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LED 조명

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LED 조명
에디슨 나사를 사용하는 LED 전구
종류전광
발명자
  • 하워드 C. 보든
  • 제럴드 P. 피기니
시작1968년(58년 전)(1968)
E27 베이스를 갖춘 230볼트 LED 필라멘트 램프. 8개의 노란색 수직선 형태로 필라멘트가 보인다.
2010년 상용화된 다양한 LED 램프: 투광 조명기구(왼쪽), 독서등(가운데), 가정용 램프(가운데 오른쪽 및 하단), 저전력 강조 조명(오른쪽).
산업용 조명기구에 사용되는 80W 칩 온 보드(COB) LED 모듈로, 방열판에 열적으로 결합되어 있다.
기존 소형 형광등과 유사한 외관을 가진 18W LED 램프. 튜브 안으로 다이오드가 보인다.

LED 램프(LED lamp) 또는 LED 조명(LED light)[1]은 발광 다이오드(LED)를 사용하여 빛을 내는 전광이다. LED 램프는 동급의 백열등 및 형광등보다 에너지 효율이 훨씬 높다.[2][3] 상용화된 가장 효율적인 LED 램프는 와트당 200 루멘(lm/W)을 초과하는 효율을 가지며, 입력 전력의 절반 이상을 빛으로 변환한다.[4][5] 상용 LED 램프는 백열등과 형광등보다 수명이 몇 배나 더 길다.

LED 램프가 주전원 전선에서 작동하려면 전자식 LED 회로가 필요하며, 이 회로에서 발생하는 손실 때문에 램프의 효율은 사용된 LED 칩 자체의 효율보다 낮아진다. 드라이버 회로는 백열등용으로 설계된 조광기(디머)와 호환되기 위해 특별한 기능을 필요로 할 수 있다. 일반적으로 전류 파형은 조명기구의 기술에 따라 어느 정도 왜곡을 포함한다.[6]

LED 램프 시장은 2020년 758억 달러에서 2026년 1,600억 달러로 성장할 것으로 전망된다.[7] LED는 예열 시간 없이 즉시 최대 밝기에 도달한다. 빈번한 점멸은 형광 조명과 달리 수명을 단축시키지 않는다.[8] 광 출력은 LED의 수명 동안 점차 감소한다.

일부 LED 램프는 백열등이나 형광등을 대체할 수 있는 직접 교체형으로 출시된다. LED 램프는 향상된 빛 분산, 열 방출 및 전체적인 비용 절감을 위해 여러 개의 LED 패키지를 사용할 수 있다. 소매용 LED 램프 포장지에는 루멘 단위의 광 출력, 와트 단위의 소비 전력, 켈빈 단위의 색온도 또는 "따뜻한 흰색", "시원한 흰색", "주광색"과 같은 색상 설명, 작동 온도 범위, 조광기 호환 여부, 습한 환경에 대한 적합성, 그리고 동일한 루멘 출력을 내는 백열등과의 등가 와트수가 표시될 수 있다.

역사

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하이츠의 법칙에 대한 예시. LED의 광 출력이 시간에 따라 개선되는 것을 보여주며, 세로축은 로그 척도이다.

LED 램프가 도입되기 전에는 세 가지 유형의 램프가 일반 조명(백색광)의 주류를 이루었다.

  • 백열등은 전류로 가열된 필라멘트가 빛을 낸다.[9] 이들은 발광효율이 10~17 lm/W로 매우 낮고, 수명도 보통 1,000시간으로 짧다. 현재 일반 조명 응용 분야에서 퇴출되고 있다. 백열등은 태양광과 유사한 연속적인 흑체 방사 스펙트럼의 빛을 내므로 높은 연색 지수(CRI)를 가진다.
  • 형광등은 저압 수은 증기 튜브 내의 두 전극 사이에서 발생하는 글로 방전을 통해 자외선을 방출하며, 튜브 내부의 형광 코팅(형광체)에 의해 가시광선으로 변환된다. 이는 백열등보다 효율이 좋아 발광효율이 50~100 lm/W(구조, 형광체 유형 및 사용된 안정기 유형에 따라 다름)이며, 6,000~15,000시간의 더 긴 수명을 가져 주거용 및 사무실 조명으로 널리 사용된다. 그러나 수은 함유량으로 인해 환경에 위험을 초래하며 유해 폐기물로 처리되어야 한다.
  • 금속할로겐화물등은 아르곤, 수은 및 기타 금속, 아이오딘이나 브로민이 채워진 분위기 속에서 두 전극 사이의 아크를 통해 빛을 생성한다. 이 램프들은 LED 이전의 가장 효율적인 백색 광원 중 하나였으며, 75~100 lm/W의 발광효율과 6,000~15,000시간의 상대적으로 긴 수명을 가졌다. 하지만 최대 출력을 내기까지 5~7분의 예열 시간이 필요하여 주거용 조명으로는 사용되지 않고, 상업 및 산업용 넓은 지역 조명, 실외 보안등 및 가로등으로 사용된다. 형광등과 마찬가지로 이들도 위험한 수은을 포함하고 있다.

