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[빛의 향연, LED 조명 ③] 발광다이오드(LED)의 효율 향상 기술의 변천
2011년 7월 12일 (화) 11:35:28 |   지면 발행 ( 2011년 6월호 - 전체 보기 )



조명은 현대 생활이나 주거에 꼭 필요한 존재로 자리 잡았다. 그러나 그런 조명이 한편으로 지구 환경에 막대한 영향을 미치고 있음을 잊어서는 안 된다. 현재 일본 내에서 1년간 소비하는 전력량 약 9500억㎾h/년 중 조명이 차지하는 비율은 약 13%다. CO₂배출량으로 환산하면 무려 4800만t/년에 해당하는 전력이다. 조명 분야의 에너지절약이 저탄소 사회를 실현하는 데 얼마나 큰 역할을 담당하는지 알 수 있다. 일본 경제산업성의 시산에 따르면, 백열전구(일반 소비용 램프로 소비하는 전력량의 약 9.6%)와 형광램프(일반 소비용 램프로 소비하는 전력량의 약 73.1%)를 모두 150lm/W의 차세대 고효율 조명으로 전환할 경우, 총 소비 전력은 약 1/2로 줄어드는 것으로 추정된다(<Cool Earth-에너지 혁신 기술 계획>, 2009년 3월).


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조명 분야에서는 에너지 절약을 위해, 본고에서 논할 LED(Light Emitting Diode)와 같은 고효율 광원의 개발뿐만 아니라 조명 기구의 개량, 조명조절 제어, 자연광 이용, 인간의 심리적 · 시각적 효과 이용 등 다양한 방안을 모색 중이다. 이러한 가운데 특히 LED를 주목하는 데는 크게 두 가지 이유가 있다.
첫째, LED 발광 효율의 눈에 띄는 진보다. 효율이 높은 광원은 같은 밝기를 얻는 데 적은 전력을 필요로 한다. 최근 LED 기술은 놀랄 만큼 발전했다.
새로운 기술의 잇따른 개발로 현재 150lm/W를 초과하는 고효율 제품도 등장했으며, 다른 백색 광원을 능가하는 수준에까지 이르렀다.
둘째, LED가 반도체를 사용한 고체 광원(Solid State Lighting)이라는 점이다. 알다시피 백열전구는 적열한 필라멘트에서 방사된 열선을 이용하는 방식이며, 형광램프는 가스 방전을 이용하는 방식이다. 반도체인 LED는 흘린 전류를 내부에 형성한 p-n 접합부에서 직접광으로 변환이 가능하다.
고체 광원인 LED는 긴 수명, 소형 · 경량, 온도 안정성 등 여러 우수한 특징을 갖추고 있다(<표 1>참조). 최근에는 이러한 LED의 특징을 살린 조명이 다양한 상품으로 출시돼 공공시설뿐 아니라 일반 가정에도 LED 조명이 확대되는 추세다. <그림1>은 LED 소자와 제품의 구체적 형태를 나타낸 것이며, <그림 2>는 LED 조명의 실용 사례다.

고효율 LED의 종류와 효율
LED의 발광색은 사용하는 반도체의 종류, 조성, 구조로 정해지며, 발광층의 밴드 갭 Eg[eV]가 발광파장에 해당한다. 현재로는 파랑, 청록, 초록, 노랑, 주황, 빨강 등 각 색에서 효율이 높은 LED를 실현한다(<그림 3> 참조).
LED의 종류가 늘어남에 따라 응용 범위도 확대했다. RGB(적 · 녹 · 청)의 3원색을 이용한 풀 컬러디스플레이, 청록 · 주황 · 빨강의 LED 신호등기, 크리스마스를 장식하는 일루미네이션, 조명용 LED전구 등 다방면에 걸쳐 있다.
LED를 조명에 채용하는 동기는 여러 가지겠지만, 역시 첫째는 발광 효율이다. 같은 광속(밝기)을 보다 적은 소비 전력으로 얻을 수 있으므로 당연히 운전 비용도 저렴해진다. 특히 지금까지 백열전구처럼 효율이 낮고 광속도 작은 광원을 사용해 온 분야라면 백색 LED로의 전환으로 소비 전력을 크게 낮출 수 있다. 대표적인 예로 유도등, 독서등, 신호등, 회중전등, 자동차 램프 등이 있다.
<표 2>는 LED 전구, 전구형 형광램프, 백열전구를 비교한 것이다. 소비 전력, 효율, 수명 면에서 현격하게 우수한 것이 LED 전구의 특징이다. 전체 광속 면에서는 다소 뒤떨어지지만, 지향성이 강하고 빛을 유효하게 이용할 수 있어 실용적 밝기는 다른 것과 비교해도 손색이 없다. 최신 LED 전구는 내부에 편입된 광원부(라이트 엔진)의 성능 증진 덕분에 작은 광원 사이즈로 큰 광속을 내게 됐다. 그 결과, 전력 절약은 물론 형태도 소형화 · 경량화돼 외관과 편리성이 한층 좋아졌다.


