LED 조명 - 적합성재평가및경쟁력확보방안 서울산업대학교전기공학과교수 한국조명전기설비학회부회장 장우진
LED Light Emitting Diode 단일색상의빛을발생하는반도체소자 색상을필요로하는신호조명에장점 - 필터불용 정상상태사용시수명은반영구적 과전압과과열에취약 신뢰성있는전원과방열기구사용필수 저전력소비 필요광량을얻기위하여다수의소자필요 2008-12-04 서울산업대조명연구실 2
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환경요소 쾌적한생활공간 공조 조명 음향 미각 < 촉각 < 후각 < 청각 < 시각 정보습득의 80% 이상을시각에의존 2008-12-04 서울산업대조명연구실 4
조명의역할 작업능률의향상 조도기준 쾌적한환경 조명과생체 SAD(seasonal affective disorder) 안전과보안 가로등, 유도등, 보안등 공간의의미와분위기의표현 2008-12-04 서울산업대조명연구실 5
에너지절감??? 필요한일인가? 의식의퇴보 기름값만의문제는아니다. 환경 환경은산업과무역의문제 조명에너지는어떤의미? 가시적-시범사업-체감효과 다양한가능성과큰효과 2008-12-04 서울산업대조명연구실 6
각국의노력 (I) 미국 EPACT 저효율제품의생산, 수입, 판매금지 ASHRAE/IES 90.1 EPA - Energy Star, Green Light, TCLP DOE - LER LRC - NLPIP 조명자격증 - NCQLP 2008-12-04 서울산업대조명연구실 7
각국의노력 (II) 유럽 각국의조명전력허용치 EC 표준의조명기준 형광램프수거및폐기프로그램 고효율조명기기보급 리베이트 RoHS 일본 조명전력허용치 Hf 조명기구 - 리베이트 2008-12-04 서울산업대조명연구실 8
한국의노력 기존시설의개체 GEF, ESCO 고효율제품의개발 조명전력허용치설정연구 고효율제품의선정, 보급 저효율램프생산금지 외국의환경규제에대응 2008-12-04 서울산업대조명연구실 9
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 2008-12-04 서울산업대조명연구실 10
과거의조명에너지절감 한등끄기 확실한효과 부정적영향 기술적퇴보 - 제품의질상승기회없음 시장작고기업영세 - 제조업의 0.375% 조명이호화시설인가? 열악한조명환경 질적인고려없음 고교생 50%, 성인의 1/3 이안경을 2008-12-04 서울산업대조명연구실 11
한등끄기는경제적인가? 조명과생산성 인건비와조명비 조명과안전 가로등의한등끄기 조명과판매, 조명과관광, 조명과경관.. 절대불가 조명은생활에필수적요건 - 물, 공기 2008-12-04 서울산업대조명연구실 12
조명에대한요구사항 이율배반 에너지절감 적절한양적, 질적수준의조명 새로운조명에너지절감방식은? 2008-12-04 서울산업대조명연구실 13
새로운절약패러다임 고효율기기 램프와안정기 조명기구 표준화된설계 정확한계산법 설계용 Software TPO(Time, Place, Occasion) 재실검지, 조도센서, Dimming. 2008-12-04 서울산업대조명연구실 14
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., 2003 2008-12-04 서울산업대조명연구실 15
SSL 기술의급속한변화 LED Chip 지속적개선 열성능개선 제조업체 : 거의매달새로운성능지수발표 지속적인신상품출시 미성숙시장, 제한적이해 2008-12-04 서울산업대조명연구실 16
DOE 의시장진입시나리오 상업적지원 정책요소 CALiPER Testing 기술전시 기술지원 Energy Star 표준화기술지원 기술자료네트워크 시장 고효율 가격경쟁력제품 2008-12-04 서울산업대조명연구실 17
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2.1 빛 파장에따른전자파의분류 우주선-감마선-X선-자외선-( 가시 ) 광선-적외선-전파 380 [nm] 760 [nm] 화학반응 온열효과 살균효과 2008-12-04 서울산업대조명연구실 19
2.1 빛 시감도 555 [nm] 에서 683 [lm/w] 비시감도곡선 2008-12-04 서울산업대조명연구실 20
2.2 측광량과단위 광속 (lumen; lm) 광도 (candela; cd) 조도 (lux; lx) 광속발산도 (radlux; rlx) 휘도 (nit; nt) 효율 (LPW; lm/w) 2008-12-04 서울산업대조명연구실 21
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 2008-12-04 서울산업대조명연구실 22