에너지 변환기로 볼 때, 기존의 모든 램프는 비효율적이며 가시광선보다 폐열로 더 많은 입력 에너지를 방출한다. 1997년 전 세계 전기 조명은 2,016 테라와트시의 에너지를 소비했다. 조명은 산업화된 국가에서 생산되는 전기 에너지의 약 12%를 소비한다. 발광 반도체 분야의 새로운 기술 발전과 디스플레이 및 면 조명 분야의 거대한 시장은 더욱 에너지 효율적인 전광 개발을 촉진했다.

최초의 저전력 LED는 1960년대 초에 개발되었으며 스펙트럼에서 낮은 붉은 주파수의 빛만 생성할 수 있었다. 1968년, 최초의 상업용 LED 램프가 도입되었다: 휴렛 팩커드의 LED 디스플레이[10](하워드 C. 보든과 제럴드 P. 피기니의 지도하에 개발됨)와 몬샌토 컴퍼니의 LED 표시등이 그것이다.[10] 그러나 초기 LED 램프는 비효율적이었고 짙은 빨간색만 표시할 수 있었기 때문에 일반 조명에는 부적합하여 수치 디스플레이나 표시등으로 사용이 제한되었다.[10]

최초의 고휘도 청색 LED는 1994년 니치아의 나카무라 슈지가 시연하였다.[11] 아카사키 이사무, 아마노 히로시와 나카무라는 이후 청색 LED 발명 공로로 2014년 노벨 물리학상을 수상했다.[12] 청색 LED와 고효율 LED의 존재는 청색광을 부분적으로 더 낮은 주파수로 변환하여 백색광을 생성하는 형광체 코팅을 채용한 최초의 '백색 LED' 개발로 이어졌다.[13] 새로운 LED 조명은 21세기 초 미국(크리)과 일본(니치아, 파나소닉 홀딩스, 도시바)에서 시장에 진입했고, 2004년부터는 한국과 중화인민공화국(삼성그룹, 킹선, 솔스티스, 호욜 등)에서 시작되었다.[14] 미국에서는 2007년 에너지 독립 및 안보법(EISA)에 의해 미국 에너지부(DOE)가 "L Prize"로 알려진 밝은 미래 조명 대회를 개최하도록 승인받았으며,[15] 업계에 60W 백열등 및 기타 램프를 대체할 제품 개발을 요구했다.[16] 대회 요건을 충족하는 제품은 당시 대부분의 백열등이 사용하는 에너지의 17%만을 소비하게 된다.

필립스 조명은 2008년 소형 형광등 연구를 중단하고 연구 개발 예산의 대부분을 고태 조명에 집중하기 시작했다.[17] 2009년 9월 24일, 필립스 조명 북미 지사는 표준 60W A-19 "에디슨 나사 고정구" 전구를 대체하기 위해,[18] 이전의 "AmbientLED" 소비자 제품 설계를 기반으로 하여 이 범주에 램프를 제출한 최초의 기업이 되었다. DOE는 18개월간의 광범위한 테스트 끝에 필립스에 상을 수여했다. 그 후 많은 유사한 효율의 제품이 뒤따랐다.[19]

초기 LED 램프는 교체 대상인 백열등과 색도 면에서 큰 차이를 보였다. ANSI C78.377-2008 표준이 개발되어 다양한 상관 색온도를 가진 시원한 흰색에서 따뜻한 흰색 LED를 사용하는 고태 조명 제품에 대한 권장 색상 범위를 지정했다.[20] 2008년 6월, 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 미국 최초의 고태 조명용 표준 두 가지를 발표했다. 이 표준들은 LED 광원에 대한 성능 사양을 자세히 설명하고 고태 조명 제품에 대한 테스트 방법을 규정한다.

