1. 개요 □ 연구목적 ○ 에너지 위기의 시대

1. 개요

□ 연구목적

○ 에너지 위기의 시대

- 인구의 증가와 날로 증가하는 전기 사용량으로 인한 전력 공급과 수요의 문제가 매우 중요해지고 있다.

- 2011년 9월, 늦더위로 인한 전력사용량 증가로 전국적인 순환정전 사태가 있었고, 겨울에도 ‘블랙아웃’의 가능성이 있다고 한다.

- 2012년 3월, 지구를 위해 한 시간 동안 전등 끄기 행사인‘Earth Hour’에 참여하 면서 전등을 통해 에너지 위기 문제 해결에 관심을 갖게 되었다.

○ 광특성이 뛰어난 고효율 램프 기술에 관심

- 전구는 우리가 매일 사용하고 있으며, 사용시간도 매우 긴 편인데, 얼마나 효율적 으로 에너지를 사용하고 있는지에 대한 생각이 부족하다.

- 에너지를 절약할 수 있는 전구를 개발할 뿐만 아니라 전구가 내는 빛의 특성과 심미적인 느낌을 함께 조사하여 사용 장소와 목적에 적합하면서 전력 소모를 줄일 수 있는 방법을 연구하고자 하였다.

○ 본 연구의 목적은 오늘날 일상생활에서 에너지 절약에 기여할 수 있는 소자인 전구를 소재로 하여, 다양한 전구들의 광학적 특성과 에너지 소비량 및 효율을 조사해 보고 현재 개발되고 있는 차세대 전구의 에너지 효율 특성을 평가하여 사용 장소와 목적에 적합하면서 전력 소모를 줄일 수 있는 방안을 제시하는 데 있다.

□ 연구범위

전구(조명)의 효율을 개선하는 방법으로는 우선 조명기구 자체를 개선하는 것이다. 백열등 보다는 형광등이 발광효율이 뛰어나고, 형광등보다 LED조 명의 발광효율이 뛰어나다. 그래서 LED조명은 형광등을 대체할 것으로 각광 받고 있으나 아직은 조명의 가격이 비싸며 형광등과 같은 형태의 조명이 없어 현재의 형광등을 모두 대체하기에는 어려운 상황에 있다.

또, LED보다 더 발광효율이 뛰어난 전구를 개발하는 연구가 계속 진행되고

있다.

전구(조명)의 효율을 개선하는 또 하나의 방법으로 조명부속기구를 개선하 는 방법이 있다. 예를 들어 형광등에 설치할 수 있는 반사판이나, LED 조명에 필요한 방열판, 또 조명을 통해 실내 분위기를 바꿀 수 있는 전등갓 등을 개선하여 전구의 효율을 개선할 수 있다.

이러한 사실을 토대로 본 연구의 범위를 다음과 같이 설정하였다.

○ 먼저 현존하는 전구(백열등, 형광등, LED lamp 등)의 종류와 구조를 이해하고 각 전구의 구동원리를 이해한다. 그리고 각 전구의 에너지 효율을 비교한다.

○ 현존하는 전구의 효율(휘도/소비전력)에 영향을 미치는 요인 중의 하나인 반사판의 영향에 대해 탐구한다. 막대형 형광등과 전구형 형광등에 다양한 모양의 반사판을 설치하여 효율을 높일 수 있는 반사판의 모양을 탐구한다.

○ 현존하는 전구의 효율에 영향을 미치는 또 하나의 요인인 전등갓의 모양에 의한 영향을 조사한다. 특히 온도에 민감한 LED 전구에 있어 서 효율을 높이면서도 심미적인 효과를 높일 수 있는 전등갓의 모양 과 재질에 대해 탐구한다.