기구효율 ε% Luminaire efficiency 램프발산광속에대한기구발산광속 최근 LED 광원의효율을정의하면서 기구효율 (Luminaire efficacy) 을새롭게정의 2008-12-04 서울산업대조명연구실 23
기구효율 lm/w Luminaire efficacy 기구입력전력에대한기구출력광속 앞서형광램프와안정기를기구효율 80 % 의등기구에사용한다면결과적인기구효율은 87.9 ⅹ 80 % = 70.32 lm/w LED 를사용한램프는자체로등기구의역할을하는것이대부분이고, 따라서 LED 의효율이기구효율로취급되는경우가대부분 2008-12-04 서울산업대조명연구실 24
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 2008-12-04 서울산업대조명연구실 25
효율에영향을주는요소 색온도 높을수록효율상승 연색성 열 낮을수록효율상승 낮을수록효율, 출력, 수명상승 2008-12-04 서울산업대조명연구실 26
LED 소자의효율 광출력 ( 광속 lumen), 구동전압 V F, 구동전류 I F 를알아야함 LED 효율 LED Efficacy = Lumen Output V F I F 수명또는열적문제로저전류에서구동하는경우가많음 업체에서발표하는값과사용시조건에따른값은차이가남 2008-12-04 서울산업대조명연구실 27
2.3 광원의기초 발광원리 온도방사 대표적광원 일반백열전구크립톤전구 할로겐전구 루미네슨스 기체방전 저압기체방전 고압기체방전 기타 네온사인형광램프 저압나트륨램프무전극형광램프 고압수은램프메탈핼라이드램프 고압나트륨램프무전극 HID 램프 LED EL OLED 2008-12-04 서울산업대조명연구실 28
2.3.1 온도방사 가열에의한물체 ( 고체 ) 의발광 표면온도에따라방사속변화 연속스펙트럼 방사이론에적합한이상적물체 흑체 : 모든파장의방사속을흡수 2008-12-04 서울산업대조명연구실 29
2.3.1 온도방사 필라멘트 고온도유지 방사에너지는온도의 4 승에비례 고온에서증발이적을것 관내벽흑화방지 가공이용이 텅스텐 (W): 융점약 3380 적외방사가대부분 효율이낮다 (~15 lm/w) 2008-12-04 서울산업대조명연구실 30
2.3.2 루미네슨스 온도방사이외의모든발광현상 기저상태의원자에외부에너지 고속전자의충돌, 전자파 원자는여기상태로천이 다시기저상태로복귀 흡수에너지를전자파로방출 특정파장만방출 온도방사에비해고효율 2008-12-04 서울산업대조명연구실 31
2.3.2 루미네슨스 전기 (electric) 방전등 전계 (electro) EL, LED 방사 (photo) 형광체 전자파 음극선 (cathode ray) 형광체 고속전자 생물 (bio) 반딧불이 2008-12-04 서울산업대조명연구실 32
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 3,500 2008-12-04 서울산업대조명연구실 33
2.3.3 광원의색특성 연색성 (Color Rendering) 연색성지수 (CRI: Color Rendering Index, Ra) 인공광원이표준광과얼마나비슷하게물체색을표현할수있는가? 실내에서는 Ra > 70 바람직 광원 Ra 광원 Ra 백열전구 100 3 파장 형광램프 84 이상 메탈 핼라이드 80 이상 고압 나트륨 30 이상 2008-12-04 서울산업대조명연구실 34
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3.1 LED 개요 일반조명용광원으로는비교적신광원 1990 년대후반기존적색, 녹색 + 청색개발 임의색상표출 필터없이원하는색상표출 장수명 고효율화 저렴한운전비용 2008-12-04 서울산업대조명연구실 36
발광원리 여러층으로구성 투명전극 P-형반도체층 활성층 ( 접합부 ) N-형반도체 기판전극 Si, Ge Al, Ga, In N, P, As 2008-12-04 서울산업대조명연구실 37
성냥, 8 mm, 5 mm, 3 mm LED Blue, Green, Red LED 의파장분포 2008-12-04 서울산업대조명연구실 38
LED 의변화 2008-12-04 서울산업대조명연구실 39
LED 의역사 현재색상광원응용전분야적용 백색 LED 도다양한분야적용강조조명, 장식조명, 전시조명 조만간일반조명용광원으로부상 신호등, 전장품, 손전등휴대폰키패드, LCD 의 BLU Spot light, Task light 냉장쇼윈도조명광고판조명 2008-12-04 서울산업대조명연구실 40
일반조명용 LED 광고판, 신호등용과는달리백색LED 사용 현재고출력 LED의효율은약 50 lm/w 최근 159 lm/w 백색 LED 발표-Nichia 20 ma 저출력 2008-12-04 서울산업대조명연구실 41
백색광방사원리 2008-12-04 서울산업대조명연구실 42
