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신 조명기술
*정봉만, 한수빈, 정학근
한국에너지기술연구원 전기 조명기술연구센터
New Lighting Technologies
*Bong Man Jung ․Soo Bin Han․Hak Geun Jeong
Electrics & Lighting Research Center, Korea Institute of Energy Research
요 약
현재의 백열등, 형광등과 같은 광원을 중심으로 한 조명기술은 기술적으로 그 효율의 향상과 응용 성이 한계에 이르고 있다. 따라서 선진국에서는 새로운 개념의 신광원 개발을 통한 급진적 효율향상 과 새로운 거대시장을 개척하고자 많은 연구를 수행하고 있으며, 대표적으로는 무전극 광원과 반도체 광원을 이용한 조명기술에 대해 그 가능성이 크게 부각되고 있다. 따라서 향후 중장기적 관점에서 조 명에서의 에너지절약을 달성하기 위해서는 보다 새로운 개념의 광원기술 개발과 병행하여 안전성과 쾌적성을 보장하는 전원장치와 조명기구 등 신 조명시스템 기술의 개발 및 이용기술에 대한 연구개발 이 필요하다.
본 논문에서는 신 조명기술의 종류와 특징, 대표적인 차세대 광원으로 부각되고 있는 무전극 광원 기술과 반도체 광원(고휘도 LED) 및 응용 기술을 중심으로 기술의 특징과 적용사례를 살펴봄으로써 향후 조명용 광원으로써의 적용가능성을 검토하기로 한다.
Abstract - New lighting technology requires high efficiency, long life, high color rendering and environment compatibility. We review new lighting technologies and then introduce next generation lighting source and their applicability such as electrodeless lamps and semiconductor solid state lamps.
1. 서론
조명의 목적은 시각적으로 편안한 상태에서 물체를 잘 볼 수 있는 환경을 만드는데 있으며, 이러한 조명환경은 햇빛이나 전등에 의해 얻어진다. 인간은 오랜 세월 자연계의 햇빛에 익숙해 있기 때문에, 우리가 사용하는 전등 또한 햇빛에 근사한 것이 바람직하다. 또한 에너지의 이용효율이 높고, 물체의 색깔을 제대로 표현할 수 있는 것이라야 하며, 이외에도 수명이 긴 것이 요구된다. 전통적으로 조명광 원의 개발은 이런 점들을 고려하여 진행되어 왔다. 최근에는 자원절약과 환경친화성 여부가 중요한 요인으로 작용하고 있으며, 앞으로는 작업능률 향상 등 사회의 흐름, 인간적인 성향의 변화도 감안해 야 할 것 같다. 즉, 미래의 조명은 기술적인 면과 사회적 인간적인 면을 동시에 고려하여 개발될 것 으로 예측되므로 이러한 측면에서 광원 기술의 동향을 고찰할 필요가 있다.
국내에서 소비되는 총 전력량의 약 20%(선진국은 25%이상)를 사용하는 조명부문은 상대적인 에너 지절약 가능성이 크고(약 30%이상), 연구개발의 효율성이 높은 기술로 인정받고 있다. 이에 따라 우 리나라를 비롯한 주요 국가에서 에너지절약과 지구환경개선을 목표로 녹색조명운동을 추진하여 기존
그러나 기존의 대표적인 조명용 광원인 백열등, 형광등을 중심으로 한 조명기술은 광변환 효율, 연 색성, 수명 향상과 응용성이 한계에 이르고 있다. 예를 들면 백열등은 인간의 시감에 만족을 줄 수 있 는 연색성은 좋지만 효율이 15 lm/W 정도이며 수명이 짧다(약 4000 시간). 형광등의 경우도 수명에 서 많은 개선이 되었지만 (약 8000 시간), 환경 오염을 포함한 문제와 연색성의 한계가 있다. 나트륨 등의 경우는 광효율 및 수명에서는 장점이 있지만 나쁜 연색성 및 긴 예열시간이 문제가 된다. 이러 한 문제는 빛을 발광하기 위해 사용되는 전극의 수명과 방전가스의 여기 가능한 스펙트럼에 기인하고 있으며, 이러한 한계를 극복하여 광변환 효율, 수명, 연색성 등을 모두 개선할 수 있는 새로운 조명기 술의 개발이 요구되고 있으며, 이와 관련된 기술을 신조명기술이라 할 수 있다. 신조명기술의 특징은 앞서 언급한 높은 가시광 변환효율, 장수명, 높은 연색성과 자원절약, 견고성을 포함하고 있으며, 최 근에는 조명환경 개선에 따른 작업능률 향상, 안전성 향상, 지구환경 보호 등도 중요시하는 기술분야 이다.