○ 마지막으로 전구 자체를 개선할 수 있는 연구를 수행한다. 탄소나노튜브 를 이용한 차세대 램프(Field Emission Display)의 기초 동작원리를 학습하고, 이를 실험실에서 제작한 다음, 그 램프의 전력 특성 및 발광 특성을 평가한다. 기존의 램프와 비교하여 차세대 램프 에너지 절감 효과를 분석한다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 먼저 대한민국에서 사용되는 총 전구의 수를 조사하였다. 도시와 농촌 지역으로 나누어 1가구당 평균적으로 사용되는 전구의 개수를 조사하 였고, 또 일반가정과 공공기관, 또 가로등에서 사용되는 전구의 개수에

형광등의 구조와 발광원리

대해 어림해서 계산해 본 결과 대한민국의 총 전구수는 약 600억개로 추산 되었다.

전구가 동일한 밝기를 내면서 전구 1개당 1W의 전력만 덜 소비하는 전구 를 개발한다고 해도, 하루에 600억W×10h = 6000억Wh, 1년을 300일로 가정하면, 1800kWh의 전력량을 줄일 수 있다.

그러므로 전구의 효율을 높이는 연구는 에너지 위기 시대를 극복할 수 있는 중요한 방법이 될 수 있다.

○ 여러 가지 전구의 구조와 종류, 발광원리, 효율 등에 대해 조사하였다.

1. 형광등의 구조와 원리

형광등은 기체나 증기 중의 방전 에 의해 발생하는 빛을 광원으로 이용한 다. 일반적으로 형광등은 형광방전관, 안정기, 점등관, 콘덴서 등으로 구성 되어 있다. 전원이 연결되면 점등관의 바이메탈에 의해 폐회로가 형성된다.

그리고 회로가 연결되어 전류가 흐르면 형광방전관의 필라멘트가 가열되 고, 수은은 증기로 증발된다. 그 후에 안정기의 코일에 유도전류가 생겨 고전압이 발생하여, 가열된 형광방전관의 필라멘트로부터 열전자가 방출

되도록 한다. 방출된 열전자와 수은 증기 속 수은 원자가 부딪치면서 자외 선이 많이 포함된 빛이 발생한다. 그 빛이 형광방전관 벽의 형광물질을 통과하면서 가시광선 영역의 빛으로 전환되어 형광방전관 밖으로 형광등 빛이 나오게 된다.

그림 2 LED의 구조와 발광원리

그림 1 백열등의 구조

형광등의 종류는 크게 직관형 형광등, 컴팩트형 형광등, 전구형 형광등, 환형 형광등 등이 있다.

2. 백열등의 구조와 원리

백열전구는 저항체인 필라멘트에 전 류를 흘려주면 필라멘트에서 열이 발 생하고 온도가 높아지면서 백색광의 빛을 내보낸다.

백열전구는 다른 조명 기구에 비하여 빛 효율이 낮은데, 그 이유는 사용전력 의 5% 정도만 빛을 내는 데 쓰이고 나머지 95%는 열로 나오기 때문이다.

3. LED의 구조와 원리

LED(발광 다이오드)는 반도체를 P-N 접합이라고 불리는 구조로 만들어 사용한다. 전극으로부터 반도체에 주입된 전자와 정공은 다른 전도띠나 원자가 띠 등을 흘러 P-N 접합부 부근에서 띠 간격을 넘어 재결합하여 에너지띠 차이만큼 광자로 나온다. 전자와 정공이 재결합할 땐 광자 뿐만 아니라 열도 나온다. 열이 나오면 광자가 나오는 반응이 느려지기 때문에 빛의 양이 줄어든다. 그래서 LED의 경우 적절한 방열이 되지 않을 경우에 는 수명이나 성능이 현저하게 떨어질 수 있으므로 LED 전구에는 방열판이 부착되어있다. [그림 2]는 LED의 구조와 발광원리를 나타낸 것이다.

4. FED의 발광원리

차세대 전구로 주목받고 있는 FED는 Field Emission Display의 약자이다.