백색광방사원리 R, O, Y : AlGaInP 혼합물 G, B : InGaN 혼합물 R+G+B LED B LED + Y Phosphor UV LED + RGB Phosphor 2008-12-04 서울산업대조명연구실 43
3.2 LED 의제특성 저소비전력 작은크기 진동과충격에강합 장수명 고색상효율 자외 / 적외선무방출 렌즈에의한집속광 낮은초기점등실패율 동급램프에비해저발열 2008-12-04 서울산업대조명연구실 44
역전압특성 이전압을넘기면영구파괴 일반다이오드에비하여낮음 5~20 [V] 정도 2008-12-04 서울산업대조명연구실 45
열특성 광출력, 허용전류 접합부온도가상승하면감소 접합부온도 주변온도 LED 전류 방열기 접합부온도를내리기위하여 적절한방열기사용 2008-12-04 서울산업대조명연구실 46
온도가증가함에따라서광출력감소 2008-12-04 서울산업대조명연구실 47
온도변화에따라주파장 (λ peak ) 변화 2008-12-04 서울산업대조명연구실 48
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 2008-12-04 서울산업대조명연구실 49
온도가상승하면수명단축 2008-12-04 서울산업대조명연구실 50
광학특성 방향성광원 본질적으로는확산광원 빛의손실을줄이기위하여패키징단계에서반사경, 렌즈등을사용하여집속광발생 광도는중심에서최대, 주변부로갈수록저감 2008-12-04 서울산업대조명연구실 51
3.3 일반조명용광원개발추이 광원 항목 크기 [W] 색온도 [K] Ra 수명 [hr] 비고 세라믹 MH 25 ~70 3,000 ~4,000 87 ~95 10,000 ~12,000 PAR30, PAR38, T6 MR-16 spot, narrow T5 FL 28, 54 3,000 ~5,000 82 ~85 20,000 5~80 에서 90 % 이상의광출력 무전극 100, 150 3,000 ~5,000 80 60,000-40 에서도점등 2008-12-04 서울산업대조명연구실 52
F/L 둥근형 T10 과 T5 안정기내장형외구부 3W 급캔들형 2 중둥근형 T5 안정기내장형노출형 콤팩트형광램프 2008-12-04 서울산업대조명연구실 53
HID 램프 세라믹메탈핼라이드램프 발광관고온가능 고효율, 고연색 세라믹과할로겐화물반응적음 광색변화감소 발광관치수고정밀도 광색, 전기특성오차적음 기존발광관보다소형 열전도에의한열손실감소 2008-12-04 서울산업대조명연구실 54
무전극형광램프 Philips: QL-Lamp Osram: Endura GE: Genura 2008-12-04 서울산업대조명연구실 55
무전극 HID 램프 (a) 기본구조 (b) 분광출력분포 (c) 도광관을사용한조명시스템 2008-12-04 서울산업대조명연구실 56
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 2008-12-04 서울산업대조명연구실 57
기타 EEFL 외부전극형광램프 장수명 : 50,000 h 무수은 Xe 평판형광램프 Ar-Ne-Xe 15 khz, 10,000 cd/m 2 효율 : 30 lm/w 2008-12-04 서울산업대조명연구실 58
기타 CNT 램프 기본적으로 FED 원리의평면광원 전극소재로 CNT, CNF, CNW 사용 무수은친환경 조광용이 실험실수준에서 10,000 cd/m 2, 60 lm/w 달성발표 ( 나노퍼시픽 ) 2008-12-04 서울산업대조명연구실 59
조명용 LED 개발현황 항목 크기 광속 효율 색온도 제조사 [W] [lm] [lm/w] [K] Lumination 38 45 900 1,440 24 45 6,500 4800 Cree 1.2 1.15 57 80 47 70 2,700~10,000 5,000~10,000 Lamina 5.3 120 23 5,500 Lumileds 1.2 53 (G) 45 (W) 44 38 5,500 2008-12-04 서울산업대조명연구실 60
3.4 백색 LED 의특징 광량 광품질 연색성지수 색온도조절 일관성 2008-12-04 서울산업대조명연구실 61
광량 (Quantity) 광출력은매년 35% 증가 현재 단일 LED: 30~57 [lm] 다중 LED: 1,000 [lm] 정도 800~1,000[lm] 기존광원용도의많은부분대체 전조등과같은방향성광원은이미적용시작 2008-12-04 서울산업대조명연구실 62
광품질 (Quality) 초기백색 LED는침침하며푸른색기운 형광체개선에의해효율및스펙트럼개선 현재 백열전구부근으로색온도하강 3,000 K 온백색 LED 출시됨 2008-12-04 서울산업대조명연구실 63
연색성지수 (Color Rendering Index) CRI, Ra 광품질척도중한가지 동일한색온도의광원을비교해야의미 현재 백색 LED 는 80 대중반에서 90 가까운값 빔각도에따라변화할가능성 해결해야할문제 2008-12-04 서울산업대조명연구실 64
