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LED조명기구와 형광등기구
2015년 2월 1일 (일) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2015년 2월호 - 전체 보기 )

LED조명기구와 형광등기구

최근 백색LED를 광원으로 이용하는 LED조명의 보급이 진전되고 있다. 전구형 LED램프 외에 LED조명기구의 보급도 진전되고 있으며, 제품범위도 경관·연출용 및 다운라이트, 스포트라이트 등 국소 조명에서 베이스 라이트(기본 조명) 기구에 의한 전반 조명으로 확대되는 조짐이 보이기 시작하고 있다. 또한 방범등, 가로등, 도로등과 같은 옥외조명으로의 제품 전개도 이루어지고 있다. 이러한 배경에는 LED의 급속한 성능 향상 및 가격 저하, 조명기구의 실장기술 등 설계기술의 진보가 있어 왔으며, 이에 따라 LED의 발광효율 향상에 관한 기사, 전구형 LED램프 및 LED조명기구의 성능향상에 관한 보도가 끊임없이 이어지고 있는 실정이다. 여기에서는 형광등 기구와의 비교를 통해 LED조명기구의 현황 및 성능에 대해 해설하기로 한다.

번역·정리 김대근 기자

LED의 특징
먼저, LED의 특징에 대해 [표 1]에 일반조명용 LED와 기존 광원과의 비교를 나타냈다. LED조명에 이용하는 LED는 청색LED가 발하는 청색광과 청색광에서 여기(勵起)된 형광체가 발하는 빛을 혼합시켜 백색을 얻는 것이다. 청색LED가 발하는 450~470nm의 청색광과 570nm 전후의 황색광(청색의 보색)을 발하는 형광체를 이용하는 것은 백색광을 가장 쉽게 고효율로 얻을 수 있는 방법이다. 그러나 이 유형의 발광 스펙트럼은 청색LED가 발하는 청색광과 형광체의 발광 피크 파장 사이에 곡간(谷間)이 발생하게 된다. 이 때문에 색의 재현성(연색성)이 떨어진다는 결점이 있으며, 이 타입의 LED 평균 연색 평가수는 Ra=70 정도이다. 고연색성이라고 하려면 적어도 Ra=80 이상이 되어야 하며, 연색성을 개선하기 위해 녹색 및 적색 발광의 형광체 등을 복수 사용하여 곡간(谷間)을 줄인 LED소자도 이용되고 있다. 이 타입의 백색LED는 Ra=95 정도이다. 일반적으로 광원의 발광효율과 연색성은 상반적이지만, LED도 마찬가지이다. 또 LED에서는 그 발광 원리상 상관 색온도가 낮아지면 발광효율이 저하되는 성질이 있으며, [표 1]에 보이는 최대치들의 조합은 실현되지 않는다. [표 1]에 보이는 LED의 발광효율은 LED 패키지의 값이며, 실제로 LED램프 및 LED조명기구로 구성된 경우의 발광효율은 LED의 온도상승에 의한 저하, 직류전원의 손실, 배광을 제어하는 광학계의 손실 등에 의해 저하되기도 한다. 이 외의 LED의 기타 특징에 대해서는 다음과 같다.

① 광원이 소형이기 때문에 소형 또는 박형의 조명기구 설계가 가능하다. 견고하며 내충격성이 뛰어난 기구를 설계할 수 있다. 또 기밀성이 우수하며, 방수에 대한 설계도 비교적 용이하다.

② 반도체이기 때문에 형광램프와 같이 점멸동작에 의한 열화가 없다. 또 직류로 동작하기 때문에 조광이 용이하다.

③ 형광램프에 비해 발광효율의 온도 의존성이 적다. 이 때문에 점등 직후 정격의 밝기를 얻을 수 있어 겨울철, 옥외, 냉장창고, 냉동 쇼케이스 등의 저온 환경하에서도 어두워지지 않는다.

④ 발생되는 빛에는 자외 방사 및 적외 방사가 거의 없다. 이 때문에 회화 및 의복 등의 전시물에 조사(照射)해도 자외 방사로 인한 열화 작용이 적고, 식품 등을 조사하는 경우에 문제가 되는 피조사물(被照射物)의 온도상승이 적다.

⑤ 형광램프와 같이 수은을 포함하고 있지 않아 환경부하가 적다.


조명기구 설계에서는 다음과 같은 배려가 요구되고 있다.

① LED의 수명(광속 유지율)은 LED 패키지의 전류 및 온도에 의존하기 때문에 적절한 방열설계가 중요하다(이 결과로 방열용 히트싱크가 커져 조명기구가 무거워지기 쉽다)

② LED 패키지는 점광원에 가깝기 때문에 휘도가 높다. LED모듈은 LED 패키지를 기판상에 배열하여 실장하기 때문에 광원은 평면상의 복수 점광원이 된다. 따라서 기존의 광원과는 다른 배광제어가 필요하다.