Field Emission(전계 방출) 기술은 마이크로 크기의 에미터에 콘 형상의 뾰족한 금속 팁을 이용하여 전자를 튀어나오게 하여 사용한다. 금속에 고전압을 걸어주면 전자가 금속 표면에서 튀어 나오게 되는데, 표면의 형상을 제어하여 매우 높은 거칠기를 갖게 하여 전계 방출에 필요한 전압을 낮출 수 있다. 보통 Molybdenium tip, Silcon tip, Carbon film, amorphous and nano diamond, carbon nanotube(CNT), 나노와이어(nanowire), graphene 등의 재료를 사용하고, 끝(tip)을 뾰족하게 하는 방법, 직경 대비 높이의 비를 크게 하는 방법, 전자 방출원(electron emitter)의 밀도를 제어 하는 방법을 통해 만들고 있다. 특히 나노 다이아몬드와 탄소나노 튜브는 다른 재료와 달리 구조적 안정성으로 인하여 전계 방출 소자 적용을 위한 다양한 연구가 진행 중이다.

그림 3 FED의 발광 원리

그림 4 CNT를 성장시킨 FED

CNT를 이용한 FED의 장점은 구조가 간단하다는 것이다. 구조가 간단하면 제작이 쉽고 환경에 친화적이라는 장점이 있다. 뿐만 아니라 FED는 다른 전구들에 비해 효율이 높다. 다른 전구들과 달리 FED는 전자가 직접 방출 되어 형광물질을 발광시키므로 효율이 더 좋다.

Radiometry 복사분석

Photometry 광측정

물리량 기호 단위 기호 단위

복사조도 및 조도

Irradiance & Illuminance  W/m



lx (lm/m

) 복사강도 및 휘도강도

Radiant Intensity & Luminous Intensity  W/sr 

cd (lm/sr) 복사도 및 휘도

Radiance & Luminance  W/m

/sr 

lm/m

/sr (cd/m

) 복사플럭스 및 광플럭스

Radiant Flux & Luminous Flux

W

lm

○ 빛의 세기와 효율에 관련된 물리량

□ 연구주제의 선정

○ 전구의 전력 소모를 줄이는 연구의 필요성

- 스마트폰에서 전력 소모는 대부분 디스플레이 장치에서 이루어진다고 함. 광원 의 전력 소모를 줄이는 기술은 여러 가지 면에서 유용할 것이라고 생각하였다.

- 각 가정마다 백열전구 한 등만 절약하는 것의 효과를 생각해도 전구의 전력 소모를 줄이는 것은 에너지 위기 극복에 기여할 수 있다고 생각하였다.

○ 에너지 소모를 줄이기 위한 전구 개발의 현주소 조사

- 차세대 에너지 절감형 전구는 LED(light emitting diode), OLED (organic light emitting diode), ESL(Electron Stimulated Lighting) 기술 등이 있다.

- LED는 현재 시장에서 팔리고 있으나 지속적인 효율 향상을 위한 연구를 수행중 이며, OLED는 면(면광원) 형태의 조명에 대한 연구를 수행중이며, ESL은 미국에 서 기존의 전구와 같은 형태로 개발 중이다.

○ 나노 구조를 이용한 전구 개발

- 소비 전력을 크게 감소시킬 수 있는 나노구조의 전구기술(ESL)이 개발되고 있다는 정보를 접하고 이 분야의 전문가인 경희대학교 정보디스플레이학과 교수님께 자문을 구하였으며, 연구 지원에 대한 허락을 얻었다.

○ 차세대 전구의 광특성 조사

- 전구의 소비 전력은 크게 감소되었지만 그 전구의 광특성이 사용 목적에 맞지 않는다면 유용하지 않다고 생각하였다. 전구의 광특성과 심미적인 느낌까지도

고려하여 사용 장소와 목적에 적합하면서 전력 소모를 줄일 수 있는 전구를 개발하고자 하였다.