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백색 LED의 고효율화 기술
LED에는 많은 종류가 있으나, 여기서는 조명용으로 널리 사용하는 백색 LED에 한해 최신 기술동향을 설명한다.
백색광은 여러 색깔의 빛을 합성(혼색)해 얻은 빛으로, 다양한 빛 배합을 생각할 수 있다. 발광 재료의 배합 방법도 한 가지만 있는 게 아니다. 현재 시판 중인 것 가운데 가장 대표적인 것이 InGaN(Indium Gallium Nitride) 청색 LED 칩과 YAG(Yttrium Aluminum Garnet) 형광체의 조합물이다. 그 외에도 형광체를 근자외선 LED로 여기勵起하는 방식, 발광색이 여럿인 LED 칩의 빛을 혼합하는 방식 등이 있다. 대표로 InGaN/YAG 백색 LED의 발광 원리와 효율을 소개한다.
InGaN/YAG 백색 LED의 발광 원리는 YAG 형광체에 의한 파장 변환이며, LED 칩이 발하는 청색광으로 칩 주위에 코팅된 형광체층이 여기돼 황색 형광을 발한다. 청색과 황색, 두 색의 빛을 서로 더해 백색광을 얻는 것이다(<그림 4> 참조). <그림 5>는 발광 스펙트럼으로, 비교를 위해 다른 백색 광원의 스펙트럼도 함께 표시했다.
처음 이 구조가 발표된 1996년 당시 효율은 5lm/W 정도에 불과했으나, 그 후 새로운 요소 기술을 계속 개발해 효율은 눈부시게 향상했다(<그림 6> 참조). 최신 제품 중에는 일반 조명용 백색 광원 가운데 가장 높은 효율인 160lm/W에 도달한 것도 있다. 연구실 실험에서는 200lm/W에 육박하는 것도 보고된 바 있다. 1996년과 비교하면 수십 년 만에 30배 이상의 효율 향상과 전력 절약을 달성한 셈이다.

백색 LED의 발광 효율(Luminous Efficacy of a Source) ην는 청색 LED 칩의 효율, 형광체층 효율, 패키지의 광 추출 효율에 따라 정해진다. 광원인 LED 칩과 형광체가 모두 내부에 있기에 양쪽 효율을 더한 형태로 효율이 정해진다. 상세 식은 다음과 같다.

현재도 발광 효율을 더욱 향상시키고자 다음과 같은 다양한 접근이 이뤄지고 있다.

여기서 발광 효율의 이론 한계에 대해서도 언급하고자 한다.
백색 LED(5600K), 삼파장 형광램프(5000K), 백열전구(2856K) 등 세 종류의 광원에 대해 발광 스펙트럼에서 발광 효율의 이론 한계를 계산하면 각각 320, 325, 154lm/W가 산출된다. 백색 LED는 백색화에 형광체를 이용하는 방식이라서, 원리적으로 파장 변환의 손실(Stokes Loss)을 피할 수 없다. 이 손실분, 즉 여기원의 청색광과 청색광이 형광체로 파장 변환돼 나오는 황색광과의 에너지 차이를 고려하면 계산한 값보다 다소 적은 270lm/W정도가 현실적인 한계일 것이다. 현재 시판 중인 제품의 기량이 약 100~160lm/W 수준이므로, 아직 이론 한계의 1/2 정도다. 현재도 개발이 일진월보日進月步로 나아가고 있으므로 효율이 개선될 여지는 여전히 남아 있다.
한편, 형광램프나 백열전구는 현재 시판 수준으로 각각 100, 15lm/W 정도이므로, 이쪽도 아직 이론한계와는 상당한 차이가 있다. 그러나 이 효율이 그 동안 상당히 긴 시간 기술 개발을 통해 도달한 것이라 생각하면 향후 큰 진전을 기대하기란 어려울 것으로 보인다.
<그림 7>은 효율 160lm/W(색온도 5600K)의 백색 LED와 형광램프, 백열전구, HID 램프에 대해 투입한 전력이 빛이나 열로 에너지 변환할 경우를 비교한 것이다. 백색 LED의 경우 빛 성분의 거의 대부분이 가시 영역에 있어 백색 LED의 가시광선 변환 효율은 50%로 높다. 이는 형광램프 25%나 HID 램프 24%의 2배, 백열전구 10%의 5배에 이르는 값이다. 또한 가시 영역 이외의 자외선이나 적외선 성분은 극히 작아 무시할 수 있다.

백색 LED의 기술 로드맵
<그림 8>은 백색 LED가 개발된 당시부터 최근에 이르기까지 기술 변천을 정리한 것이다. 백색 LED의 용도가 조명 분야와 액정 디스플레이로 넓어짐에 따라 발광 효율뿐만 아니라 색 특성이나 광속도 꽤 중요해졌다.
특히 최근 들어 형광체를 개량해 연색성이나 색재현성을 향상시킨 제품이나, 큰 전력 투입이 가능한 파워 LED의 개발이 활발하다.
조명용에서 행해지는 연색성 개선은 YAG 형광체의 스펙트럼을 보완하는 적색 질화물계의 형광체([예] CASN, CaSiAlN₃: EU) 개발로 이뤄지고 있다. 액정용 백라이트로는 붉은 성분 외에도 녹색성분이 중요해서 컬러 필터 특성에 맞춰 반치半値폭이 좁은 스펙트럼을 원한다([예] β-SiALON, (Si, Al)6 (O, N)8 : EU).
파워 LED에서는 1~10W의 큰 전력 투입이 가능한 패키지를 만들어 LED 1개로 400~700lm이나 되는 40~60W 백열전구 수준의 광속을 지닌 제품도 등장했다.

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본고에서는 차세대 에너지 절약 광원으로 기대를 모으는 LED에 대해 최신 기술 진보, 특히 백색 LED의 고효율화 기술을 소개했다.
조명 분야에서 이뤄지는 에너지 절약은 CO₂절감에 큰 역할을 한다. 현재 LED를 사용한 새로운 광원과 조명 기구의 개발이 각 분야에서 급속히 진척 중이다. 단순히 기존 조명의 광원을 LED로 바꾸는 것뿐만 아니라, 향후 LED의 특징을 살려 새로운 시점으로 조명 그 자체를 재조명하는 일도 필요하다. LED가 조명 분야에서 새로운 가능성을 여는 개척자가 되도록 LED 기술 진보에 더욱 매진해야 한다.

정리 전화영 기자

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태그 : 빛의 향연 LED 조명
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