 류를 이루고 있다.

다. 무전극램프(Electrodeless Lamp)

무전극 램프는 무전극 방전(discharge)을 이용하는 램프로서 비교적 신 광원으로 인식되고 있는 램프이다. 발광이론과 램프의 종류는 다음과 같다.

기체방전관에 교류전압을 인가하는 경우 기체의 압력과 종류에 따라 다 르지만 일반적으로 수십 kHz 이하의 주파수에서는 방전기구가 근본적으로 직류방전의 그것과 같다고 볼 수 있다. 즉 직류방전의 경우, 글로방전의 감 마효과에 의한 음극에서의 2차전자 방출이나 아크방전의 경우 열전자를 방 출시킴으로써 방전 유지에 필요한 전자를 전극으로부터 공급받아 플라스마 내에서 재결합에 의해 소멸되는 전자를 보충하는 것이다. 물론 주파수가 증 가하면 방전관 중에 남아 있는 이온이 전계의 변화를 따라가지 못해 방전개 시전압이 상승하고 경우에 따라서는 직류방전의 수 배에 달하기도 한다. 그 러나 MHz 이상의 보다 높은 주파수 영역에서는 교류전계에 의한 전자의 왕 복운동이 충돌전리를 빈번하게 일으켜 쉽게 방전을 유지할 수 있게 된다. 이 경우 방전개시전압은 낮아지고 전극이 필요없는 무전극방전이 가능해진다.

이러한 고주파 무전극방전(RF discharge)의 특징은 안정하고 동시에 공 간적으로 균일한 플라스마를 얻을 수 있으며, 특히 전극재료 등의 불순물 혼 입을 막을 수 있는 장점이 있다. 다만 전원과 플라스마 사이의 결합이 전극 을 사용하는 경우에 비해 비효율적인 단점이 있다.

플라스마에 RF전력을 공급하는 방식에 따라 용량적 결합 방전과 유도적 결합 방전이 있다. 용량결합방전(capacitively coupled discharge)은 방전관을 둘러싸는 평행판 전극 사이에 RF전원을 가할 때 전극사이에서 형성되는 전 계에 의해 방전관 내부의 기체가 전리되고 방전이 유지되는 경우이다. E-방 전이라고도 하며, 후술하는 유도적 결합방전에 비해 사용주파수가 높다. 저 밀도의 글로방전에 해당하며 방전 중의 플라스마는 주로 기능성 박막이나 반도체 미세 패턴을 만드는데 사용된다.

<그림 2-3> 무전극램프의 발광 원리

유도결합방전(inductively coupled discharge, ICD)은 방전관 주위에 코 일을 감아 RF 전류를 흘리면 축방향의 교번자계가 형성되고 이것에 의해 방 전관 내부의 플라스마에 환형의 전류가 유도되어 에너지가 전달되는 방식으 로 H-방전이라고도 한다. 이 H-방전에 의해 발생되는 플라스마는 E-방전이 글로방전에 가까운 것에 비해, 보다 고밀도의 아크와 비슷한 성질을 가지며 유도아크 또는 유도플라스마(inductively coupled plasma; ICP)라고 부르기도 한다. H-방전의 최대 장점은 전극재료로부터의 오염이 없을 뿐 아니라 사용 가스에 따라 산화, 환원 및 부식성의 분위기를 자유롭게 만들어 줄 수 있다 는 데 있다. 이 때문에 플라스마 화학을 이용한 고순도 물질의 합성 및 처리 에 요구되는 청정 플라스마의 발생에 적합하며, 고온의 화학반응을 통한 신 물질, 신소재의 합성 등에 효과적으로 이용될 수 있다.

한편, 마이크로파와 같은 초고주파를 사용하여도 무전극방전을 이룰 수 있다. 일반적인 마이크로파 방전의 조건(E=200V/cm, f=2.5GHz)에서, 전자가 중성원자와 충돌할 때 잃는 에너지는 아주 작지만, 이 충돌에 의해 전자의 조화운동과 전자가 전계의 방향이 바뀌는 다음 반주기 동안에도 계속 에너 지를 흡수하게 되어 전자들 중 일부는 중성원자를 전리하기에 충분한 에너 지를 확보하게 된다. 따라서 기체의 압력이 어느 정도 적당하면 전자와 중성 원자 사이의 충돌빈도가 높아져 오히려 에너지흡수가 효과적으로 늘어난다.

그렇지만 압력이 너무 높아지면 탄성충돌에 의한 에너지 손실 증가와 함께 전자와 이온의 확산에 의한 소멸이 더욱 가속되어 더 큰 절연파괴강도를 필 요로 한다.

일반적으로 램프는 전공 상태의 램프 내부에 전극을 설치하여 점등하는 방법 을 널리 채택하고 있다. 그러나 전극을 장착한 종래의 램프의 경우에는 점등하기 가 쉬우나 진공 상태인 전구 내부에 전극이 노출되어 있으므로 전극손상이 급속 히 진행되며 그 결과 전구 수명이 단축되는 단점이 있다. 이에 반하여 무전극 램프 는 전구 내부에 전극이 없는 대신 외부 코 일의 초고주파 방전으로 전구 안의 형광 물질이 발광하기 때문에 전구 수명이 무려 10만 시간으로 현재까지 상용화된 광 원 중에서 가장 오래간다.

무전극 램프는 특수전구와 초고주파 방전을 일으키는 안 정기를 합쳐 개당 설치비가 30만~50 만원으로 대단히 비싼 편이다. 그러나 평균수명이 1만 시간도

못되는 형광등과 나트륨 등, 메탈등에 비해 교체 비용이 들지 않고 에너지 효율도 높아 장기적 관점에서는 오히려 경제성이 높다.

라. LED램프(Light Emitting Diode Lamp)

발광 다이오드는 고체 발광소자로서 일반 전자기기의 표시등이나 숫자 표시에 사용됨으로써 우리생활과 친숙해졌다. 초창기에는 휘도가 낮고 광색 의 한계가 있었으나 현재 새로운 LED 원재료가 개발되고 생산기술이 진보 함에 따라 백색을 포함한 가시광선 영역에서 모든 색깔의 고휘도 LED가 생 산되고 있다.

LED는 긴 수명, 낮은 소비전력, 높은 신뢰성 등 많은 장점을 갖고 있어 서, 물체를 비추는 일반 조명 용도로는 아직 부족하지만 주로 신호용으로서 표지판의 소형전구 대체, 칼라 스캐너용, LCD 백라이트용 등에서부터 옥외 의 교통신호등, 차량의 각종 표시등, 항공유도등, 대형 전광판에 이르기까지 광범위하게 응용되고 있다.

