LED조명장치는 자동차분야, 항공, 디스플레이, 전송장치 그리고 특수조명등의 응용장치로의 활용이 증가하고 있다. 일반적으로 고출력 RGB 멀티칩 LED는 표시용이나 경관조명용 또는 감성조명용으로 적용되고 백색 LED는 표시용 조명에서 최근 들어 일반조명용으로 적용되고 있으며, 고출력 백색 LED의 출시와 광효율의 증가는 이를 더욱 가속화하고 있다. 본 논문에서는 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치를 동일한 사양으로 제작하여 물리적, 전기적, 광학적 조명특성을 분석하여 향후 LED조명시스템의 제작에 정량적 데이터를 제공하고자 한다. 이를 위해 LED의 주요한 물리적 특성인 방열특성에 대한 성능분석, 전기적 특성의 분석을 위한 전력 및 드라이브 효율에 대한 성능분석을 수행하였고 조명특성을 위한 연색성, 배광특성, 광효율을 측정하였다. 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치를 활용한 응용장치의 적용방법을 확립하고 나아가 다양한 조명시스템에 LED 조명장치를 적용하는데 참고가 되는 기초 데이터를 제시하고자 한다.
LED 조명 전문가에게 LED 조명 발전 방향을 물었다. 국내 LED 기술동향은 어떠한지, 新성장 동력산업으로써의 성장가치, 국내 기업들의 LED 개발현황과 친환경 고효율 LED조명엔진 개발현황에 대해, 그리고 LED 조명시스템 발전을 위해 연구되어야 할 과제에는 무엇이 있는지. 한국조명연구원 연구사업부 이세현 팀장과 나눈 이야기가 시작된다.
본 연구의 목적은 형광등조명기구와 LED 조명기구와의 물리적 특성을 비교하여 LED조명기구의 기본적인 특성을 분석하는데 있다. 여기서 두가지 조명기구의 균제도 및 휘도분포 측면에서 비교 분석하여 LED조명기구를 건축실내공간에 적용하기 위한 자료를 작성하였다. 연구는 4단계로 나누어 진행하였다. 첫째, 기존의 조명기구와 비교한 LED조명광원의 이론적인 검토를 하였다. 둘째, 연구의 목적에 부합되도록 실험변인을 조절할 수 있는 실물대모형(Mock-up)을 제작하였다. 셋째, 설치된 실물대의형을 이용하여 조명기구별 균제도 휘도분포를 측정하였다. 최종적으로, 기존의 형광등기구와 LED조명기구간의 균제도 휘도분포 특성을 비교분석하였다. 연구결과 LED조명기구가 균제도 0.569로 기존 형광등조명기구의 균제도 0.522보다 높아 균일한 조도분포 특성을 보이고 전반확산이 양호한 것으로 나타났다. 또한 휘도분포를 측정한 결과 LED조명기구가 보다 균일한 휘도분포 특성을 보였고, 벽면의 휘도분포는 형광등조명기구에 의한 최대휘도가 $180.6[cd/m^2]$, LED조명기구는 $155.26[cd/m^2]$로 형광등이 높고, 평균휘도는 형광등조명기구가 $44.32[cd/m^2]$, LED조명기구가 $58.65[cd/m^2]$로 LED조명기구가 높게 나타났다. 이상의 결과로 볼 때, LED조명기구가 형광등조명기구보다 재실자에게 보다 쾌적한 작업환경을 구성할 수 있는 조명이라 판단된다.
본 논문은 LED 조명 환경에서 LED 조명 제어보드를 구성하고자 하였다. LED 조명 제어보드는 주변 밝기의 변화에 따라 LED 조명의 밝기를 제어하도록 하였으며, 본 논문에서 구성된 LED 조명 제어보드는 8bit 마이크로컨트롤러인 ATmega128을 사용하여 제어 하도록 구성 하였다. LED 제어는 주변 밝기에 따른 CdS 출력값을 입력받아 ADC값을 결정하며, 결정된 ADC값은 LED 드라이버로 입력할 PWM 파형을 결정하게 된다. 이렇게 결정된 PWM 파형에 의해서 LED 조명의 밝기 제어가 가능하도록 하였다.