○ 조명 부속기구의 개선을 통한 전구의 효율 향상 방안 연구

- 전구(조명)의 효율을 개선하는 또 하나의 방법으로 조명부속기구를 개선하는 방법이 있다. 예를 들어 형광등에 설치할 수 있는 반사판이나, LED 조명에 필요 한 방열판, 또 조명을 통해 실내 분위기를 바꿀 수 있는 전등갓 등을 개선하여 전구의 효율을 개선할 수 있는데, 전구의 효율을 높일 수 있는 반사판과 전등갓 의 최적의 모양을 찾고자 하였다.

□ 연구 방법

○ 에너지 절약을 위한 저소비전력 램프 구현을 위한 연구를 위해 대학 의 연구실(경희대학교 정보디스플레이학과)을 방문하여 관련이론과 기술 용어를 학습하였다.

○ 시장에 출시된 현존하는 램프의 종류와 동작 특성에 대하여 학습하고 램프의 효율 특성을 평가하기 위한 장비 사용법을 학습하였다.

○ 현존하는 램프의 효율(휘도/소비전력)을 향상시키기 위한 방안의 하나로 형광등의 반사판의 모양과 LED 전구의 전등갓의 모양 변화를 시도하여 최적의 효율을 갖는 모양과 재질을 제안하였다.

○ 나노기술을 이용한 램프의 구조에 대한 학습하고 차세대 전구로 주목 받고 있는 탄소나노튜브를 이용한 FED 전구를 실험실에서 제작하였 다.

○ 실험실에서 제작한 FED 전구의 에너지 효율을 분석하고 현존하는 램프와 비교하여 에너지 절감 효과를 분석하였다.

○ 연구과정에서 경희대학교 정보디스플레이학과를 방문하여 교수님의 지도조언과 연구결과에 대한 지속적인 피드백을 받으며 연구를 진행 하였다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 2012년 5월 : 경희대학교 정보디스플레이학과를 방문하여 램프연구

원기둥형 삼각기둥형

사각기둥형

에 필요한 기초지식과 용어들을 학습하고 연구장비에 대해 학습하였 다.

○ 2012년 6월~7월 : 현존하는 램프의 종류와 동작 특성을 학습하고, 현존하는 램프들의 전기적, 광학적 특성을 평가하고 보고서를 작성 하였다.

○ 2012년 8월~9월 : 현존하는 램프의 반사판과 전등갓의 모양 및 재질 등이 램프의 효율(휘도/소비전력)에 어떤 영향을 줄 수 있는 지 탐구 하고 보고서를 작성하였다.

○ 2012년 10월 : 차세대 램프 기술에 대한 동작원리를 학습하고, 차세대 전구차세대 전구로 주목받고 있는 탄소나노튜브를 이용한 FED 전구를 실험실에서 제작하였다.

○ 2012년 11월 : 실험실에서 제작한 FED 전구의 전기적, 광학적 특성을 평가하고, 현존하는 램프와 비교하여 에너지 절감 효과를 분석하였다.

지금까지의 연구결과들을 정리하고 최종연구결과보고서를 작성하였다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

1. 형광등의 반사판의 구조변화를 통한 전구의 효율 향상 1) 실험 과정

우리는 형광등의 반사판을 바꿔가면서 측정하기 위하여 우리는 다음과 같은 모형들을 하드보드지와 알루미늄 시트지를 이용하여 제작하였다.

가. 직관형 형광등의 반사판

오각기둥형 육각기둥형

원기둥형 원뿔대형(30) 원뿔대형(45) 원뿔대형(60)

삼각기둥형 삼각뿔대형(30) 삼각뿔대형(45)

삼각뿔대형(60)

사각기둥형 삼각뿔대형(30) 삼각뿔대형(45)

나. 전구형 형광등의 반사판

또한 전구형 형광등용 반사판의 경우 위와 같은 11개의 종류를 만들었다.