앞으로는 백열전구 대체용으로서, 특히 모든 광색의 발광이 가능하다는 점에서, 크게 주목받을 것으로 전망되며, 이는 기존의 백열전구에 비해 시인 성의 향상, 에너지 절감, 높은 광학적 효율, 수명 및 신뢰성 차원에서 우수한 점 등을 활용한 것이다.

마. 방전램프(Discharge Lamp)

현대적인 방전램프는 백열램프와는 완전히 다른 원리로 작동된다. 즉 전 극 사이의 전기 방전은 방전관에 주입된 충전물로 하여금 밫을 발생하게 하 며 그 빛은 아크 방전을 통해 직접 생성된다.

모든 방전램프는 전류의 제한과 점등을 위하여 특수 안정기를 필요로 한다. 방전램프의 일종인 메탈 할라이드 램프는 완전한 광속을 얻기 위하여 점등 후 약간의 가동 시간이 필요하다. 이것은 충전물질이 완전 기화하는 데 그만큼의 시간이 필요하기 때문이다.

아크 방전의 양광기둥에서 발광하는 방전 램프인 열 음극 방전램프(hot cathode discharge lamp)와 글로방전의 부글로 또는 양광기둥에서 발광하는

<그림 2-4> 나트륨램프의 구조 방전 램프인 냉음극 방전램프(cold cathode discharge lamp)로 구분된다.

방전램프 중에서도 고압 기체 또는 증기 중의 방전에 의한 발광을 이용 하는 열음극 방전램프인 고압방전램프(High Intensity Discharge, HID 램프) 는 최근 많이 사용되고 있는 바, 고압 나트륨 램프, 고압 수은 램프 및 메탈 헬라이드 램프는 모두 고압방전램프의 종류이다.

이들의 공통된 특징을 보면, 우선 작은 발광관에서 고출력의 광속을 발산하 므로 휘도가 높고, 램프효율(lm/W)이 높으며, 수명이 길고, 발광관의 관벽부하 (입력/표면적)가 커서 고온으로 되고, 발광관내의 증기압이 1～수 기압(atm)이라 는 것이다.

따라서 대량의 광속을 필요로 하는 면적이 넓은 옥외조명, 투광조명 또는 공 장, 체육관등의 실내조명에 적합하며, 근래에는 소출력용이 개발되면서 옥내용으 로도 이용되는 전력 절감형 광원으로서 널리 보급되고 있다

(1) 나트륨램프(Sodium Lamp)

나트륨 증기 중의 방전에 의한 발광(發 光)을 이용한 램프로서, 590nm(5,900Å) 가까 운 빛깔만을 내므로 황색을 띤다.

램프는 외관(外管)과 내관이 있고 그 사 이는 진공으로 되어 있으며, 내관의 내부에 는 1쌍의 전극과 미량의 나트륨이 들어 있 다. 점등 중의 내관 속 나트륨 증기압이 0.004mmHg 정도의 것을 저압 나트륨램프라 고 칭하고, 나트륨 램프 중에서도 점등 중인 증기부분이 104Pa 정도인 나트륨 증기 중의 방전에 의해 발광하는 고휘도 방전 램프를 고압 나트륨램프라고 한다. 램프 효율을 일 반 백열전구의 그것에 비하면 일반 백열전구

가 1w당 10~16lm(루멘)인 데 대하여, 나트륨램프는 수십~100lm에 이른다.

형광램프처럼 안정기(安定器)를 병용할 필요가 있고, 점등 후 20~30분이 경과하지 않으면 충분한 빛을 낼 수 없으며, 또 그 빛이 황색광이기 때문에

일반 조명용으로는 적합하지 않다. 그러나 안개 속에서도 빛을 잘 투과하여 장애물 발견에 유효하다는 점에서 교량 고속도로 ·일반도로 ·터널 내의 조명 등에 사용된다.

(2) 수은램프(Mercury Lamp)

<그림 2-5> 수은램프의 외관

<그림 2-6> 수은램프의 구조

고압의 수은증기 속의 아크방전에 의해서 빛을 내는 램프이다. 텅스텐을 사용하는 백열전구에 비해 발광효율이 좋다. 점등 중의 증기압(蒸氣壓)이 수 atm의 것을 고압 수은등, 10기압 정도 이상의 것을 초고압 수은램프라고 한 다. 일반적으로 단순히 수은등이라고 하는 것은 고압 수은등이다. 그 구조는 바깥쪽에 큰 유리관이 있고, 그 속에 발광관이 있다. 발광관의 위 ·아래 끝에 는 주전극(主電極)이 있어, 이 사이에서 아크방전을 일으킨다. 이 관 속에는 수은과 아르곤이 봉입되어 있다. 바깥쪽의 관은 안쪽의 관을 보온보호(保溫 保護)하는 것으로, 질소가스가 봉입된다.

점등한 처음에는 작은 보조전극과 주전극 사이에서 방전을 일으키고, 즉 시 주전극 사이의 방전으로 옮겨지는데 처음에는 수은 증기압이 낮지만, 몇 분 후에 기압이 올라가 정상적인 빛을 내게 된다. 따라서 한번 소등하면 온 도가 내려가, 가스의 압력이 내려가기까지 10여 분간은 재점등(再點燈)할 수 가 없다. 수은램프는 100 W 이상 1,000 W까지의 대형의 것이 만들어져, 그 효율은 400 W의 것이 1 W당 50 lm 정도로서 500 W의 텅스텐 전구가 1 W 당 20 lm 정도인 데 비해 대단히 좋다. 초고압 수은등은 더 효율이 좋아 1 W당 100 lm 정도가 된다. 고압 수은램프의 빛은 파장이 짧은 쪽에 많으므로

<그림 2-7> 메탈할라이드램프의 구조

청색을 띠고 있으나, 초고압이 되면 백색에 가까운 빛을 낸다. 이 램프는 도 로 ·공원 등의 광장, 특히 고속도로에 널리 사용된다.

(3) 메탈할라이드램프(Metal Halide Lamp) 금속증기와 할로겐화물 해리 생성물의 혼합물 중, 방전에 의해 발광하는 방식의 고휘도 방전램프이다.

1960년 이후로 개발되기 시작하였으며 고압 수은등의 효율 및 연색성을 개선하기 위하여 수은 이외의 금속 할로겐 화합물을 첨가한 것을 메탈 할라이드 램프라고 한 다. 그러나 수은등보다 기동에 필요한 전 압이 약간 높아야 하고(약 300[V]) 점등시 간도 수은등보다 약간 긴 10분 정도 소요 된다.

