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명수 민
5 years ago
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1 LED 조명 - 적합성재평가및경쟁력확보방안 서울산업대학교전기공학과교수 한국조명전기설비학회부회장 장우진

2 LED Light Emitting Diode 단일색상의빛을발생하는반도체소자 색상을필요로하는신호조명에장점 - 필터불용 정상상태사용시수명은반영구적 과전압과과열에취약 신뢰성있는전원과방열기구사용필수 저전력소비 필요광량을얻기위하여다수의소자필요 서울산업대조명연구실 2

3 서울산업대조명연구실 3

4 환경요소 쾌적한생활공간 공조 조명 음향 미각 < 촉각 < 후각 < 청각 < 시각 정보습득의 80% 이상을시각에의존 서울산업대조명연구실 4

5 조명의역할 작업능률의향상 조도기준 쾌적한환경 조명과생체 SAD(seasonal affective disorder) 안전과보안 가로등, 유도등, 보안등 공간의의미와분위기의표현 서울산업대조명연구실 5

6 에너지절감??? 필요한일인가? 의식의퇴보 기름값만의문제는아니다. 환경 환경은산업과무역의문제 조명에너지는어떤의미? 가시적-시범사업-체감효과 다양한가능성과큰효과 서울산업대조명연구실 6

7 각국의노력 (I) 미국 EPACT 저효율제품의생산, 수입, 판매금지 ASHRAE/IES 90.1 EPA - Energy Star, Green Light, TCLP DOE - LER LRC - NLPIP 조명자격증 - NCQLP 서울산업대조명연구실 7

8 각국의노력 (II) 유럽 각국의조명전력허용치 EC 표준의조명기준 형광램프수거및폐기프로그램 고효율조명기기보급 리베이트 RoHS 일본 조명전력허용치 Hf 조명기구 - 리베이트 서울산업대조명연구실 8

9 한국의노력 기존시설의개체 GEF, ESCO 고효율제품의개발 조명전력허용치설정연구 고효율제품의선정, 보급 저효율램프생산금지 외국의환경규제에대응 서울산업대조명연구실 9

10 조명에너지절약효과 조명전력과절전잠재량 우리나라총발전설비 : 약 6,800 만 kw ( 07 년도 ) 조명전력 : 총발전량의약 20% 조명전력 20% 절감 ( 고효율기기사용 ) 6,800 만 x 0.2 x 0.2 = 272 만 kw 원자력발전소 1 기발전용량 : 약 100 만 kw 연간소비전력량 : 약 33 만 GWh ( 06 년도 ) 조명전력량 20% 절감 33 만 GWh x0.2x0.2 x 100 원 /kwh = 1 조 3,200 억원 서울산업대조명연구실 10

11 과거의조명에너지절감 한등끄기 확실한효과 부정적영향 기술적퇴보 - 제품의질상승기회없음 시장작고기업영세 - 제조업의 0.375% 조명이호화시설인가? 열악한조명환경 질적인고려없음 고교생 50%, 성인의 1/3 이안경을 서울산업대조명연구실 11

12 한등끄기는경제적인가? 조명과생산성 인건비와조명비 조명과안전 가로등의한등끄기 조명과판매, 조명과관광, 조명과경관.. 절대불가 조명은생활에필수적요건 - 물, 공기 서울산업대조명연구실 12

13 조명에대한요구사항 이율배반 에너지절감 적절한양적, 질적수준의조명 새로운조명에너지절감방식은? 서울산업대조명연구실 13

14 새로운절약패러다임 고효율기기 램프와안정기 조명기구 표준화된설계 정확한계산법 설계용 Software TPO(Time, Place, Occasion) 재실검지, 조도센서, Dimming 서울산업대조명연구실 14

15 미국내건물에너지소비분석 03 전기소비 2390 TWh 조명 30% 냉방 17% 냉장 11% 난방 10% : : 총 1 차에너지 37.6 quads 난방 27% 조명 21% 온수 14% 냉방 12% : : Building Technology Program Core Databook, Aug., 서울산업대조명연구실 15