기둥형의 경우 밑면의 둘레의 길이가 원기둥의 밑면의 둘레의 길이와 같게 하여 만들었다. 원기둥형의 직경을 15cm 으로 하였다. 또한 뿔대의 경우 중간에서의 둘레의 길이가 원기둥의 밑면의 둘레의 길이와 같게 하여 만들 었다. 뿔대의 각도를 정의할 때, 뿔대에 내접하는 원뿔의 꼭짓각으로 정의 하였다.

그림 21 벽에 좌표를 설정하고 측정하 는 모습

다. 실험방법

① 벽의 한 쪽 부분에 직관형 형광등을 세워놓고 뒤에 시중에서 사용되는 반사판을 설치한다.

② 형광등으로 부터 2.5m 떨어진 곳에 1사분면의 좌표를 설정한다.

③ 20cm 간격으로 140cm의 휘도를 휘도 계를 이용하여 측정한다.

④ 다른 반사판으로 바꾸어가면서 ①~

③의 과정을 반복한다.

⑤ 전구형 형광등도 위와 동일한 방법으 로 휘도를 측정한다.

2) 실험 결과 및 결론 가. 직관형 형광등

다음에 나오는 표의 경우 아래의 숫자는 x 좌표 (cm) 를 의미하고 왼쪽의 숫자는 y 좌표 (cm) 을 의미한다. 표 안의 숫자는 그 좌표에서의 휘도 (^{}) 를 의미한다. 쉽게 알 수 있게 하기 위해서 직관형 형광등의 경우 10(^{}) 이상의 휘도를 가지는 좌표는 색을 칠하였다. 또한 표면형 그래프 의 경우 우리가 얻은 값의 범위가 너무 커서 자연로그를 취한 값으로 그래 프를 그렸다.

그림 24 시판되는 반사판 그림 25 삼각형 반사판

그림 26 사각형 반사판 그림 27 오각형 반사판

그림 28 육각형 반사판 그림 29 원기둥 반사판

그림 30 반사판 없음

　 삼각형 사각형 오각형 육각형 원형 시판 반사판없음

평균휘도(>10) 811 767 692 388 506 767 472.3

　 삼각형 사각형 오각형 육각형 원형 시판 반사판없음

평균휘도 218 218 208 63 129 194 75.336

위의 실험결과를 통해 다음과 같은 사실을 알 수 있다.

일정 휘도 이상의 빛을 내는 반사 면적으로 비교할 경우, 삼각형, 원, 육각형 반사판보다 사각형과 오각형 반사판의 반사 면적이 넓었다. 특히 사각형 반사판이 오각형 반사판의 경우보다 반사광이 더 넓은 면적에 고르 게 빛이 잘 분배되었다.

또한 10이상의 휘도의 평균을 구해서 비교하거나, 최대휘도를 비교할 경우에는 삼각형 반사판의 경우가 다른 모양의 반사판의 경우보다 컸다.

이것은 반사판에 의해 빛이 집중되어 일어나는 효과라고 생각되며, 광선추 적을 통해 조사한 결과와 일치한다.

삼각형 모양의 반사판은 중앙으로 광선이 모이는 형태를 보였으나 사각형 과 육각형은 광선이 바깥쪽으로 퍼지는 형태를 보였다. 특히 육각형 반사판 이 바깥쪽으로 광선이 많이 퍼졌으나 실질적으로 같은 면적의 사각형 반사 판과 비교했을 때 중심휘도가 현저하게 낮아 적합한 반사판의 형태가 아니 며 충분한 효율을 내지 못하였다.

그림 31 직관형 사각형 그림 32 직관형 육각형 그림 33 직관형 삼각형

결론적으로 형광등에 반사판을 설치할 때는 설치할 공간의 넓이를 고려하 여 넓은 영역에 많은 형광등을 배치할 때는 사각형 반사판이나 오각형 반사판이 적절하지만 좁은 지역을 밝게 비출 때는 삼각형 반사판을 배치하 는 것이 좋다.