바. EL 램프(Electro-Luminescent Lamp)

EL 램프는 전계에 의해 여기된 형광물질에서 나오는 빛을 이용하는 얇 은(두께 1.2mm 이하) 평판형 광원이다. 이 램프는 조명, 계기반, 스위치, 비 상등, LCD의 백라이트 용으로 사용된다.

EL램프는 유리면에 투명한 도전성의 피막을 입히고 그 위에 전기 루미 넨선스용의 특수 형광물질을 바르고 금속 피막을 입힌 것으로서 이 투명전 극과 금속 전극 사이에 교류 전압을 걸어주면 형광체에 강한 자기장이 발생 한다. 자기장의 이동으로 형광체는 발광하고 빛은 투명전극에 바른 유리막을 통하여 외부에 나오게 된다.

EL램프는 형광물질을 유전체로 하고 한쪽, 또는 양쪽 전극을 투명 또는 반투 명하게 만들어진 평판 커패시터로서, 형광물질에 따라 녹색, 청색, 황갈색, 황색, 또는 백색의 빛을 내며 녹색의 휘도가 가장 높다. 램프는 견고한 세라믹이나 유연 한 플라스틱 형태로 만들 수 있으며, 단순한 고형체나 길이 400미터 이상의 복잡 한 형상으로도 만들 수 있다.

이 램프는 두께가 얇고 가벼우며 열을 거의 발생하지 않고 -40?120?의 넓은 온도범위에서 작동한다.램프의 수명은 제조과정에서 극판과 유전체를 습기와 접 촉하지 않는 기술에 달려있다. 램프의 휘도는 형광물질의 종류, 램프 구조와 함께 인가전압의 크기, 주파수, 온도, 시간에 의존하며 조광도 가능하다. 다른 광원과는 달리 이 램프는 전압이 변동하여도 광색이 변화하지 않는다.EL 램프의 수명은 매 우 길고 전력소모도 적다.

<그림 2-8> EL램프의 구조

이 램프는 갑자기 끊어져서 못쓰게 되는 경우는 없고, 휘도가 일정 수준 이하 로 떨어지기까지의 시간을 수명으로 한다. 긴 수명의 형광물질을 사용한 램프의 경우 115V, 400Hz에서 연속적으로 10년 이상 사용한 경우도 있다. 최초 휘도의 50%가 되기까지의 작동시간을 램프 성능 비교를 위하여 사용하지만 이 값은 구동 전압과 주파수, 사용 형광물질에 따라 1,000시간 ~ 30,000시간으로 크게 다르다.

2. 기술 개발 동향 및 전망

가. 백열전구(Incandescent Lamp) (1) 적외선 반사막 응용 할로겐 전구

이것은 일반 할로겐전구와 외관은 동일하지만, 적외선 반사막이 석영유 리구의 표면에 도포되어 있는 점이 다르다. 이 적외선 반사막은 산화티탄 (TiO2)과 같은 고굴절률의 금속산화물과 산화규소(SiO2)와 같은 저굴절률의 금속산화물이 교대로 증착된 다층간섭막의 일종으로서, 가시광은 투과시키며 적외선은 반사시켜 필라멘트로 되돌려 주어 가열에너지로서 재이용한다. 그

결과 할로겐 전구의 효율을 15～30% 향상시키고 열선을 약 1/2 정도로 감소 시킬 수 있다.

(2) 다이크로익 미러 부착 할로겐 전구

다이크로익 미러(dichroic mirror) 처리된 할로겐 전구는 반사경으로서 다이크로익 미러를 사용하여 가시광은 전면으로 반사하되 불필요한 열선인 적외선을 후방으로 80% 투과시킴으로써 적외선의 전면 방출을 1/5 수준으로 줄인 것이다. 다이크로익 미러는 반사면에 굴절률이 높은 황화아연(ZnS) 또 는 산화티탄(TiO2)과 저굴절률의 불화마그네슘(MgF2)을 교대로 하여 엷은 막으로 증착한 것으로 막의 두께와 층수를 조절하여 파장에 따른 반사특성 을 조절시킨 것이다.

적외선 반사막 응용 할로겐전구를 다이크로익 미러와 조합시킨 다이크 로익 미러부 할로겐 전구는 피조면이 받는 열선을 1/10 정도로 감소시켜 복 사열에 의한 상품의 손상을 대폭 경감시킨 전시조명이 가능해진다. 이와 같 은 특수한 할로겐전구는 상점조명이나 박물관 또는 미술관 등의 전시조명에 서 고조도의 스폿(spot)조명에 이용되고 있다.

<그림 2-9> 적외선 반사막 응용 및 다이크로익 미러 부착 할로겐 전구의 분광분포

(3) 자동차용 전구

자동차에 장착되는 전구는 안전상 더 높은 성능과 신뢰성이 요구된다.

특히 내진성과 함께 광학적 정밀도가 요구된다. 자동차용 광원으로서 백열전 구가 적합한 것은 고휘도로서 집광성이 우수하고 점멸응답이 빠르며 직류전 원에서 사용할 수 있기 때문이다. 전조등용은 진행용 빔과 교차용 빔 용도로 2개의 필라멘트가 필요한데, 진행용 빔의 중심광도는 1300cd 이상, 교차용 빔의 광도는 중심으로부터 위로 1°, 오른쪽으로 2° 방향으로 1700cd 이하가 되어야 한다.

철도 차량이나 선박, 항공기 등의 실내조명, 투광조명, 계기조명에 사용 되는 것도 기계적 강도가 큰 필라멘트를 사용하거나 앵커 수를 늘려 내진성 과 신뢰성을 높이고 있다. 그러나 최근에 자동차 전조등에 방전램프가 이용 되기 시작했으며, 교통 관련 광원으로서 LED 램프를 이용하려는 움직임이 두드러져 백열전구의 사용은 급격히 줄어들 것으로 예측된다.

(4) MR형 전구

MR(Multi-faceted Reflector)형 전구는 반사면이 여러 개의 작은 면으로 이루어져 소형 전구를 둘러싸고 있는 반사경 일체형 전구로서, 같은 크기의 전구라도 반사면에 따라 다양한 빔 발산각과 출력을 선택할 수 있다. 전구의 크기가 작아 등기구 크기를 줄일 수 있으므로 설치 공간이 좁은 경우에 적 합하다.

모든 MR형은 할로겐 전구로서 일반조명용 전구에 비해 광속이 개선되 며 물체의 색을 강조한다. 대부분의 MR형 전구는 저전압용으로서 주로 전시 조명이나 경관조명에 사용되는 것들이고, MR16과 MR11의 두 종류가 사용 된다. 이 중 널리 사용되고 있는 MR16은 20, 35, 42, 50, 75W의 출력과, 각 출력에 대해 적어도 12°, 24～28°, 36°의 3가지 빔발산각이 가능하여 선택폭 이 커서 다양한 경관조명에 이용되고 있다. MR11은 20, 35W가 가능하나 등 기구 크기와 열방출 문제로 인해 옥외용으로는 20W만 사용되고 있는데, 보 다 더 적은 공간에 설치할 수 있는 것이 커다란 장점이다.