16 SSL 기술의급속한변화 LED Chip 지속적개선 열성능개선 제조업체 : 거의매달새로운성능지수발표 지속적인신상품출시 미성숙시장, 제한적이해 서울산업대조명연구실 16

17 DOE 의시장진입시나리오 상업적지원 정책요소 CALiPER Testing 기술전시 기술지원 Energy Star 표준화기술지원 기술자료네트워크 시장 고효율 가격경쟁력제품 서울산업대조명연구실 17

18 서울산업대조명연구실 18

19 2.1 빛 파장에따른전자파의분류 우주선-감마선-X선-자외선-( 가시 ) 광선-적외선-전파 380 [nm] 760 [nm] 화학반응 온열효과 살균효과 서울산업대조명연구실 19

20 2.1 빛 시감도 555 [nm] 에서 683 [lm/w] 비시감도곡선 서울산업대조명연구실 20

21 2.2 측광량과단위 광속 (lumen; lm) 광도 (candela; cd) 조도 (lux; lx) 광속발산도 (radlux; rlx) 휘도 (nit; nt) 효율 (LPW; lm/w) 서울산업대조명연구실 21

22 Efficacy vs. Efficiency 전등효율 η (lm/w) Lamp efficacy 소비전력 P 에대한발산광속 η = F / P 종합효율, 시스템효율 : 소비전력은점등하기위해소요되는전체전력을고려하여야함예 ) 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 서울산업대조명연구실 22

23 기구효율 ε% Luminaire efficiency 램프발산광속에대한기구발산광속 최근 LED 광원의효율을정의하면서 기구효율 (Luminaire efficacy) 을새롭게정의 서울산업대조명연구실 23

24 기구효율 lm/w Luminaire efficacy 기구입력전력에대한기구출력광속 앞서형광램프와안정기를기구효율 80 % 의등기구에사용한다면결과적인기구효율은 87.9 ⅹ 80 % = lm/w LED 를사용한램프는자체로등기구의역할을하는것이대부분이고, 따라서 LED 의효율이기구효율로취급되는경우가대부분 서울산업대조명연구실 24

25 Lamp Efficacy = Rated Lamp Lamp Input Lumens Power System Efficacy = Rated Lamp Lumens BF Ballast / Driver Input Power Luminaire Efficacy = Luminaire Light Output Ballast / Driver Input Power 서울산업대조명연구실 25

26 효율에영향을주는요소 색온도 높을수록효율상승 연색성 열 낮을수록효율상승 낮을수록효율, 출력, 수명상승 서울산업대조명연구실 26

27 LED 소자의효율 광출력 ( 광속 lumen), 구동전압 V F, 구동전류 I F 를알아야함 LED 효율 LED Efficacy = Lumen Output V F I F 수명또는열적문제로저전류에서구동하는경우가많음 업체에서발표하는값과사용시조건에따른값은차이가남 서울산업대조명연구실 27

28 2.3 광원의기초 발광원리 온도방사 대표적광원 일반백열전구크립톤전구 할로겐전구 루미네슨스 기체방전 저압기체방전 고압기체방전 기타 네온사인형광램프 저압나트륨램프무전극형광램프 고압수은램프메탈핼라이드램프 고압나트륨램프무전극 HID 램프 LED EL OLED 서울산업대조명연구실 28

29 2.3.1 온도방사 가열에의한물체 ( 고체 ) 의발광 표면온도에따라방사속변화 연속스펙트럼 방사이론에적합한이상적물체 흑체 : 모든파장의방사속을흡수 서울산업대조명연구실 29

30 2.3.1 온도방사 필라멘트 고온도유지 방사에너지는온도의 4 승에비례 고온에서증발이적을것 관내벽흑화방지 가공이용이 텅스텐 (W): 융점약 3380 적외방사가대부분 효율이낮다 (~15 lm/w) 서울산업대조명연구실 30

31 2.3.2 루미네슨스 온도방사이외의모든발광현상 기저상태의원자에외부에너지 고속전자의충돌, 전자파 원자는여기상태로천이 다시기저상태로복귀 흡수에너지를전자파로방출 특정파장만방출 온도방사에비해고효율 서울산업대조명연구실 31

32 2.3.2 루미네슨스 전기 (electric) 방전등 전계 (electro) EL, LED 방사 (photo) 형광체 전자파 음극선 (cathode ray) 형광체 고속전자 생물 (bio) 반딧불이 서울산업대조명연구실 32