나. 전구형 형광등

전구형 형광등의 경우 5(^{}) 이상의 값을 가지는 좌표를 색을 칠하여 표시하였다.

그림 34 사각뿔대 45° 그림 35 사각뿔대 60°

그림 36 원뿔대 60° 그림 37 원뿔대 30°

그림 38 원뿔대 45° 그림 39 원기둥

그림 40 사각기둥 그림 41 삼각기둥

　 ^{삼각기둥 사각기둥 원기둥 원뿔대30 원뿔대45 원뿔대60 사각45 사각60 반사판없음}

최대휘도 530 630 500 550 850 2700 530 650 228

　 ^{삼각기둥 사각기둥 원기둥 원뿔대30 원뿔대45 원뿔대60 사각45 사각60 반사판없음} 평균휘도

(5>)

195 155 151 122 368 980 228 335 101

　 ^{삼각기둥 사각기둥 원기둥 원뿔대30 원뿔대45 원뿔대60 사각45 사각60 반사판없음} 평균휘도

(전체)

16 23 22 18 30 138 36 63 9.9

그림 44 전구형 사각뿔대 60°

그림 43 전구형 원뿔대 60°

그림 42 반사판 없음

위의 실험결과를 통해 다음과 같은 사실을 알 수 있다.

전구형 형광등을 사용하는 경우 빛을 집중시키기 위해서는 단면이 원형인 반사판을 사용하는 것이 가장 좋다. 이 경우에 형광등의 밝기가 가장 밝게 나타났으며 가장 밝게 사용할 수 있는 각은 45도에서 90도 사이로 생각된 다. 원뿔대형 60도 반사판은 광선이 중심으로 잘 집중 되는 성질을 이용하 여 가로등이나 무대 조명 등에 사용될 수 있다.

그러나 빛을 넓고 등방적으로 퍼트려야 하는 실내용 조명의 경우 중심휘도 가 높지 않으면서 전체적으로 빛

을 고르게 비춰줄 수 있는 사각 뿔대형 반사판이 적합하다. 흥미 롭게도 사각뿔대의 경우에도 평 균휘도가 가장 높게 나오는 반사 판이 60도의 각도로 45도에서 90 도 사이에 최댓값이 존재한다.

따라서 빛이 45도에서 90도 사이 의 어떤 각에서 최댓값을 가지는 지에 대한 추가적인 탐구가 필요

하다.

2. 전등갓의 모양과 재질에 따른 LED전구의 효율 변화 1) 실험 과정

윗면의 구멍의 유무, 밑면의 모양, 옆면의 곡률, 옆면의 모양, 재질에 따라 다양한 모양으로 전등갓을 제작하였다. 다음은 그 중 일부사진이다.

그림 45 원뿔대 그림 46 사각뿔대 그림 47 삼각뿔대

그림 48 볼록옆면 그림 49 오목옆면 그림 50 모래시계

① 그림과 같이 제작한 전등갓을 LED전구에 씌운 다음, LED전구의 수직 아래 65cm거리에 휘도계를 장치하고, 회로를 구성한다.

② 5분 간격으로 휘도를 60분간 측정한다.

③ 실험이 끝난 다음 얼음으로 LED 전구를 충분히 식힌 다음 ①, ②과정 을 반복한다.

　2) 실험 결과

① 구멍의 유무에 따른 전등갓 ② 밑면의 모양에 따른 전등갓

60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110

0 10 20 30 40 50 60 70

효율(cd/m^2W)

시간(min) 열린 원뿔대 닫힌 원뿔대

0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60 70축제목

원뿔대 사각뿔대 삼각뿔대

③ 옆면의 곡률에 따른 전등갓 ④ 옆면의 모양에 따른 전등갓

0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60 70

효율(cd/m^2*W)

시간(min) 원뿔대 볼록옆면 오목옆면

0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60 70축제목

원뿔대 사각뿔대 삼각뿔대

⑤ 재질에 따른 전등갓

40 50 60 70 80 90 100 110

0 10 20 30 40 50 60 70

효율(cd/m^2*W)

시간(min) 한지 면 나일론

우리는 또한 효율 감소 평균 변화율을 (처음 효율 - 최종 효율)/(평형 시간) 으로 정의하고 전등갓의 모양에 따라 효율감소 평균 변화율를 구하여 보았 더니 다음과 같은 결과를 얻었다.