LED 조명의 현재 
[그림 1]은 ㈔일본전구공업회가 발행한 「LED 조명의 적정사용 가이드」에 기재되어 있는 것으로서 LED 조명의 미래를 예측하기 위해 세로축에 램프효율을, 가로축에 램프전력을 놓고 각종 광원의 특성을 비교한 것이다. LED의 실사용 시의 특성이 2009년 실적(실선)과 2012년 예측(점선)으로 표시되어 있다. 전력이 증가함에 따라 램프 효율이 저하되는 것은 전력이 커지면 방열용 히트싱크가 너무 커져버려 실용상 낮은 효율로밖에 사용할 수 없음을 보여주고 있다. [그림 1]에 따르면 LED는 이미 램프효율면에서 백열전구 및 할로겐전구를 뛰어넘고 있다. 그리고 전구형 형광램프를 포함한 콤팩트 형광램프, 백색 형광램프 및 고압 수은 램프의 영역을 넘어서 Hf형광램프의 영역에 근접하고 있음을 알 수가 있다. 한편, 이미 대전력 및 고효율을 달성하고 있는 HID 램프의 일부는 앞으로도 병존 가능성이 크다는 것도 예측할 수 있다. 이 그림은 램프효율만을 비교한 것으로서 광원의 비교에는 연색성, 램프수명, 가격 등 많은 요소들을 고려할 필요가 있다. 또 사람의 감성에 호소하는 요소들도 무시할 수 없으며, 효율면에서 LED로 대체 가능한 영역이라 해도 그 모든 광원이 LED로 전환되는 것도 아니지만 이 그림을 통해 대략적으로 LED 조명의 현재 위치를 조명해볼 수 있다.

 

LED 조명기구와 형광등 기구

다운라이트
현재 LED조명기구에서 가장 보급이 진전되고 있는 것이 바로 이 분야이다. 기존의 광원을 이용한 다운라이트에서는 광원에서의 확산광을 반사판에서 하방으로 배광 제어하고 있기 때문에 기구효율이 저하되기 쉽지만, LED에서는 광원 자체가 하향 배광이 되기 때문에 LED의 특징을 잘 살릴 수 있다. 이것은 백열전구 및 할로겐전구를 이용한 스포트라이트에서도 마찬가지이며, 다운라이트와 함께 LED가 자랑하는 분야이다. 제품화되고 있는 LED 다운라이트에서는 기구광속(기구에서 발하는 전광속)이 백열전구 40W급에서 콤팩트 형광램프 FHT42급까지 커버하고 있으며, 최근에는 소전력에서 중전력 메탈 핼라이드 램프의 영역을 커버하는 것도 등장하고 있다. ([표 2] 참조) 주택용에서는 백열전구 40W~60W 다운라이트의 대체용으로서 4W~7W 정도의 LED 다운라이트가, 시설용에서는 백열전구 100W 및 콤팩트 형광램프 FHT42 다운라이트 대체용으로서 13W~26W 정도의 LED 다운라이트가 제품화되고 있다. 최근에는 FHT42 다등(多燈) 다운라이트 및 중전력 메탈 핼라이드 다운라이트에 상당하는 기구광속을 갖는 67W~80W 정도의 LED 다운라이트도 제품화되어 고천장용 다운라이트로 사용 가능하다. 기구광속을 소비전력에서 제외한 효율에서는 상관 색온도가 5000K, 평균 연색 평가수 Ra=70 정도의 것이면 약 80lm/W, 3000K, Ra=90 정도의 것이면 약 40lm/W이다. 기존의 백열전구(미니 크립톤 전구 포함) 다운라이트와의 비교에서는 80% 정도, 그리고 콤팩트 형광램프를 이용한 다운라이트와의 비교에서는 40% 정도의 에너지 절감을 도모할 수 있다. 초기비용의 상승분은 0~5년 정도에서 상각 가능하다. 배광 특성도 빔각 10°정도의 협각에서 90°정도의 광각인 것까지 있다. 또한 조광제어가 가능한 것도 많아 점점 선택의 폭이 넓어지고 있다. 또 기존의 다운라이트를 LED 다운라이트로 갱신하는 경우의 부재도 준비되어 있다. 최근 주목을 받고 있는 전구형 LED 램프(E26 꼭지쇠 또는 GX53 꼭지쇠) 전용 다운라이트도 제품화되고 있다. LED 최대의 특징인 장수명 특성에서는 거의 모든 제품이 LED 모듈 수명(광원수명)으로 40000h(광속 유지율 70%)를 유지하고 있어 백열전구(1000~2000h) 및 콤팩트 형광램프(6000~13000h)에 비해 현격하게 길며, 보수성 또한 뛰어나다. 현재에 있어서 다운라이트는 우선 LED 다운라이트의 선택을 고려하는 것이 좋을 것으로 사료된다. 조명기구의 선택 시 주의사항은 기존 광원과 가까운 색온도, 연색성이라고 해도 발광 스펙트럼이 다르기 때문에 조명공간의 분위기 및 피조사물의 색깔이 달라지는 경우가 있다는 점이다. LED는 빛의 지향성이 강하기 때문에 보는 방향에 따라 강한 글레어(눈부심)가 없는지에 대해서도 주의가 필요하다. 또 LED 패키지는 얼마간의 불균일함으로 인해 기구마다 밝기 및 광원색에 약간의 차이가 발생하는 경우도 있다. 다운라이트의 LED 모듈은 교환 불가능한 제품이 많으나 보수용으로 교환 가능한 제품도 나와 있다. 또한, 주택에서 사용하는 다운라이트에는 단열시공의 사양이 요구되는데 LED 다운라이트도 기존의 다운라이트와 마찬가지로 단열시공에 대응하고 있는 것과 그렇지 않은 것이 있기 때문에 주의가 필요하다.