또한 2008년 미국과 캐나다에서는 에너지 스타 프로그램이 시작 시간, 기대 수명, 색상 및 성능 일관성에 대한 표준을 충족하는 램프에 라벨을 부착하기 시작했다. 이 프로그램의 목적은 시장에서 이용 가능한 제품의 라벨링과 사용성에 대한 표준을 제공하여 제품 품질의 변동성으로 인한 소비자들의 우려를 줄이는 것이다.[21] 에너지 스타 인증 전구(Energy Star Certified Light Bulbs)는 에너지 스타 적격 램프를 검색하고 비교하는 자원이다.

영국에서도 유사한 프로그램(에너지 세이빙 트러스트 운영)이 에너지 보존 및 성능 지침을 충족하는 조명 제품을 식별하기 위해 시작되었다.[22] 우시오는 2008년 최초의 LED 필라멘트 램프를 출시했다.[23] 필립스는 2009년 첫 번째 LED 램프를 출시했고,[24] 이어서 2010년에는 세계 최초의 60W급 LED 램프를 출시했으며,[25][26][27] 2011년에는 75W급 버전을 출시했다.[28] 북미 조명 공학회(IESNA)는 2008년에 고태 조명 제품의 광 출력(루멘), 효율(루멘/와트) 및 색도를 테스트하는 방법을 설명하는 표준 LM-79를 발표했다.

2016년 기준, 천연자원보호협회의 노아 호로위츠의 의견에 따르면, 미국 에너지부가 제안한 새로운 표준은 미래에 사용되는 대부분의 전구가 LED가 될 것임을 시사한다.[29] 2019년까지 미국의 전기 사용량은 최소 5년 연속 감소했는데, 이는 미국 전기 소비자들이 LED의 에너지 효율과 고성능 때문에 백열 전구를 LED로 교체한 영향이 부분적으로 작용했다.[30] 2023년 시그니파이는 EU 에너지 등급 A에 해당하는 고효율 LED 램프를 도입했는데, 이는 최소 210 lm/W 이상의 효율을 요구한다.[31]

초기 도입 사례

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비보르, 덴마크에서 크리스마스 조명으로 사용된 LED

2003년, LED가 장착된 최초의 수술용 고글이 시연되었다.[32] 아우디는 LED 헤드라이트를 탑재한 콘셉트카 아우디 누볼라리를 공개했다.[33][34][35] 2004년, 아우디는 LED 주간주행등과 방향지시등을 장착한 최초의 양산차인 2004년형 아우디 A8 W12를 출시했다.[32][36][37]

2005년, 모나리자를 비추기 위해 LED 램프가 설치되었다.[38] 네덜란드의 카지노 브레다, 비엔나 국립 오페라 극장, 상하이 그랑프리 경기장 등에서도 LED가 사용되었다. 개인용 LED 손전등과 전조등도 이용 가능했다.[33] 2006년에는 매장에서 사용하는 최초의 LED 스포트라이트 중 일부가 출시되었다.[39] 토요타 자동차의 렉서스 LS 600h L(2006)은 LED 전조등을 장착한 최초의 양산차였다.[40] 2007년 아우디는 아우디 R8에 LED만을 사용하는 전조등을 제공하는 최초의 자동차 제조사가 되었다.[41] 같은 해, 도시바는 가정용 최초의 상용 백색 LED 램프를 출시했다.[42]

2008년, 미국 위스콘신주 오코노모웍의 센트리 이큅먼트 코퍼레이션은 신설 공장의 내부와 외부 조명을 거의 전적으로 LED로 설치할 수 있었다. 초기 비용은 전통적인 백열등과 형광등 혼합 방식의 3배였지만, 전기 요금 절감을 통해 2년 안에 비용을 회수했으며, 램프는 20년 동안 교체할 필요가 없었다.[17] 2009년 인도 IT 기업 iGate의 첸나이 사무소는 57,000 sq ft (5,300 m2)의 사무 공간을 밝히기 위해 370만 인도 루피(약 8만 미국 달러)를 들여 LED를 설치했다. 회사는 5년 이내에 비용을 회수할 것으로 기대했다.[43]

2009년, 아우디는 전적으로 LED 조명을 사용하는 최초의 자동차인 2009년형 아우디 R8을 제공하는 제조사가 되었다.[44] 2009년 핀란드 투르쿠 대성당 앞에 설치된 초대형 크리스마스 트리는 각각 2와트를 소비하는 710개의 LED 램프로 장식되었다. 이 LED 램프는 1년에 단 48일만 가동됨에도 불구하고 3년 반 만에 비용을 회수한 것으로 계산되었다.[45] 2009년 포르투갈 아베이루에서는 새로운 고속도로(A29)가 개통되었는데, 여기에는 유럽 최초의 공공 LED 기반 조명 고속도로가 포함되었다.[46]