① 구멍의 유무에 따른 전등갓

원뿔대 사각뿔대 삼각뿔대

효율 감소 평균

변화율(cd/



2.070 1.794 1.885 구멍 없는 것 구멍 있는 것

효율 감소 평균

변화율(cd/



② 밑면의 모양에 따른 전등갓

③ 옆면의 곡률에 따른 전등갓

원뿔대 오목 옆면 볼록 옆면

효율 감소 평균

변화율(cd/



2.070 2.028 2.226

④ 옆면의 모양에 따른 전등갓

원뿔대 뒤집힌 원뿔대 모래시계

효율 감소 평균

변화율(cd/



2.070 1.794 2.424

⑤ 재질에 따른 전등갓

한지 면 나일론

효율 감소 평균

변화율(cd/



2.070 1.818 1.698

3) 결론 및 논의

실험결과를 통해 다음과 같은 사실을 알 수 있다.

구멍이 있는 전등갓의 경우가 구멍이 없는 전등갓보다 효율이 높다. 그 이유는 구멍이 뚫려 있는 전등갓의 경우 LED 전구에서 방출되는 열을 구멍을 통해 빨리 방출하여 전구 주위에 낮은 온도 상태를 유지할 수 있기 때문이다.

원뿔대형의 전등갓이 다른 모양의 전등갓보다 효율이 높다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 전등갓의 윗면을 제작할 때 윗면의 둘레를 같은 길이의 철사로 제작했는데 길이가 같은 도형 중에서는 원의 넓이가 가장 크기 때문에 열을 배출 할 수 있는 구멍의 넓이가 넓기 때문이다.

볼록 옆면의 경우 효율이 가장 높다.

모래시계 모양의 전등갓이 효율이 가장 높다. 그 이유는 모래 시계형은 위로 갈수록 열을 배출 할 수 있는 구멍의 넓이가 넓어지고 아래로 내려갈 수록 빛을 잘 방출 시킬 수 있기 때문이다. 또한 전등갓을 전등에 설치할 때는 심미적인 특징도 중요한데, 모래시계형 전등갓을 설치했을 경우 다른

전등갓 보다 조금 더 세련된 모습을 연출 시킬 수 있어 효율성과 예술성을 모두 갖출 수 있다고 생각된다.

한지로 이루어진 전등갓이 가장 효율이 높다. 그 이유는 한지가 가장 통풍이 잘 되어 열을 잘 발산하기 때문이다.

3. 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 FED 전구의 발광 특성과 효율 1) 실험과정

우리는 먼저 CNT의 손상 정도에 따른 FED의 발광 효율을 비교하기 위하 여 손상되지 않은 소자를 SEM으로 촬영한 후 소자를 진공 챔버 내부에 회로를 만들어 연결한 후 진공을 만든 후 고전압을 공급하면서 그에 따른 휘도와 전류의 값을 측정하였다. 또한 일부 CNT에서 아킹이 일어나서 상태가 고르지 못한 소자를 SEM으로 촬영한 뒤 발광 효율을 측정하고 앞서 실험한 소자와 비교하여 보았다. 다음으로 우리는 CNT파우더를 스핀 코터를 이용하여 코팅하는 방법으로 FED를 제작하여 각각의 휘도와 전류 를 측정하였다. 이 경우, 코팅을 1번 했을 때와 2번 했을 때를 비교하여 보았다.