33 2.3.3 광원의색특성 ( 상관 ) 색온도 (Correlated Color Temperature) 광원색과같아보이는흑체의온도 ( 단위 [K]) 색온도가낮을수록따뜻한느낌 3,300 [K] 이하 : 따뜻함 3,300 5,000 [K]: 중간정도 5,000 [K] 이상 : 시원함 광원 색온도 [K] 광원 색온도 [K] 푸른하늘 12,000 촛불 2,000 구름낀하늘 6,500 백열전구 60[W] 2,850 주광색형광램프 6,500 온백색형광램프 3, 서울산업대조명연구실 33

34 2.3.3 광원의색특성 연색성 (Color Rendering) 연색성지수 (CRI: Color Rendering Index, Ra) 인공광원이표준광과얼마나비슷하게물체색을표현할수있는가? 실내에서는 Ra > 70 바람직 광원 Ra 광원 Ra 백열전구 파장 형광램프 84 이상 메탈 핼라이드 80 이상 고압 나트륨 30 이상 서울산업대조명연구실 34

35 서울산업대조명연구실 35

36 3.1 LED 개요 일반조명용광원으로는비교적신광원 1990 년대후반기존적색, 녹색 + 청색개발 임의색상표출 필터없이원하는색상표출 장수명 고효율화 저렴한운전비용 서울산업대조명연구실 36

37 발광원리 여러층으로구성 투명전극 P-형반도체층 활성층 ( 접합부 ) N-형반도체 기판전극 Si, Ge Al, Ga, In N, P, As 서울산업대조명연구실 37

38 성냥, 8 mm, 5 mm, 3 mm LED Blue, Green, Red LED 의파장분포 서울산업대조명연구실 38

39 LED 의변화 서울산업대조명연구실 39

40 LED 의역사 현재색상광원응용전분야적용 백색 LED 도다양한분야적용강조조명, 장식조명, 전시조명 조만간일반조명용광원으로부상 신호등, 전장품, 손전등휴대폰키패드, LCD 의 BLU Spot light, Task light 냉장쇼윈도조명광고판조명 서울산업대조명연구실 40

41 일반조명용 LED 광고판, 신호등용과는달리백색LED 사용 현재고출력 LED의효율은약 50 lm/w 최근 159 lm/w 백색 LED 발표-Nichia 20 ma 저출력 서울산업대조명연구실 41

42 백색광방사원리 서울산업대조명연구실 42

43 백색광방사원리 R, O, Y : AlGaInP 혼합물 G, B : InGaN 혼합물 R+G+B LED B LED + Y Phosphor UV LED + RGB Phosphor 서울산업대조명연구실 43

44 3.2 LED 의제특성 저소비전력 작은크기 진동과충격에강합 장수명 고색상효율 자외 / 적외선무방출 렌즈에의한집속광 낮은초기점등실패율 동급램프에비해저발열 서울산업대조명연구실 44

45 역전압특성 이전압을넘기면영구파괴 일반다이오드에비하여낮음 5~20 [V] 정도 서울산업대조명연구실 45

46 열특성 광출력, 허용전류 접합부온도가상승하면감소 접합부온도 주변온도 LED 전류 방열기 접합부온도를내리기위하여 적절한방열기사용 서울산업대조명연구실 46

47 온도가증가함에따라서광출력감소 서울산업대조명연구실 47

48 온도변화에따라주파장 (λ peak ) 변화 서울산업대조명연구실 48

49 온도가증가함에따라구동전압 VF 감소 백색 LED 는 -2 mv/ 감소특성 접합부온도가상온 25 에서 50 상승한 75 가되면 LED 개당 0.1V 감소하여 5 개직렬회로시 0.5V 전압강하발생 서울산업대조명연구실 49

50 온도가상승하면수명단축 서울산업대조명연구실 50

51 광학특성 방향성광원 본질적으로는확산광원 빛의손실을줄이기위하여패키징단계에서반사경, 렌즈등을사용하여집속광발생 광도는중심에서최대, 주변부로갈수록저감 서울산업대조명연구실 51