새로운 광원에 대해서는 현재 2 가지의 큰 개발 추세가 존재한다. 저출력에서는 LED를 대표로 하 는 고휘도 반도체광원(Solid-State Lamp, SSL)과, 비교적 고출력에서는 무전극 형광등, 황전등(Sulfur Lamp)을 대표로 하는 무전극 방전광원이다. 이러한 신광원 특징은 기존광원에 비해 수명이 월등하게 길고(100,000시간 이상) 견고하며, 연색성 또는 시인성이 높아 인간친화적이고, 무공해 물질을 사용하 는 소형, 고휘도의 환경친화적 광원으로써 적용분야에 따라 30～90%의 에너지절약이 가능한 특징을 가지고 있다. SSL을 이용한 조명장치의 대표적인 사례로는 LED 신호등이 있으며, 현재 표시 및 지시 용 조명분야에서 일부 실용화 보급단계에 있다. 무전극 램프의 경우 일반조명용으로의 백열전구를 대 체하기 위해 일부 제품이 소개되어 현재 가로등에 일부 적용되고 있으며, 본격적인 실내조명용으로의 적용은 반도체광원의 기술개발 추이와 맞물려 2005년경 가능할 것으로 전망된다. 이밖에 고휘도 신광 원의 직접조명의 한계를 극복하기 위해 광 파이프(Light Pipe)나 광섬유를 이용한 원격 간접조명기술 도 태양 빛의 효율적 이용과 병행하여 더욱 더 관심을 끌 것으로 기대된다. 현재 선진국의 신조명기 술은 기본 소재기술에서는 국내의 수준과 큰 차이가 있지만 시스템 및 응용기술에서는 이제 도입기를 지나 성장기에 진입중인 단계로 국내에서도 적극적인 연구개발 시 충분한 경쟁력을 갖출 수 있다고 판단된다.
2. 무전극 광원 조명기술
현재까지 사용하는 램프는 대부분 필라멘트나 전극에 의해 발광된다. 이들은 일정 시간이 경과하면 소손되어 수명이 다 되고 램프를 교체해야 하는 불편함이 있는데 반해, RF로 구동되는 무전극 형광램 프와 마이크로파로 구동되는 황전등(Sulfur Lamp)으로 대표되는 전극이 없는 무전극 램프는 10만 시 간 이상의 긴 수명 및 넓은 온도(-30℃～80℃)에서 동작이 가능하며, 연색성이 80 이상으로 매우 좋 고, 85～90 lumen/W의 높은 광 변환효율을 갖는
새로운 광원이다. 이는 높은 연색성과 효율을 동시에 겸비한 광원 중 최고의 수준에 속하는 성능이다.
형광등 형태의 무전극 램프는 1992년 Philips사에서 55W QL램프가(2000년에는 165W급) 출시된 이래 Osram사에서 65W Endura와 GE사에서 23W Genura가 개발되어 현재 시판되고 있다. 또한 황 전등(Sulfur Lamp)은 1994년 미국 Fusion Lighting사에서 5kW, 1kW급이 소개되었는데, 이는 RF로
______________________________________________________________________________________SESSION 8 2.1 무전극 황전등 조명기술
1990년대 이후 미국(Fusion Lighting사, 로렌스버클리연구소(LBNL), GE사)과 유럽(필립스사, 오슬 람사)를 중심으로 기존의 광원과 비교하여 성능이 혁신적인 무전극 방전등 및 적용연구가 지속적으로 활발히 시도되고 있으며, 그 중에 가장 획기적인 것은 1994년에 최초로 실증 실험된 황전등이라고도 하는 마이크로파구동 무전극(Electrodeless) 램프이다. 이는 약간의 황과 수 십 torr 기압 아르곤 (buffer gas)이 든 직경 2.5-4 cm의 작은 구형 램프로서 마이크로파로 방전되어 수 kW대의 고출력 광원으로서 작용한다. 실례를 들면 그 밝기가 445,500lm의 5.9 kW 황전등 2개로 175W의 고압수은 램프 약 240개를 대체할 수 있는 획기적인 것이다([그림 2]). 또한 평균 연색성 지수가 80이상으로 메탈할라이드등 보다도 매우 높은 것이며, 시스템 효율도 90 lm/W 이상으로 매우 고효율이다.