그림 56 Samples 그림 57 CNT 1 그림 58 아킹이 일어난 CNT

그림 59 CNT 2 그림 60 Sample 1 500배 그림 61 Sample 2 500배

2) 실험결과 및 결론

0 5 10 15 20 25 30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

효율(cd/m^2*W)

전압(kV)

CNT1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

효율(cd/m^2*W)

전압 (kV)

CNT2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0 0.5 1 1.5 2 2.5

효율(cd/m^2*W)

전압(kV)

Sample1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

효율(cd/m^2*W)

전압(kV)

Sample2

위의 실험결과를 통해 다음의 사실을 알 수 있다.

CNT1이 CNT2보다 발광효율이 높은 결과를 보였는데, 그것은 CNT1의 경우 각 CNT 다발간의 높이가 균일했기 때문이다. CNT를 이용한 FED전 구의 경우 CNT간의 높이와 두께 차이가 커지게 되면 효율이 급격히 감소 하며 균일한 휘도의 빛을 공급할 수 없다. 뿐 아니라 CNT 다발이 폭발하는 아킹 현상이 일어나면 효율이 또한 급격하게 감소하게 된다. 따라서 CNT 를 포토리소그래피를 이용하여 균일하게 성장을 시킨 것이 보다 안정적인 발광효율이 나온다.

Sample1과 Sample2의 경우 CNT파우더를 이용한 것이므로 CNT 다발간 의 높이 차이가 불균일하게 발생하여 안정적인 발광효율이 나오지 못하였 다. 따라서 FED 전구가 실제로 상용화되기 위해서는 균일하고 밝은 휘도가 나올 수 있도록 CNT를 가장 적합한 배열로 설치하고, 또한 아킹이 발생하 는 내전압을 증가시키거나 동일 전압에서 낼 수 있는 휘도를 증가시켜야 한다. 무엇보다도 CNT의 길이를 비슷하게 하고, 일정한 배열로 CNT를 제작하는 기술이 필요하다.

□ 시사점

○ 본 연구활동을 통해 에너지 위기 시대를 극복하기 위해 고효율 전구

개발의 중요성을 인식하게 되었다.

○ 현존하는 전구를 사용할 경우에도 반사판과 전등갓의 모양을 개선하 면 전구의 효율을 높일 수 있다.

○ CNT를 이용한 차세대 전구인 FED전구의 동작원리를 학습하였고, 상용화되기 위해 앞으로 필요한 연구과제를 알게 되었다.

4. 홍보 및 사후 활용

○ 본 연구결과를 청소년과학학술지에 투고하고, CNT를 이용한 FED전 구의 발광효율을 높이기 위한 후속연구를 계속할 예정이다.

5. 참고문헌

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[2] Hecht, E. (2000). Physics: Calculus second edition. Brooks/Cole. 물리 학교재발간위원회 역. 물리학. 서울: 청문각(2005). 700-702

[3] 김유신, 최안섭. (2011). 간접 반사형 LED 조명기구의 반사판 형태에 따른 배광형태 및 조명환경 변화 분석. Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, 25(1), 9-17

[4]

http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%98%95%EA%B4%91%EB%93%B1 [5]

http://blog.naver.com/runservice?Redirect=Log&logNo=120171700395 [6] E. Fred. Schubert, Light-Emitting Diodes (Cambridge, New York, 2003).

[7] 신무환, 고출력 LED 패키징 기술의 현황, 물리학과 첨단기술, vol. 17, no. 11, pp. 16-21, 2008.

[8] 박대희, 조명용 LED광원의 기술 동향, 물리학과 첨단기술, vol. 17, no. 11, pp. 30-31, 2008.

[9] http://www.LightEmittingDiodes.org.

[10] 박규창, 배나영. (2010). FED용 에미터 기술 동향. The Korean Information Display Society, 제11권4호, 9-18

[11] 박규창. (2012). Field Emission Display and Lamp Technology. The Korean Information Display Society, 제13권4호, 11-15