LED 광원이 일반 조명용으로서 실내조명의 적용도가 증가하면서, LED에 대한 환경적합성 평가의 필요성이 점차 증가하고 있다. 이러한 평가는 LED 조명에서 일반적으로 거론되어지는 광량이나 글레어 발생문제 외에도 조명의 분광분포 특성에 의해 발생하는 색의 보임 차이나 분위기의 변화 등 여러 가지 측면에서 또한 이루어져야 한다. 본 논문에서는 기존광원과 LED 광원간의 색보임의 차이를 위한 실험실을 구축하고 기존 조명과 LED간의 색차를 평가, 분석하였다.
최근 에너지 절감과 환경 문제에 대한 관심이 커지면서 친환경적이고 에너지 효율이 높은 LED에 대한 관심이 대두되고 있으며, 국가 저탄소 녹색성장에 맞는 신성장동력산업의 하나로 LED가 선정되어 적극적으로 육성되고 있다. LED를 활용한 조명등은 현재까지 활발한 연구개발이 진행되었으며 백열전구를 능가하는 조명 효율을 확보하여 조명 광원으로서 이용되고 있다. 그런데 선박용 조명등의 경우에는 아직 관련 기술개발이 초기단계에 머물러있어 대부분의 선박들이 기존의 백열등 및 형광등과 같은 조명등을 사용하고 있다. 이러한 유리 조명등은 고소비전력과 제한된 수명에 따른 높은 유지비 및 제품 누수나 파손 등과 같은 안전성의 문제가 있다. 이에 따라 장기적인 관점에서 선박용 LED 조명 등에 대한 기술 개발이 필요할 것으로 보이며 기술 개발을 저해하는 요소인 방열, 가격 등에 대한 추가적인 기술개발이 뒷받침 되어야 할 것으로 보인다. 한국생산기술연구원에서는 부산광역시 지원사업의 일환으로 선박용 LED 조명등을 개발하고 있으며, 체계적인 연구를 위하여 선박용 LED 조명등의 요소기술에 대한 연구동향과 기술특성을 분석하고 있다. 본 논문에서는 선박용 LED 조명등 개발에서 요구되는 요소기술에 대한 기술개발동향을 살펴보고자 한다. 고효율의 선박용 LED 조명등 개발에 필요한 요소기술로는 방열, SMPS, 광학, 제품 내진동, 제품 방수 등의 설계 및 제작기술이 있다. 이러한 요소기술을 알아보고 선박용 LED 조명등 개발의 방향을 제시하고자 한다.
현재 조명용 LED 광원모듈의 세계시장규모는 약 200억불로 Osram, GE, Philips 등의 다국적기업이 시장의 70-80%를 독점하고 있으며, 국내업체는 기술력 부족 등으로 세계 시장진입을 못하고 있는 실정이다. 국내시장 규모는 약 6,000억원 규모로 약 80%이상을 Osram, GE, Philips 등으로부터 수입하고 있는 실정이다. 특히, 백색조명용 LED 광원모듈은 세계적으로 기술개발 단계이거나 시장진입 초기로서 동 개발제품의 기술을 국내업체가 이전해 온다면 반도체 조명시장 조기진입 및 세계시장 선점에도 크게 기여 할 것으로 예상된다. 우리나라에서도 차기 LED조명시장을 염두에 두고 한국광기술원을 중심으로 연구에 박차를 가하고 있다. LED/반도체조명연구사업부가 개발한 2,500 루멘급 백색조명용 LED 광원모듈 시제품의 개발 성공은 백색조명용 LED 광원모듈의 핵심 원천기술 확보에 한발 더 나아가 결과이며, 시제품 개발결과가 조명제품으로 이어진다면 2010년에는 3,000억원의 무역역조가 개선될 것으로 전망하고 있다. 또한, 국내 최초로 개발된 3mW급 380nm UV(자외선) LED는 위폐감지기, 살균기 등 의료.환경.바이오산업 등에 적용 가능하며, 조명용 백색 LED 제작을 위한 펌핑광원으로 활용이 가능하다. 아울러 20mW 급 380nm UV LED 개발이 완료되는 2008년에는 반도체조명산업과 의료/환경산업 등에 활용되어 약 연 10억불 이상의 수입대체 효과를 가져 올 수 있을 것으로 예상된다. 한국광기술원 LED/반도체조명연구사업부는 다양한 LED 광원모듈의 연구개발을 통해 원천기술을 확보하고 LED광원 모듈의 국산화에 일익을 담당하고 있다.