색온도 (Color Temperature) 조절 LED 선택에의하여색온도조절가능 색온도와밝기를독립적으로조절가능 일반할로겐, 백열전구 어둡게하면색온도저하 색온도에관계없이임의의밝기변화가능 2008-12-04 서울산업대조명연구실 65
일관성 (Consistency) 제조공정에따른광색의변화 통분류 (binning 또는 batching) 문제 출력, 전기적특성도변화 적절한구동회로로어느정도해결가능 민감도 색상 > 채도 > 명도 2008-12-04 서울산업대조명연구실 66
3.5 LED 관련규정 ANSI C78.377-2008 : 반도체조명의색상규정 C82.SSL1 : 전원 C82.77-2002 : 고조파방출한계 IESNA TM-16-05 : LED 광원과시스템기술 RP-16-05 : ( 부속서 ) 용어 LM-79-08 : LED 전기, 광학측정법 LM-80 : LED 수명측정법 ( 위원회계류 ) UL Outline of Investigation 2008-12-04 서울산업대조명연구실 67
Scope of Initial Criteria 현시점에서 OLED 배제 백색일반조명용 상업용과주거용 Luminaire Efficacy 두개의범주 Category A: 단기-몇가지제품 Category B: 장기-모든제품에대한성능규격 2008-12-04 서울산업대조명연구실 68
과도적인두개의범주접근방식 급속한기술발전에부응 현재적용가능한방향성조명제품 Category A 장래 (~3 년?) Category A 는모두폐지 Category B 로모두대치 2008-12-04 서울산업대조명연구실 69
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 ) 2008-12-04 서울산업대조명연구실 70
종합요구사항 등기구 상관색온도, 연색성지수, 대기전력, 3 년보증, 열관리 Module/Array 광속감퇴율 (L 70 ) 옥내주거용 25 000 시간 옥외주거용, 상업용 35 000 시간옥외주거용등기구 빌딩부착과 13 W 초과 : 광학제어요구전원장치 역률 주거용 0.7 상업용 0.9 출력주파수 120 Hz 2008-12-04 서울산업대조명연구실 71
Category A: 단기적용 방향성조명제품 LED 자체가방향성광원이므로고효율성잠재 기구손실최소화 피조명과광원이근접위치 상대적으로적당한요구조도 전통적인현재기구효율 60% 2008-12-04 서울산업대조명연구실 72
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 60~90 24 2700~3500 Under-cabinet Shelf Mounted Task 125/lin. ft. - Min. 60% in 0~60 - Min. 25% in 60~90 29 2700~5000 Portable Desk Task Lamp 200 Min. 85% in 0~60 29 2700~5000 Recessed Downlight 구경 4.5 : 345 구경 > 4.5 : 575 Min. 75% in 0~60 35 2700~3500 Outdoor Wallmounted Porch 150 Min. 85% in 0~90 24 - Outdoor Step 50-20 - Outdoor Pathway 100 ( 초기 ) Min. 85% in 0~90 25-2008-12-04 서울산업대조명연구실 73
Category B: 효율기준성능 도전적인요구효율 : 70 lm/w 간단 : 총광속, 구역광속등의요구사항없음 비방향성등기구제품 발효날짜로부터 3 년후에제조사들이요구사항에맞출수있을것으로예상 제조사들의향후목표로작용 2008-12-04 서울산업대조명연구실 74
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 2008-12-04 서울산업대조명연구실 75
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 2008-12-04 서울산업대조명연구실 76
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추세와적용 발표이래수십년간 매년 35% 효율향상 20% 가격하락 매 18~24 개월주기로가격, 성능배가 언제적용해야하는가? 획기적도약점기대? 현재의성능만으로도많은영역에적용가능 광품질, 연색성, 색온도, 효율등 2008-12-04 서울산업대조명연구실 78
발상의전환 SSL 의물리적본성 컴팩트한크기, 열방사미비, 가동부분없음 빛의생산, 조절, 적용방식에변화 표면 ( 벽, 천장, 가구등 ) 자체에직접조립 단순히기존광원영역의대체에서벗어나새로운응용 -Blue Ocean- 창출 2008-12-04 서울산업대조명연구실 79
hlight@snut.ac.kr 2008-12-04 서울산업대조명연구실 80