52 3.3 일반조명용광원개발추이 광원 항목 크기 [W] 색온도 [K] Ra 수명 [hr] 비고 세라믹 MH 25 ~70 3,000 ~4, ~95 10,000 ~12,000 PAR30, PAR38, T6 MR-16 spot, narrow T5 FL 28, 54 3,000 ~5, ~85 20,000 5~80 에서 90 % 이상의광출력 무전극 100, 150 3,000 ~5, , 에서도점등 서울산업대조명연구실 52

53 F/L 둥근형 T10 과 T5 안정기내장형외구부 3W 급캔들형 2 중둥근형 T5 안정기내장형노출형 콤팩트형광램프 서울산업대조명연구실 53

54 HID 램프 세라믹메탈핼라이드램프 발광관고온가능 고효율, 고연색 세라믹과할로겐화물반응적음 광색변화감소 발광관치수고정밀도 광색, 전기특성오차적음 기존발광관보다소형 열전도에의한열손실감소 서울산업대조명연구실 54

55 무전극형광램프 Philips: QL-Lamp Osram: Endura GE: Genura 서울산업대조명연구실 55

56 무전극 HID 램프 (a) 기본구조 (b) 분광출력분포 (c) 도광관을사용한조명시스템 서울산업대조명연구실 56

57 EL 램프 1936 년개발 초박형, 자유형상 수명 : 무기 10,000 h 유기 ~5,000 h * 최근 OLED 라호칭 ~1,000 cd/m 2 15 lm/w 서울산업대조명연구실 57

58 기타 EEFL 외부전극형광램프 장수명 : 50,000 h 무수은 Xe 평판형광램프 Ar-Ne-Xe 15 khz, 10,000 cd/m 2 효율 : 30 lm/w 서울산업대조명연구실 58

59 기타 CNT 램프 기본적으로 FED 원리의평면광원 전극소재로 CNT, CNF, CNW 사용 무수은친환경 조광용이 실험실수준에서 10,000 cd/m 2, 60 lm/w 달성발표 ( 나노퍼시픽 ) 서울산업대조명연구실 59

60 조명용 LED 개발현황 항목 크기 광속 효율 색온도 제조사 [W] [lm] [lm/w] [K] Lumination , , Cree ,700~10,000 5,000~10,000 Lamina ,500 Lumileds (G) 45 (W) , 서울산업대조명연구실 60

61 3.4 백색 LED 의특징 광량 광품질 연색성지수 색온도조절 일관성 서울산업대조명연구실 61

62 광량 (Quantity) 광출력은매년 35% 증가 현재 단일 LED: 30~57 [lm] 다중 LED: 1,000 [lm] 정도 800~1,000[lm] 기존광원용도의많은부분대체 전조등과같은방향성광원은이미적용시작 서울산업대조명연구실 62

63 광품질 (Quality) 초기백색 LED는침침하며푸른색기운 형광체개선에의해효율및스펙트럼개선 현재 백열전구부근으로색온도하강 3,000 K 온백색 LED 출시됨 서울산업대조명연구실 63

64 연색성지수 (Color Rendering Index) CRI, Ra 광품질척도중한가지 동일한색온도의광원을비교해야의미 현재 백색 LED 는 80 대중반에서 90 가까운값 빔각도에따라변화할가능성 해결해야할문제 서울산업대조명연구실 64

65 색온도 (Color Temperature) 조절 LED 선택에의하여색온도조절가능 색온도와밝기를독립적으로조절가능 일반할로겐, 백열전구 어둡게하면색온도저하 색온도에관계없이임의의밝기변화가능 서울산업대조명연구실 65

66 일관성 (Consistency) 제조공정에따른광색의변화 통분류 (binning 또는 batching) 문제 출력, 전기적특성도변화 적절한구동회로로어느정도해결가능 민감도 색상 > 채도 > 명도 서울산업대조명연구실 66

67 3.5 LED 관련규정 ANSI C : 반도체조명의색상규정 C82.SSL1 : 전원 C : 고조파방출한계 IESNA TM : LED 광원과시스템기술 RP : ( 부속서 ) 용어 LM : LED 전기, 광학측정법 LM-80 : LED 수명측정법 ( 위원회계류 ) UL Outline of Investigation 서울산업대조명연구실 67

68 Scope of Initial Criteria 현시점에서 OLED 배제 백색일반조명용 상업용과주거용 Luminaire Efficacy 두개의범주 Category A: 단기-몇가지제품 Category B: 장기-모든제품에대한성능규격 서울산업대조명연구실 68