2010년경에는 상업 및 공공 용도로 LED 조명을 대량 설치하는 것이 일반화되었다. LED 램프는 실외 조명 및 가로등을 위한 여러 시범 프로젝트에 사용되었다. 미국 에너지부는 시립 실외 조명을 위한 많은 시범 프로젝트의 결과에 대한 보고서를 여러 개 발표했으며,[47] 곧이어 많은 추가적인 가로등 및 시립 실외 조명 프로젝트가 뒤따랐다.[48][49]

2016년, 인도 정부는 전국의 모든 백열전구와 형광등을 LED 전구로 교체하는 것을 목표로 하는 우잘라(Ujala) LED 전구 계획을 시작했다. 2022년 3월 나렌드라 모디에 따르면, 이 계획을 통해 가정에 3억 7천만 개의 LED 전구가 무료로 배포되었고 중산층 및 저소득 가구의 전기 요금이 200루피씩 절감되었다. 우잘라 계획은 또한 인도 내 국내 LED 생산의 확대를 장려했다.[50]

기술

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LED 램프는 종종 표면 실장 기술 LED 모듈 배열로 만들어진다.

다른 광원과의 중요한 차이점은 빛이 더 방향성을 갖는다는 것이다. LED는 축에서 약 60°의 반전력 지점을 가진 원뿔 모양의 빛을 생성하는 "람베르트 반사" 발광체이다. 레이저 다이오드와 LED는 모두 반도체 광원이지만, 레이저 다이오드는 유도 방출에 의존하는 반면, LED는 자발 방출을 사용한다.

백색 LED

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사진 촬영에 사용된 LED 램프

일반 목적 조명은 2700K의 "따뜻한 흰색"(백열 전구와 같음)부터 약 6500K의 "주광색"까지 지정된 온도에서 흑체를 모방하는 백색광이 필요하다. 초기 LED는 LED를 만드는 데 사용된 반도체 재료의 에너지 띠틈 특유의 색상인 매우 좁은 대역의 파장에서 빛을 방출했다. 백색광을 방출하는 LED는 두 가지 주요 방법으로 만들어진다: 다양한 색상의 LED 여러 개에서 나오는 빛을 혼합하거나, 형광체를 사용하여 일부 빛을 다른 색상으로 변환하는 것이다. 이 빛은 실제 흑체와는 같지 않아 백열 전구보다 색상 표현이 다르게 나타난다. 색상 표현 품질은 연색 지수(CRI)로 지정되며, 2019년 기준 많은 LED 전구의 경우 약 80이며, 더 비싼 고연색 LED 조명의 경우 95 이상이다(100이 이상적인 값임).

RGB 또는 삼색 백색 LED는 적색, 녹색, 청색 파장을 방출하는 LED 칩을 여러 개 사용한다. 이 세 가지 색상이 결합되어 백색광을 생성한다. 방출되는 좁은 파장 범위 때문에 연색 지수는 일반적으로 25~65 정도로 낮다.[51] 더 넓은 범위의 파장을 포괄하기 위해 3개 이상의 LED 색상을 사용하여 더 높은 연색 지수 값을 얻을 수 있다.

대부분의 상용 LED 램프의 기반이 되는 두 번째 방법은 LED와 형광체를 함께 사용하여 단일 LED에서 보색을 생성하는 것이다. LED에서 나오는 빛의 일부는 형광체 분자에 흡수되어 형광을 일으키며, 스토크스 이동을 통해 다른 색상의 빛을 방출한다. 가장 일반적인 방법은 청색 LED 발광체와 황색 형광체를 결합하여 좁은 범위의 청색 파장과 녹색에서 적색까지의 스펙트럼을 실제로 덮는 넓은 대역의 "황색" 파장을 생성하는 것이다. 이 유형의 상용 LED는 연색 지수가 보통 82 정도이지만 70 미만에서 90 이상까지 다양할 수 있다.[51] 2021년 생산 기준으로 효율이 210 lm/W에 도달함에 따라 이 유형은 삼색 LED의 성능을 능가했다. 백색 LED에 사용되는 형광체는 2,200K(희미한 백열등)에서 7,000K 이상까지의 상관 색온도를 제공할 수 있다.[52]