 

베이스 라이트
현재 사무실 등의 전반조명에 이용되는 베이스 라이트에는 직관 형광램프 40W형을 이용한 스트레이트 기구와 콤팩트 형광램프를 이용한 스퀘어 기구가 널리 사용되고 있다. 이들에 대체되는 LED 베이스 라이트로는 [표 3]에 보이는 LED 베이스 라이트들이 제품화되어 있다. 연색성은 Ra=70 정도이며, 효율을 중시한 설계의 것들이 대부분이나 고연색성의 조명도 제품화되기 시작했다. FLR 40S 형광등 기구 및 콤팩트 형광등 기구와 비교해 동일한 조도를 얻으면서 25%~35% 정도의 에너지 절감을 실현하고 있다. 많은 제품들이 조광이 가능하며, 각종 조명제어시스템에 의해 에너지 절감을 한층 도모할 수 있게 되었다. 또한 각종 형태의 LED모듈을 갖추어 많은 기종전개를 도모하고 있는 제품군도 있다. 형광램프에서는 직관형(直管形) Hf 형광램프의 효율이 110lm/W에 달하며, 연색성도 Ra=84로 비교적 좋다. 현재의 LED 베이스 라이트에서는 Ra=70 정도의 연색성 제품이 효율 면에서 Hf 형광등 기구와 대항해 왔지만, 고연색의 제품은 아직 부족한 점이 많다. 또 가격면에서도 많은 개선이 필요한 상황이다. 조명기구의 선택 시 주의점으로는 다운라이트와 큰 차이는 없지만, 집무공간이라는 조명의 질이 요구되는 장소에 사용하는 기구이기 때문에 광색(상관 색온도). 연색성, 배광 특성, 글레어(눈부심)가 중요하다. 글레어에 대해서는 LED 베이스 라이트의 발광면이 형광등 기구와 같이 비교적 균일한 휘도가 아니라, LED 점광원을 실제 눈으로 확인할 수 있는 것이 많기 때문에 기구의 선택 시 신중하게 검토할 필요가 있다. 또 연색성에 따라 기구광속이 상당히 달라지기 때문에 조명설계 시 주의가 필요하다. LED 모듈 수명에 대해서는 다운라이트와 마찬가지로 40000h로 하고 있는 제품들이 대부분이나, 1일 점등시간이 길어지기 쉽기 때문에 LED 모듈 및 전원장치의 교환이 가능한 제품이 많아지고 있다.


기타 주의점
여기서 설명한 LED 다운라이트 및 LED 베이스라이트 등은 아직 전기용품 안전법의 적용을 받지 않은 조명기구이기 때문에 전기용품 안전법에 의한 기술기준이 규정되어 있지 않은 실정이다. 이 때문에 제품의 선택에 있어 공인시험기관에 의한 인정 서비스를 받은 제품 및 조명기구 분야에서의 오랜 경험을 지닌 신뢰할 수 있는 제조업체의 제품을 선택하도록 권장하고 있다. LED 조명기구는 광원(LED 모듈) 수명이 길다라는 점이 특징이지만, 조명기구로서의 수명은 기존 형광등 기구와 크게 다르지 않다. 조명설비의 설계에 있어서는 보수 및 기구교환이 가능하도록 하는 배려가 필요하다.

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