저전압용(12V)은 전원전압용에 비해 필라멘트가 작아 점광원에 가까우므 로 이것을 반사경과 함께 사용하면 스포트조명을 더욱 강조할 수 있다. PAR 형 또는 MR형을 주로 사용하여 전시조명이나 액센트조명에 이용된다. 램프 수명을 3,000~5,000시간으로 길게 할 수 있으며, 효율도 더욱 높아 30lm/W

에 이른다.

나. 형광램프( lamp)

(1) T8(관경 26mm)형 고주파전용 형광램프

3파장 형광체와, 고주파점등을 가능케 한 전자회로에 의해 T12(관경 38mm)→T10(관경 32mm)으로 이어지는 세관화를 더욱 진척시킨 것으로서 1991년에 상품화되었다. 에너지 절약, 자원 절약, 공간 절약 등의 장점을 가 지며 사무실 조명용을 중심으로 사용이 늘고 있다.

(2) 더욱 세관화된 T5(관경 16.5mm)형 고주파전용 형광램프

T8 램프보다 더욱 더 세관화를 진척시킨 것으로서, 더욱 더 뛰어난 에너 지 절약, 자원 절약, 공간 절약의 특성을 갖는다. 현재 2ft형에서부터 5ft형까 지 각 종류의 상품화가 진행되고 있으며, 자기식 안정기를 사용한 종래 사양 의 램프에 비해 약 11～21%의 효율상승이 실현되고 있다. 전류밀도의 증가 를 적극 억제하여 관경의 축소에 따른 램프효율 향상을 실현한 고효율형과 종래에 비해 광속을 보다 높인 고출력형이 있다.

램프효율은 종래의 경우인 주위온도 25℃보다 높은 35℃에서 최적이 되 도록 하고 있다. 관단부의 최냉부온도로써 수은증기압을 제어하는 방식을 사 용하므로, 필라멘트 전극이 관단부로부터 비교적 멀리 떨어지도록 설계되어 있다. 램프 길이는 건축모듈에 맞도록 종래형에 비해 약 50mm가 짧아지며, 관경에 비례하여 등기구의 치수가 40% 정도 줄어들어, 박형이면서 폭이 좁 은 등기구를 사용할 수 있으므로 건축비용을 상당히 줄일 수 있다.

이외에도 더욱 더 극세관화시킨 T2(관경 7mm) 열음극램프가 가구, 책 상, 디스플레이, 사인용 및 컴퓨터용으로도 사용되고 있다.

(3) 고품위형 저수은 형광램프

고효율화와는 직접 관련이 없으나 환경 보호 측면에서 아주 획기적인 제품으로서, 봉입 수은량을 4ft형에서 기존의 30mg 정도에서 약 3mg으로 삭 감하고(2000년 미국 업계 목표는 10mg), 10,000～12,000 시간 점등후의 광속 유지율이 95% 이상 되도록 하는, 환경 보호 차원의 고품위형 형광램프가 상

품화되었다. 이 제품은 3파장형 희토류 형광체를 채용하여, 광원색은 2,700K (전구색)부터 5,000K(주백색)에 이르기까지 구비되어 있다.

특히 앞으로는 TCLP 규제법에 따라 국내외 환경규제가 강화될 예정이 므로, 수은 폐기물 처리기술 및 저수은 또는 무수은 형광램프 기술 개발은 보다 중요한 위치를 차지할 것으로 예상된다.

(4) T5 2관형

2개의 유리관을 브리지 접합시키거나 1개의 유리관을 구부린 것으로 (FPL형), 직관형에 비해 같은 밝기에서 램프 길이를 1/2～1/3로 축소하고 있 다. 4～96W까지 상품화되어 사용되고 있으며, 최근에는 직관형 110W보다 공간을 덜 차지하는 105W 컴팩트 형광램프가 개발되었다. 이것은 직관형 110W보다 길이가 반 정도이며 램프효율은 100lm/W로 고효율을 실현한 것 인데, 고주파점등 전용으로서 기구의 소형화 및 박형화가 가능하다.

(5) T5 4관형

FDL형은 2개의 U형 유리관을 접합시키거나 4관 유리관을 겹친 모양으 로 접합시킨 구조로 되어 있는 것에 반해, FML형 및 FWL형은 유리관을 평 면상에서 펼친 모양으로 접합시킨 것으로서, 어느 것이나 FPL형에 비해 길 이가 반 정도로 축소되므로 더욱 컴팩트한 성질을 갖는다. 9～27W 제품이 있으며 이들은 백열전구 40～100W에 상당한 밝기를 낸다.

(6) T4 6 또는 8관형

최근에는 관경이 더욱 소형화된 T4(12.5mm)형 유리관을 사용한 것으로서, 3 개의 U형 유리관을 접합시키거나 6관 유리관을 대칭으로 접합시킨 것과 4개 의 U형 유리관을 접합시키거나 8관 유리관을 대칭으로 접합시킨 것이 제품 화되어 있다. 이것들은 고주파 점등형으로서 32W/2,400lm 및 42W/3200lm 의 출력을 낸다.

다. 무전극 램프(Electrodeless Lamp)

무전극 램프의 기술 개발 동향을 특허출원건을 통하여 분석한 결과는

전자부품 2003년 8월호의 “무전극 램프의 특허동향”에 잘 나타나 있다. 이 보고서에 의하면 국내의 경우 1990년 이전에는 무전극 램프 관련 출원이 미 미하였다가 1990년 이후에 꾸준히 지속되고 1999년에 급격히 증가하였는 바, 이는 무전극 램프의 핵심 부품인 안정기가 국산화되고 제품 보급이 탄력을 받아 공공시설을 중심으로 수요가 급증하였기 때문이다.

국내에서 무전극 램프 관련 특허출원은 LG전자를 필두로 하여 미국의 GE, 퓨전, 일본의 마쯔시다, 독일의 오스람 등의 외국기업이 양분하고 있는 양상이고, 일본의 경우에는 1990년 이후 출원이 꾸준히 증가하고 있으며, 1997년에 무전극 램프 관련 출원건수 116건 중에서 마쯔시다와 도시바가 각 각 42건과 36건으로 전체 67%를 차지하면서 경쟁적으로 특허출원을 하였다.