69 과도적인두개의범주접근방식 급속한기술발전에부응 현재적용가능한방향성조명제품 Category A 장래 (~3 년?) Category A 는모두폐지 Category B 로모두대치 서울산업대조명연구실 69

70 Category A: 종합접근 최소기구효율제정 형광등 benchmark 현재의 ENERGY STAR 조명기준에부합 적용가능한 IES 기준사용 Handbook, RP-33-99, 등등 ASHRAE/IESNA 90.1 의 CFL 시스템효율사용 58.8 lm/w 50 lm/w ( 저와트제품, ENERGY STAR 최소값 ) 서울산업대조명연구실 70

71 종합요구사항 등기구 상관색온도, 연색성지수, 대기전력, 3 년보증, 열관리 Module/Array 광속감퇴율 (L 70 ) 옥내주거용 시간 옥외주거용, 상업용 시간옥외주거용등기구 빌딩부착과 13 W 초과 : 광학제어요구전원장치 역률 주거용 0.7 상업용 0.9 출력주파수 120 Hz 서울산업대조명연구실 71

72 Category A: 단기적용 방향성조명제품 LED 자체가방향성광원이므로고효율성잠재 기구손실최소화 피조명과광원이근접위치 상대적으로적당한요구조도 전통적인현재기구효율 60% 서울산업대조명연구실 72

73 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~ ~3500 Under-cabinet Shelf Mounted Task 125/lin. ft. - Min. 60% in 0~60 - Min. 25% in 60~ ~5000 Portable Desk Task Lamp 200 Min. 85% in 0~ ~5000 Recessed Downlight 구경 4.5 : 345 구경 > 4.5 : 575 Min. 75% in 0~ ~3500 Outdoor Wallmounted Porch 150 Min. 85% in 0~ Outdoor Step Outdoor Pathway 100 ( 초기 ) Min. 85% in 0~ 서울산업대조명연구실 73

74 Category B: 효율기준성능 도전적인요구효율 : 70 lm/w 간단 : 총광속, 구역광속등의요구사항없음 비방향성등기구제품 발효날짜로부터 3 년후에제조사들이요구사항에맞출수있을것으로예상 제조사들의향후목표로작용 서울산업대조명연구실 74

75 In Situ 시험요구사항 수명 ( 광속괌퇴율 ) 은실제상황 (In Situ) 의온도에따라결정된다 Module, Array, Light Engine 전원장치 / Driver UL 1598 에서와같이시험이동시에진행됨 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 서울산업대조명연구실 75

76 향후진행방향 DOE 는다음사항들도 Category A 에포함시킬것을고려중 Street and area lighting Parking garage lighting Cove lighting Ceiling fan ligt kits Replacement lamp applications Display and accent lighting Wall-wash applications 기술발전과보조를맞추어서진행 서울산업대조명연구실 76

77 서울산업대조명연구실 77

78 추세와적용 발표이래수십년간 매년 35% 효율향상 20% 가격하락 매 18~24 개월주기로가격, 성능배가 언제적용해야하는가? 획기적도약점기대? 현재의성능만으로도많은영역에적용가능 광품질, 연색성, 색온도, 효율등 서울산업대조명연구실 78

79 발상의전환 SSL 의물리적본성 컴팩트한크기, 열방사미비, 가동부분없음 빛의생산, 조절, 적용방식에변화 표면 ( 벽, 천장, 가구등 ) 자체에직접조립 단순히기존광원영역의대체에서벗어나새로운응용 -Blue Ocean- 창출 서울산업대조명연구실 79

80 서울산업대조명연구실 80

백색 LED를 사용한 조명용 광원의 설계 및 분석

백색 LED를 사용한 조명용 광원의 설계 및 분석 1879 년백열등 1938 년형광램프 1964 년 HID 램프 1990 년대초 ( 신광원 ) 무전극방전램프 LED 램프 에너지절약기술개발활성화대두 Solid-State Lighting 고효율, 장수명, 고연색성, 에너지및자원절약 쾌적성, 안전성, 지구환경보호, 다양한색가변가능 1000 0.3 x CIE 비시감도곡선 (CIE) 발광효율