LED 조명은 IT융합 시대로의 진화에 따라 단순조명에서 인간중심화 및 다기능화 시스템 조명으로 발전하였다. 이로 인하여, 다양한 센서기능, 통신기능 등의 IT기술과 응용소프트웨어와의 융합을 통하여 사용 환경 변화에 따른 조명 제어로 에너지가 절감되고 빛의 세기와 색 조절 등 다양한 사용자 중심의 맞춤형 조명이 요구 되고 있다. 이러한 지능화된 시스템 조명을 위해서는 사용자 중심의 센서 적용 및 제어가 가능해야한다. 따라서 본 논문에서는 LED 조명관제를 위한 유무선 통신 플랫폼 및 관제시스템을 제안하고자 한다. LED 조명 관제 시스템은 Bluetooth 매쉬 네트워크를 통해 데이터를 송수신하며, LED 조명 제어, LED 조명 상태 모니터링, 에너지 사용량 모니터링, 에너지 피크점 관리 등의 기능을 제공한다. 제안한 유무선 통신 플렛폼과 관제시스템을 통해 LED 조명의 수명 연장 및 에너지 절약 등이 가능할 것으로 기대된다.
최근 에너지 절감과 친환경 정책에 따라 LED조명에 대한 관심이 높아지면서 방송제작 현장에서도 LED조명의 활용이 많아지고 있다. 방송조명은 출연자의 인물을 사실적으로 재현하고, 영상의 전체적인 분위기와 느낌을 자연스럽고 감성적으로 표현하는 것이 중요하다. 특히 TV 스튜디오에서 요구되는 LED조명의 중요한 광원 특성은 연색성, 색온도, 조도의 평탄도, 색공간 균일성 등이다. 이에 본 논문은 방송현장에서 요구하는 광원특성을 기초로 제정된 TTA(한국정보통신기술협회)의 "방송용 LED조명 인증기준"에 따라서 기존의 할로겐 조명 및 국내 외 제조사별 LED조명 기구의 특성을 측정하여 비교분석 하였다.
수은이 함유된 방전등과 같은 조명기구의 사용이 제한되는 특수구역의 산업용 조명설비로 200 W 이상의 높은 소비전력의 백열등기구들이 사용되고 있다. 인공광원으로 백열전구는 매우 낮은 발광효율로 전력소모가 많고, 높은 방사열로 인해 화재의 염려가 있어 램프보호유리구를 장착하므로 낮은 조명률로 광 손실이 높게 발생한다. 또한 산업지역 내에서는 일반적으로 각종 전동기 및 공기조화 설비의 가동으로 진동이 심하며 여기에 백열전구 사용 시 당초 예상되는 수명보다 더욱 단축되고 있다. 이러한 지역에 설치된 백열등을 조명등기구 효율(Luminaire Efficacy)이 높은 친환경 에너지 절감형 차세대 광원인 LED조명등으로 대체하여 산업설비 지역 내 공급되는 조명용 소비전력을 크게 줄여 에너지 절약효과를 높임과 동시에 양호한 조명율의 LED광원을 사용함으로써 조명환경 개선에 따른 작업능률을 높이기 위해 특수지역의 산업용 LED조명등을 개발하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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