미국에서는 1980년대 초 무전극 램프 실현에 성공함으로써 기업들이 앞 다투어 기술 개발을 진행하여 1990년대 후반까지 꾸준히 특허를 출원하였다.

GE, 퓨전, 필립스, 오스람 등이 고르게 출원하고 있으며, 필립스는 무전극 램 프를 광원으로 채택한 LCD램프를 개발함으로써 응용분야를 넓혔다.

(1) 무전극 형광램프

점등 주파수가 수 100[kHz]～수 100[MHz]인 무전극 RF 유도결합방전(H 방전)을 이용하면 전극에 의한 손실 및 점등 실패를 막을 수 있으므로 장수 명의 램프를 기대할 수 있으며, 램프 광출력 특성이 안정될 뿐 아니라 조광 이 용이해진다. 수명이 길어짐에 따라 램프 교체 비용이 절감되고 수은 폐기 에 의한 공해 문제가 줄어들며, 광출력 입상시간 및 재점등 시간이 빨라 응 용 분야의 확대가 기대된다.

H방전을 사용한 것은 인덕션램프(induction lamp)라고 불리우며, 종류는 유도코일의 위치에 따라 내부 또는 외부코일형으로 구분된다. 일반적으로 별 도의 전용 점등장치를 사용하나 점등장치가 내장된 전구형도 있다. 1990년대 초에 상품화된 이후, 전용의 점등장치를 사용하는 것은 초기 시스템효율 64~76lm/W, 수명 100,000시간에 달하는 55～165W급 제품이 상품화되어 있 다. 광속감퇴에 따른 램프의 평균광속은 초기의 80% 정도로서 이에 따른 평 균 시스템효율은 조금 낮아져 50~60lm/W에 달한다. 또한 점등장치가 내장 된 것은 초기 시스템효율 48lm/W, 수명 15,000시간에 달하는 23W급 제품이

유형 점등장치

점등주 파수 MHz

시스템 출력

W

광속 Im

시스템효율

Im/W 수명

h

초기 평균 초기 평균

H방전

내부코일형 전용 2.65

55 3,500 2,800 64 51 100,000 85 6,000 4,800 71 56 100,000 165 12,000 9,600 73 58 100,000 H방전

내부코일형

내장

(E27베이스) 2.5 23 1.100 880 48 38 15,000

H방전

외부코일형 전용 0.25

107 8,000 6,280 75 59 100,000 157 12,000 9,420 76 60 100,000

상품화되어 있어서 백열전구 대신 사용할 수 있다.

국내에서도 한국산업기술평가원이 주축이 되어 이 램프를 개발하고 있 다. 형상은 벌브형, 직관형, 환형 등이고, 소비전력은 60~200 [W], 효율 80 [lm/W] 이상의 것을 목표로 하고 있다.

<표 2-1> 각종 무전극 형광램프의 비교

(2) 무전극 황램프

무전극 황램프(electrodeless sulfur lamp)는 황(S)과 아르곤(Ar)이 든 직 경 25~40mm의 석영구를 마이크로파 공동(cavity)에 가두고 마그네트론을 이 용하여 2.45GHz의 마이크로파 방전을 일으켜 내부 발광효율이 높은 백색광 의 연속 스펙트럼을 얻도록 한 램프이다. 점등 초기에는 완충가스인 아르곤 에 의한 방전이 시작되고 온도가 올라감에 따라 2원자분자인 황분자 증기에 의한 방전이 이루어져 가시광 전역에 걸쳐 연색성이 좋은 백색광을 발한다.

그러나 열이 많이 발생하므로 석영구를 회전시켜 가며 냉각팬으로 식힐 필 요가 있는 것이 커다란 흠이다.

이 램프는 1994년 10월 미국 에너지부(DOE)와 퓨전라이팅社가 공동으로 개발에 성공하였으며, 최초의 시제품은 2.45GHz의 마이크로파 방전을 이용 한 것으로 입력전력 5.9kW에 시스템효율 76lm/W에 달하였다. 당초 21세기 의 램프로서 각광을 받았으나, 열전도에 의한 주변 장치의 열화 및 구동전원

의 신뢰성 등이 문제가 되었다.

최근 효율저하 없이 저출력화가 이루어지고 있는 가운데, 1kW급 제품으 로서 입력 1,425W, 광속 135,000lm, 평균연색평가지수 79, 색온도 5,700K, 20%까지 조광 가능한 제품이 개발되었다. 이것은 100W 백열전구 75개와 맞 먹는 광속이며 종합효율은 95lm/W 정도이지만, 앞으로 수 년 이내에 125lm/W를 넘을 수 있을 것으로 알려져 있다. 발광관의 수명은 60,000시간 으로 발표되고 있으나, 마그네트론의 수명은 이보다 훨씬 짧아 전 수명 중에 수 개의 마그네트론을 교체할 필요가 있어서 이의 개선이 요망된다.

<그림 2-10> 유황램프 조명 시스템

우리나라에서도 이 램프가 조명기술연구소를 총괄로 하여 개발중에 있 다. 형상은 구형이고, 소비전력은 100 [W] 급과 300 [W] 급의 두 종류이다.

효율 80 [lm/W] 이상을 목표로 하여, 시제품이 출하될 예정이다. 전용의 장 수명 마그네트론과 등기구도 동시에 개발되고 있다.

라. LED 램프

화합물 반도체 특성을 이용해 전기를 가하면 빛을 방출하는 발광다이오 드(LED)가 에디슨이 전구를 발명한 이래 120여년간 빛의 세계에 군림해 온 백열전구ㆍ형광등을 대체할 차세대 조명수단으로 주목받고 있다.

특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 Positive - Negative 접합 (Junction)부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데 이 때 결합 전의 에너지보다 재결합 후의 에너지가 작으므로 그 에너지의 차이에 따라 빛을 방출하며 이것이 LED의 발광 메커니즘이다.

LED 방식 중에서도 니치아(Nichia)가 질화물 반도체 발광 다이오드

InGaN 파장 AlInGaP 파장

Blue 450 ㎚ Amber 590 ㎚

Blue-Green 498 ㎚ Orange 605 ㎚

Blue-Green 505 ㎚ Red-Orange 615 ㎚

Green 525 ㎚ Red 626 ㎚

(GaN-LED)를 상용화한 이래, 반도체 박막기술, 공정기술, 디바이스 기술의 지속적인 발전에 힘입어 GaN-LED가 성능 및 신뢰성면에서 비약적인 향상을 가져왔고 휴대폰 산업의 급성장과 지속적인 고휘도, 고출력 응용제품 출시로 LED수요는 폭발적으로 증가하고 있다.