<표 1> 무전극 광원의 효율 및 광 특성 비교
광 원 수 명 (시간) 연 색 성 램프 효율
무전극 형광등 100,000 > 80 90 lm/W
황전등 100,000 > 80 120 lm/W
형광등 8,000 ～ 12,000 70 ～ 80 80 ～ 90 lm/W 메탈할라이드등 7,000 ～ 15,000 70 ～ 80 80 ～ 90 lm/W
고압나트륨등 10,000 ～ 20,000 < 30 100 lm/W
<표 2> 선진국의 무전극램프 기술개발 동향
연 도 내 용 수행 기관
2000 무전극 형광등 Endura 150W급, QL 165W급 개발 Osram, Philips 1997 Power Drive 1000 출시 (1kW급 황전등) 미국, Fusion Lighting 1994 무전극 방전등 Sulfur Lamp 개발 (5.9kW) 미국, Fusion Lighting 1993 무전극 형광등 Endura Lamp 개발(65W) 독일, Osram
1993 무전극 형광등 Genura Lamp 개발 (23W) 미국, GE 1992 무전극 형광등 QL Lamp 개발 (55W) 네델란드, Philips <표 3> 국내의 무전극램프 기술개발 동향
연 도 내 용 수행 기관
2000 프라즈마 방전등 램프(Sulfur lamp 계열) LG전자
2000 1kW급 Sulfur Lamp 시제품 개발/시험평가 에너지연/태원전기
1998 Sulfur Lamp 기초연구 한전기술연구원
1998 무전극 형광등 전원공급장치 세광에너텍
1995 전구형 무전극 형광등 기초연구(25W) 서울 산업대/ 금호전기
[그림 1] HID와 황전등 비교
[그림 2]황전등 적용사례(미국 DOE건물) [그림 3] 황전등의 연색성 및 수명 비교
이러한 특성은 기존의 방전등과는 달리 방전방식을 2 GHz이상의 마이크로웨이브파로 방전을 함으 로서 가능한 것이다 (기존 형광등은 자기식 안정기는 60 Hz, 전자식 안정기는 20-50 kHz로 방전).
또한 무전극 방전을 하기 때문에 램프 수명도 100,000 시간 이상 가능하며 현존 광원중 최장으로 속 하는 장점을 갖고 있다.
이러한 혁신적인 광원의 등장은 그 활용성이 기존의 백열등, 형광등, 수은등, 메탈할라이드등이 이 용되고 있는 전 분야에 걸쳐서 대체가 가능할 뿐만 아니라 군용 및 산업체 전반에 대해서도 새롭게 적용분야가 확장될 것으로 기대된다. 따라서 이 분야의 기반기술을 축적하고 응용기술을 확보하는 것 은 매우 중요하다. 사실 황전등의 경우 실내조명측면에서 보면 직접적인 조명을 사용하기에는 그 발 광력이 너무 크다. 따라서 이의 조명방식은 광파이프를 이용한 간접조명방식을 사용하는 것이며 광파 이프의 경우 광의 전달시 손실이 거의 없으므로 매우 긴 거리까지 균일 조명이 가능하게 된다. 이는 현재 백화점, 체육관, 박
물관, 공항 등 높은 연색지수의 고휘도 조명이 필요한 분야 및 공장, 터널의 라인조명등 대형 건물 조 명에 적합한 획기적인 광원으로 평가되고 있다. <표 4>는 주요 적용가능분야와 대상을 요약한 것이
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적용 분야 적용 장소
높은 천장의 넓은 공간조명
공연장, 비행기 격납고, 창고, 터널, 항구와 도크, 양어장, 극장, 투광등, 야외 스포트 시설, 주차시설,
산업현장용 이동식 조명트레일러
폭발위험이 있는 환경하의조명 화학공장, 광산, 군수품 창고, 페인트 등 마감재 창고, 군함, 잠수함, 비행기, 항공모함의 배광