조만간 대형 LCD-TV백라이트에 LED가 채용될 것으로 보이며, 2007년 부터는 자동차 헤드라이트 및 일반 조명으로 응용범위가 확대될 것으로 예 상되어 각국 업체들은 고성능 LED 개발에 박차를 가하고 있다.

“2003년 Strategies Unlimited보고서”에 따르면, 2003년 고휘도 LED 시 장 규모인 17억 달러 중 66%는 GaN-LED가 점하고 있고, 2007년에는 30억 달러 이상 달할 것으로 예상되지만, 세계시장의 56%는 니치아, 도요다 고세 이를 비롯한 일본기업이 점유하고 있어, 무역 불균형을 해소하기 위해서는 국내 LED업계의 기술 도약이 절실히 필요한 상황이다.

LED는 반도체 칩 구성원소의 배합에 따라 파장이 다르고 광색도 달라 진다. 이전에 사용되던 GaAsP, GaP, AlGaAs를 대신하여, 근래에는 AlInGaP 을 이용한 칩에서는 Red부터 Amber LED를, InGaN 칩에서는 Blue 와 Green LED를, 그리고 Blue 칩에 Phosphor 기술을 접목하여 White LED를 제조하고 있다.

LED는 그 광도와 광색에 의해 분류되며, 광도는 최대 광도의 1/2 광도 로 되는 폭을 나타내는 빔 각에 의해, 광색은 우세 파장에 의해 규정된다.

LED 광도의 측정은 매우 어렵고 제품의 편차가 비교적 크다.

<표 2-2> 구성원소에 따른 광색과 우세파장

AlInGaP LED는 접합부 온도에 따라 광도, 광색, 순방향 전압강하가 영 향을 받는다. 온도가 상승하면 광도는 감소하고 우세 파장은 길어지며 전압 강하는 떨어진다. InGaN LED는 -20~80℃의 주위 온도 범위에서 광도 변화

를 관찰하기 어렵다. 단 구동전류가 증가하면 우세파장은 짧아진다.

LED를 일반 조명용으로 이용하기 위해서는 백색 LED의 개발이 필수적 이다. 현재 조명용으로 사용될 가능성이 높은 백색 LED는 발광 원리에 따라 3가지로 구분된다.

① 3 chip LED (Red, Green, Blue 3 LED의 조합에 의함)

② 1 Blue LED에 Yellow(또는 Green + Red) 형광체를 넣음.

③ 자외선(UV) 발광 LED 내에 형광물질을 넣음(형광램프와 같은 원리)

시각적으로 결함이 있는 사람들은 ①의 방법을 이용할 경우 광색을 백 색으로 보기 어렵다는 문제가 있다.

LED는 구동전류를 감소시켜 최대 광도의 10%까지 조광이 가능하다.

PWM(pulse width modulation)을 이용하면 0.05%까지의 조광이 가능하여 주로 이용된다. LED는 소비전력이 작고 광원의 크기가 작으며 수명이 길고 점등, 소등속도가 매우 빠르다. 또한 가스와 필라멘트 등을 사용하지 않으므 로 충격에 강하고 안전하며 환경오염이 적다. 이러한 장점 때문에 LED의 효 율을 향상시켜 일반 조명용으로 사용하려는 연구에 투자가 집중되고 있으며, 수년 내에 이러한 목표가 달성되면 조명 시장에 큰 변화를 가져올 것으로 기대된다.

<그림 2-11> 교차로 3색 LED 신호등

현재, 대형 LCD-TV백라이트, 자동차 헤드라이트, 일반조명에 응용하기 위한 LED의 고휘도화, 고출력화 뿐만 아니라, 형광체의 고효율화 및 패키징

개발에도 각 기업들이 박차를 가하고 있으며, 특히, GaN-LED의 고출력화, 고성능화, 저가격화를 실현할 수 있을 것으로 기대되는 수직 전극형 발광 다 이오드(VE-LED)에 많은 관심이 모아지고 있다.

마. 방전램프

근래 등장한 달걀 모양의 발광관은 금형으로 성형된 방식으로 전통적인 핀치 씰 방식에 비해 개개의 발광관이 정확한 모양으로 제작되고 그 윤곽을 아크 형상 에 가깝게 하여 열적으로 균일한 분포를 이루도록 할 수 있다. 이러한 모양의 메탈 헬라이드 램프 구조는 핀치 씰 방식의 경우에 비해 금속할로겐화합물을 보다 빨 리 가열하여 같은 램프출력에서 3배나 빨리 워밍업이 이루어지므로 기동시간을 단축시킬 수 있다. 또한 냉각부로서 동작하여 최냉부 온도를 낮추고 램프효율을 떨어뜨리는 핀치씰 부위 면적이 대폭 줄어들어 성능개선이 이루어질 수 있는데, 이것은 특히 소출력의 램프에 유리한 점이다.

이밖에도 연색성 개선과 소형화, 수명 말기 사이클링 현상 방지 및 시동 특성 의 개선, 장수명화를 목적으로 발광관 2조를 장착한 램프, 광색 개선을 위한 고압 나트륨램프 및 고압수은램프의 발광관을 장착한 2발광관식 HID램프, 환경 보호 측면에서 수은 및 납 성분이 없는 램프의 개발이 진행되고 있다.

기존 할라이드 내관에 부착된 보조전극과 바이메탈이 필요없는 구조를 채택 하여 기존 램프보다 높은 광속, 우수한 광속 유지율, 균일한 색상, 빠른 점등 및 저 온 점등이 가능하고 에너지 절감을 향상시키는 기술이 개발되고 있다.

국내에서는 연세대학교의 김진중 교수(광전자공학과)가 (주)태원전기산업 부설연구소와 공동으로 혁신적인 무전극 HID램프 개발에 성공하였다. 산업 자원부의 지원을 받아 개발한 이 기술은 탁구공만한 크기의 램프가 100W 백열등 100여개를 합친 정도의 밝기를 내는 것으로 지금까지 개발된 광원 중에서 가장 효율이 높은 것으로 주목받고 있다.

전극이 없어 반영구적일 뿐 아니라 수은을 사용하지 않아 친환경적이다.

가시광선 전역에서 발광하여 연색성(자연에 가까운 정도)이 우수하다는 점도 주목할 만하다.

이 기술은 일반조명 뿐 아니라 항공기 전조등, 의학 내시경, 원예 조명 등 다양한 분야에 널리 활용될 예정이다.

바. EL 램프(electroluminescent lamp)

기존의 EL 램프는 고전압 구동장치를 필요로 하며, 이는 사용에 있어 불리한 점이 될 수 있다. 저전압에서 작동되는 발광 폴리머(lighting emitting polymer, LEP)라는 새로운 형태의 EL 램프가 1990년도에 개발되었으며, LEP는전형적인 무 기 반도체인 LED와 같은 발광특성을 갖는 유기 반도체이다. 또한 LEP에서 나오 는 빛은 LCD와 같이 모양을 만들 수 있어 매우 얇은 표시소자의 제작에 큰 가능성 을 가지고 있어 활발한 기술 개발이 진행되고 있다.

제 3장 시장동향 및 전망

1. 산업 동향

가. 국내 산업 동향

국내 조명분야 전체 산업 규모는 지난 98년 외환위기 이후 꾸준히 성장 하여 2001년 기준 국내 조명산업의 생산력이 1조5893억원으로 1997년보다 생산능력이 20%나 확충된 것으로 나타나고 있으며 현재 2조원 가량의 시장 을 형성하고 있다. 이 같은 규모는 경제회복과 건설경기 호황에 힘입어 조명 산업 전반의 활성화가 주된 요인으로 분석되고 있다.

그러나 2003년 한해 뚜렷한 성장을 보인 주택용 조명시장과 부품·소재 시장은 규모는 커졌으나 국내 조명업계가 느끼는 체감 경기는 오히려 더 악 화되었다는 것이 중론이다. 1999년을 기점으로 국내 조명업계의 가동지수는 점차 감소하고 있다. 전구 및 램프의 생산액은 2001년 기준으로 5945억원으 로 1997년보다 23.75% 증가했으나 고용인원은 5797명으로 9.14% 감소했으며, 최근 이러한 감소 추세는 더욱 가속화되고 있다.

이같은 사실은 필립스, 오스람, GE, 도시바社 등 선진 다국적 기업들의 국내 조명 시장 점유와 중국의 저가 제품의 내수시장 잠식으로 인해 국내 조명업계가 고전을 면치 못했기 때문인 것으로 풀이된다. 특히 중국 조명 제 품의 국내 유입은 지난 2002년 이후로 증가세가 확연히 드러나고 있다.

조명공업협동조합의 2003년 9월말 조명기기 수출입 통계에 따르면 2003 년 수입 금액이 2002년의 2억 8631만 1천 달러 대비 30% 신장한 3억 7447만 5천 달러였다. 이는 램프류가 중국에서 수입이 두드러졌고 안정기를 비롯해 조명산업 전반에 걸쳐 중국 제품이 꾸준히 증가하고 있기 때문이다.

2003~2004년에는 금동조명, 정우조명 등 조명업체들의 잇단 부도로 인해 꽁꽁 얼어붙은 내수 시장을 더욱 실감케 했다. 국내 최초로 형광등을 생산했 던 중견기업인 신광기업도 회사 결손을 메우기 위해 주주의 지분을 20대 1 비율로 줄이는 감자(減資)까지 당하는 등 어려움을 겪고 있으며, 우리조명도 당기순이익이 2001년에는 10억8000만원이었으나, 이듬해인 2002년에는 전년

대비 절반에도 못 미치는 5억3000만원을, 급기야 2003년에는 16억4000만원의 적자를 냈다.

그나마 기능성 제품 생산에 주력하고 있는 몇몇 업체들만이 틈새시장을 공략하며 약진하고 있는 실정이다. 대표적으로 금호전기는 노트북이나 PDP TV 등의 광원으로 쓰이는 냉음극관형광등(CCFL)을 개발하여 2003년에 1158 억원의 매출을 달성할 수 있었다. 이 가운데 당기순이익은 91억5000만원. 이 는 2002년 이 회사가 기록한 당기순이익 24억6000만원 보다 무려 270.7% 상 승한 수치이다.

다른 중견 기업들은 내수 시장의 난항을 미리 예측해 해외 시장에 눈을 돌리고는 있지만 이렇다할 명확한 해답을 찾지 못하고 있는 상태에서 추락 하고 있는 제품 가격과 중국 제품 난무 등으로 인해 향후 3∼4년간 불황은 계속될 것이라고 전망하고 있다.

전반적으로 조명산업은 1998년 외환위기 이후 경제회복과 건설경기 호 황으로 한때 활성화되고 생산능력이 증가 됐으나 시장개방과 중국의 WTO 가입 여파로 2000년 이후 가동률 저하와 재고 부담으로 업체간 과당경쟁이 우려되고 국내 제조업의 평균치에 미달하는 저수익성은 조명산업을 후퇴 시 키고 있다. 특히 수입이 많이 늘어나 2002년도에 램프류는 3억2100만불을 수 입하여 1997년도 1억4700만불의 118%나 증가한 것으로 나타났다.

이러한 수입의 급증은 수입단가가 25% 이상 하락한 것을 감안하면 수입 물량이 150% 이상 증가한 것으로 보이며 국내 산업에 매우 큰 영향을 미친 것으로 추정된다.

다만 수출의 정체상태에서 예외적으로 HID 램프(수은, 나트륨증기, 메탈 헬라이드램프)와 기타 방전 램프 등은 수출이 급증하고 수출단가가 상승하고 있다는 사실이 국내 조명산업이 나아갈 방향을 제시해주는 것이 아닌가 보 여 진다.

중국산 조명기기의 품질향상과 여전히 저렴한 가격은 국내 조명산업의 향방을 결정할 최대 변수로 꼽히고 있다. 이미 국내 고압방전등업체 대부분 은 관련 핵심부품을 중국산으로 대체했다. 램프의 주재료인 유리도 국산이 중국산에 밀려나고 있는 실정이다.

정작 큰 문제는 일부 업체가 값싸고 질 떨어지는 중국산 부품을 들여와

국내에서 조립, 원산지를 한국으로 표시하고 있다는 것이다. 이 같은 현상은 당분간 지속될 전망이다. 이는 중견업체를 부실하게 만드는 요인으로 작용하 고 있다. 이에 따라 양심껏 만든 제품이 정작 시장에서 외면당할 공산이 크 다. 더 나아가 조명업에서 손을 아예 떼거나 공장을 외국으로 옮겨버리는 산 업공동화현상을 초래할 수도 있다.

실제로 우리조명은 형광등제조설비를 2002년 베트남으로 옮긴데 이어 최근엔 국내에 남아있는 나머지 설비마저 태국 LKS사에 전격 매각했다. 이 때문에 원산지 표시에 대한 정부당국의 강력한 단속과 중점관리가 필요하다.

한편으로 정부는 에너지 절감을 위하여 재래식 형광램프인 40W 형광등 에 대한 생산 금지 조처를 2004년에 단행하였다. 정부의 조치가 있기 전에 국내에서 재래식 램프인 40W 형광등의 제조라인은 국내에 13개가 있었으며 이는 절전형 램프인 32W 형광등 제조라인 보유대수의 3배 이상에 달하는 규모였다.