열 및 오염물질의 유입이 없어야 하는 조명
수술실, 실험실, 클린룸, 식품가공업 등의 위생적 환경, 낙농장 및 기타 우유가공, 양계장
UV(자외선)에 의한 피해가 예상 되는 곳
박물관 전시물, 화랑, 수족관, 쇼핑몰, 생물공학 및 기타 식물연구용
광고, 장식용 조명 조명기둥, 교량, 건축물의 강조조명, 주유소 캐노피
장시간 작업이 진행되는 곳 작업대, 제어실 등 하루 3교대 근무를 하는 곳, 일반공장 조명
부드러움과 안락함이 요구되는 곳 응급구조 차량의 내부조명, 스포츠 시설, 테니스 코트, 축구장 등
2.2 무전극 형광등
무전극 RF 유도결합방전을 이용하여 전극에 의한 손실 및 점등 실패를 막을 수 있으므로 장수명의 램프를 기대할 수 있으며, 광 출력이 안정될 뿐 아니라 조광이 용이해진다. 수명이 길어짐에 따라 램 프 교체비용이 절감되고 수은 폐기에 의한 공해 문제가 줄어들며 광출력 입상시간 및 재점등 시간이 빨라 응용 분야의 확대가 기대된다. 무전극 방전 형식에 따른 램프 구조의 설계, 유도코일 및 고주파 점등장치, EMI 대책 등의 설계기술 및 비용저감 대책이 필요하다. 무전극 형광등 시스템은 램프와 무 전극 램프를 구동하기 위한 외부 고주파 전원부, 외부전원을 통해서 무전극등이 유도 방전할 수 있도 록 하는 에너지 유도코일부, 유도코일이 효과적으로 동작하기 위한 임피던스 정합부 그리고 램프에서 의 광이 원하는 공간에 적정한 조도분포를 제공할 수 있도록 하는 등기구로 구성된다. [그림 4]는 필 립스의 QL램프와 시스템 구성도이다. 현재 국내 기술수준은 개발초기단계로 선진국에 비해 대부분 기 초기술에서 크게 차이가 나고 있는 실정이다.
전원 공급부
임피던스 정합부
등기구
램프 RF 유도코일
[그림 4] 무전극 형광등과 시스템 구성
4. 반도체 광원기술
최근 반도체기술의 급진적인 발전과 더불어 새로운 광원으로써 부각되고 있는 LED는 디스프레이용
조명용 광원(공항 활주로의 안내등, 자동차 계기판 표시등, 독서등, 건물 장식등)에서 차량용 광원(교 통신호등, 차량 장식등)까지 광범위하게 적용되고 있다.
LED는 반도체라는 특성으로 인해 처리속도, 전력소모, 수명 등의 제반사항에서 큰 장점을 보여 각 종 전자제품의 전자 표시부품으로 쓰여지고 있으며, 높은 휘도의 제품들이 생산되면서 앞으로 첨단조 명의 광원으로 각광받고 있다. 기존 전자램프처럼 눈이 부시거나 필라멘트가 단락되는 경우가 없는 LED는 소형으로 제작되어 각종 표시소자로 폭넓게 사용되고 있으며 반영구적인 수명으로 그 활용도 가 높다. 특히 청색 LED의 상용화로 LED의 풀 칼라 구현이 가능해지고 가격도 크게 낮출 수 있게 되 면서 제품의 활용도는 급속히 높아질 전망이다. 또한 최근 들어 LED의 휘도가 매우 빠르게 개선되어 있어 LED를 이용한 반도체 조명시대가 예상보다 앞당겨질 것으로 전망되지만, 아직 가격이 기존 광 원에 비해 비싸기 때문에 상용화 보급에는 현실적으로 어려운 실정이다. 그러나 반도체기술의 빠른 발전속도에 비춰 보면 몇 년 후면 형광등보다 효율이 높은 LED 조명등의 출현이 가능하리라 예상되 며, 가격도 경쟁할 수 있는 조건을 갖추리라 전망된다. 이를 위해서는 LED칩의 구조, 패키지 구조, 방열, 형광물질의 효율 등의 측면에서 개선이 요구되며, 이미 고성능 LED의 광 변환효율이 30 lm/W 수준에 도달하고 있는 만큼 실현 가능성도 멀지 않았다고 할 수 있다. [그림 5]는 기존광원 대비 LED 광원의 기술개발 추이를 비교한 것이다.