각 업체별 재래식 램프 생산 라인은 금동조명이 4개 라인으로 가장 많 았고, 금호전기, 별표형광등, 신광기업, 우토라이팅이 각각 2개였다. 그 뒤를 이어 오스람코리아가 1개 라인을 보유하고 있었으며, 신광조명은 40W 형광 등 생산설비를 갖고 있지 않았다.

정부가 행한 조처는 40W 형광등의 최저소비효율기준을 상향 조정한 것 으로서, 직관형 40W 형광등은 발광효율(lm/W)이 80 이상, 둥근형 32W의 경 우 58 이상으로 하였다. 정부는 이 같은 기준을 더욱 강화해 40W 형광등의 생산, 유통을 원천 봉쇄하고, 32W급으로 대체토록 유도할 방침이다. 정부는 과거 수년간 미뤄왔던 이 같은 방침을 2004년에 확고하게 밀고 나감은 물론 관련 사후관리도 강화하였다.

산업자원부가 에너지관리공단과 함께 2004년 4월부터 6월까지 2개월간 형광램프 등 4개 품목 190개 모델의 조명기기를 대상으로 효율검사에 나선 결과, 금동조명(주), 신광기업(주), 우토라이팅(주), (주)남영전구 등 4개사가 소비효율 기준치를 밑도는 제품을 제조 유통시킨 것으로 파악되었다. 산자부 에 따르면, 이들 업체가 제조·유통시킨 40W 직관형 형광등의 소비효율은 1W당 65.69lm(루멘·밝기단위)에서 72.39lm 정도로 측정됐다. 이는 최저효율 기준인 80lm/W 보다 7.61~14.31lm/W 모자라는 수치이다. 산업자원부는 이

들 제품에 대해서는 생산·판매를 금지토록 조치하였다.

관련 업체가 2004년부터 저효율 40W 형광등을 만들어 내다팔다 당국에 적발될 경우 2천만원 이하의 벌금을 물어야 한다. 다만 2004년 이전에 만든 재고물량은 시중유통이 가능하다.

유통업계는 정부방침이 이처럼 바뀌자 재고물량 확보에 총력을 기울이 고 있다. 상당수의 40W 형광등 생산·판매가 금지됐지만, 당분간 관련 물품의 수요는 계속 발생할 것이란 예상 때문이다. 40W 형광등은 실제로 국내 형광 등 수요의 절반에 육박하고 있다.

에너지관리공단에 따르면, 전체 형광등 판매량 8천140만7천여개 가운데 40W급은 41%를 점유(2002년 기준)하여, 가장 많이 쓰이고 있다. 이런 상황 에서 공급물량만 줄인다고 해서 40W 형광등 수요도 덩달아 감소하진 않을 전망이라는 게 업계의 지배적인 관측이다. 특히 정부가 관련 여파를 최소화 하기 위한 대국민 홍보에 여전히 소극적인 자세를 나타내고 있다는 점도 이 런 현상을 부채질하고 있다고 업계는 분석했다. 업계는 이와 함께 2004년 하 반기 이후부터 40W형광등의 재고물량이 점차 소진될 것으로 내다보고 있다.

현재 국내 조명산업계는 이처럼 일대 전환기를 맞고 있으며, 저부가가치 제품을 만드는 업체는 중국산 제품에 밀려 퇴조할 수밖에 없는 상황이다. 반 면 고품질 ·고부가가치 램프를 개발·생산하는 업체는 도약의 계기를 마련할 것으로 보인다. 지금의 위기상황은 조명산업계의 구조가 새롭게 재편되는 계 기가 되고 있으며, 향후 형광등 같은 저부가가치 제품은 인건비가 저렴한 동 남아국가 등에서 생산하고, 고부가가치 상품을 개발하는데 주력하여야 할 것 이다.

나. 세계 산업 동향

미국 등 선진국에서는 이미 재래식 설비인 40W 형광등의 경우 생산이 전면 금지되고 32W로 대체해 생산하고 있는 실정이다. 일본에서는 형광등에 대한 최저효율제를 시행, 1W당 75루멘(밝기단위) 이하 제품의 경우 생산을 금지시키고 있다. 유럽에서도 최저효율제 시행이 검토되고 있으며, 단위면적 당 조명 허용치를 설계기준에 반영하고 있다.

또한 EU, 일본 등은 환경규제를 강화한다는 시책을 발표하여 램프업계 수출에 적신호를 발하고 있다. 즉 이들 국가는 2006년 7월부터 수은, 납 등 유해중금속이 들어간 전기·전자기기의 생산을 전면 금지키로 결정하였다.

EU와 일본 등은 수은 등 6가지 유해물질을 함유한 전기·전자기기 생산 을 금지한다는 내용의 환경법(ROHS)을 개정, 2006년 7월 1일부터 시행키로 하였다.

앞으로 사용이 금지될 유해물질로는 수은(Hg), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 6가 크롬(Cr6+), 바이페닐(PBB·난연재의 일종), 에테르(PBDE·난연재의 일종) 등 6 가지이다.

향후 선진국의 환경규제는 한층 강화될 전망이며, 미국·중국 등 세계 전 역으로 확산될 가능성도 배제할 수 없다.

이에 따라 국내 업체가 이들 선진국에 전력변환장치인 안정기를 수출하 기 위해선 회로기판의 납땜을 없애는 대신, 이를 대체할 수 있는 부품을 개 발해야 할 것으로 보인다. 램프도 발광물질인 수은을 쓰지 않아야 제품수출 이 가능할 전망이다.

2. 시장 동향 및 전망

가. 국내 시장 동향 및 전망

국내 조명용 램프 시장은 2003년 하반기부터 급속히 얼어붙은 건설경기 와 최근 발표된 정부의 저효율조명기기 생산금지 조치 여파로 당분간 저성 장세가 예상된다. 특히 조명산업이 성장하기 위한 원동력인 국내 건설경기는 2003년 하반기의 3.3%신장을 기점으로 2004년에는 -10%까지 역성장한 것으 로 예측되고 있다. 그나마 매장·사무실·관급물량 수요가 점진적으로 늘어 조 명업계를 지탱해줄 것으로 기대된다.

시장 개방에 따라 외산제품의 국내시장 점유율은 램프류의 경우 1997년 28.6%에서 2001년 49.7%로 빠르게 잠식된 것으로 나타났다.

그럼에도 불구하고 국내외 업체가 많은 투자를 하고 있는 냉음극관형광 등(CCFL)을 비롯한 특수조명분야는 꾸준히 성장할 것으로 관측되며, 기존 백열구 및 형광램프(T10)에서 전구식 형광램프, T8,T5형광램프로 점차 교체