고휘도 LED의 대표적 응용분야의 하나로 교통신호등이 있다. 현재 미국, 유럽, 일본 등 일부 국가 를 중심으로 실용화 보급단계에 있으며, 우리나라도 조만간 보급이 가능하리라 기대된다. 백열전구를 사용하는 기존의 교통신호등 광원을 LED로 대체할 경우 80% 이상의 에너지 절약, 장수명에 의한 유 지보수비용 70% 이상, 단색광에 의한 시인성 향상에 따른 교통환경 개선 등의 장점이 있다. 지금까지 LED 광원은 주로 DISPLAY용으로 응용되어왔고 앞으로도 꾸준히 성장하리라 예상되고 있으며, 기술 의 발달로 인한 새로운 신소재의 개발로 향후는 에너지 대체 및 환경친화적 조명기술 개발에 많은 관 심이 집중되리라 예상하고 있다. [그림 6]은 향후 LED광원의 응용이 기대되는 분야이다.
______________________________________________________________________________________SESSION 8 조명기기 ⇒ 건물 장식등, Mood등, 비상구등, 차량등,
가 시 광 교통신호등, 지하철 행선 안내등,
Display ⇒ 전광판(실내, 옥외),
간판 대체용, 주유 표시기,
의료기기 ⇒ 원적외선 광원,
적 외 광 보안기기 ⇒ 원거리 CCD, 각종 보안장비 광원,
영상정보 ⇒ 고속통신망 광원,
유전공학 ⇒ 성장에너지 광원, 자
외
생명공학 ⇒ 살균, 소독 광원, 광
[그림 6] LED 광원의 응용분야
5. 결론
조명의 목적은 시각적으로 편안한 상태에서 물체를 잘 볼 수 있는 환경을 만드는데 있으며, 이러한 조명환경은 햇빛이나 전등에 의해 얻어진다. 인간은 오랜 세월 자연계의 햇빛에 익숙해 있기 때문에, 우리가 사용하는 전등 또한 햇빛에 근사한 것이 바람직하다. 또한 에너지의 이용효율이 높고, 물체의 색깔을 제대로 표현할 수 있는 것이라야 하며, 이외에도 수명이 긴 것이 요구된다. 전통적으로 조명광 원의 개발은 이런 점들을 고려하여 진행되어 왔다. 최근에는 자원절약과 환경친화성 여부가 중요한 요인으로 작용하고 있으며, 앞으로는 작업능률 향상 등 사회의 흐름, 인간적인 성향의 변화도 감안해 야 할 것 같다. 즉, 미래의 조명은 기술적인 면과 사회적 인간적인 면을 동시에 고려하여 개발될 것 으로 예측된다. 여기서는 이러한 측면을 고려하여 21세기 새로운 광원 기술으로 대표되는 무전극 방 전램프기술과 반도체 광원을 중심으로 기술동향 및 향후 응용분야를 중심으로 고찰하였다.
참 고 문 헌
1. 정봉만 외, “에너지절약형 LED 교통신호등 규격연구 및 시스템 개발”, 한국에너지기술 연구원 연구보고서(2001)
2. 한수빈 외, “고효율 신광원 개발”, 한국에너지기술연구원 연구보고서(2000)
3. 여인선, “고효율 조명용 광원의 기술 동향”, 전기학회지, 제47권 7호/제 47권 제8호(1998) 4. Illumination Engineering Society, "Lighting Handbook-Reference & Application", 2001.
5. U.S. Department of Energy, "Vision 2020 - The Lighting Technology Roadmap", 2000 6. Wharmby, D. O., "Electrodeless lamps for lighting : A Review," IEE Proceedings-A, Vol.140, No. 6, November 1993.