색상 변경 LED 조명

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색상 변경 가능한 조명 시스템은 각 색상의 별도 뱅크를 사용하거나 색상이 결합되어 칩 수준에서 제어되는 멀티칩 LED를 사용하여 개별적으로 제어할 수 있는 유색 LED 뱅크를 고용한다.[53]

LED 드라이버

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내부 LED 소자와 LED 드라이버 회로가 노출된 가정용 LED 램프

LED 칩은 제어된 직류(DC) 전력이 필요하며, 전원 공급 장치의 교류를 LED가 사용하는 규정 전압 직류로 변환하기 위해 LED 드라이버와 같은 적절한 회로가 필요하다.

LED 드라이버는 램프의 허용 가능한 수명과 성능을 보장하기 위해 LED 램프의 필수 구성 요소이다. 드라이버는 조광 및 원격 제어와 같은 기능을 제공할 수 있다. LED 드라이버는 다이오드 배열과 동일한 램프 인클로저에 있거나, 발광 다이오드와 분리되어 장착될 수 있다. LED 드라이버는 AC 라인 고조파 전류에 대한 규정을 충족하기 위해 추가 구성 요소가 필요할 수 있다.

열 관리

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LED 램프는 전기 아크나 텅스텐 필라멘트가 없어 이전의 램프보다 시원하게 작동하지만 여전히 화상을 입힐 수 있다. 고전력 LED의 열 관리는 LED 장치의 접합 온도를 주변 온도에 가깝게 유지하기 위해 필요하다. 온도가 상승하면 광 출력이 감소하고 치명적인 고장을 일으킬 수 있기 때문이다. LED는 특정 광 출력에 대해 훨씬 적은 전력을 사용하지만, 소량의 열을 생성하며 이 열은 매우 작은 반도체 다이에 집중된다. 낮은 작동 온도로 인해 LED 램프는 방사를 통해 많은 열을 잃을 수 없다. 대신, 열은 다이의 뒷면을 통해 적절하게 설계된 히트 싱크 또는 냉각 핀으로 전도되어 대류를 통해 발산된다.[24] 산업용 고출력 램프에는 종종 냉각 팬이 장착된다.[54] 일부 제조사는 기존 백열 전구와 같은 유리 전구 안에 LED와 모든 회로를 배치하되, 헬륨 가스를 채워 열을 전도하고 LED를 냉각시킨다.[55] 다른 제조사는 알루미늄 배킹이 있는 회로 기판에 LED를 배치하며, 알루미늄 뒷면은 열 전도성 그리스를 사용하여 램프의 알루미늄 베이스에 열적으로 연결되고, 베이스는 멜라민 플라스틱 쉘에 매립된다. LED 램프 주위의 대류 냉각이 필요하기 때문에 밀폐되거나 통풍이 잘 안 되는 조명기구에 램프를 배치하거나 단열재 가까이에 설치할 때는 주의가 필요하다.

효율 저하

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스위치 모드 파워 서플라이 회로 기판과 에디슨 나사가 포함된 분해된 LED 램프
입력 전류의 함수로서의 InGaN LED의 효율 저하[56]

"효율 저하(efficiency droop)"라는 용어는 전류가 증가함에 따라 LED의 발광효율이 감소하는 현상을 의미한다. 전류 수준을 높이는 대신, 일반적으로 하나의 램프에 여러 개의 LED 발광체를 병렬 및 직렬로 연결하여 광 출력을 높인다. 효율 저하 문제를 해결하면 가정용 LED 램프에 필요한 LED 수를 줄일 수 있어 비용을 크게 절감할 수 있다.[57][58][59]

초기에는 LED 효율 저하의 원인이 높은 온도 때문일 것이라고 의심했으나, 과학자들은 온도가 효율 저하의 근본 원인이 아님을 입증했다.[60] 효율 저하를 일으키는 메커니즘은 2007년에 오제 재결합으로 밝혀졌으며, 이는 엇갈린 반응을 얻었다.[59] 2013년의 한 연구는 오제 재결합이 원인임을 결론적으로 확인했다.[61]

일부 레이저는 고도로 집중된 조명을 제공하기 위해 LED의 대안으로 채택되었다.[62][63]

응용

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LED 램프는 일반 조명 및 특수 목적 조명 모두에 사용된다. 유색 빛이 필요한 곳에서는 본질적으로 단일 색상의 빛을 내는 LED를 사용하므로 에너지를 흡수하는 필터가 필요하지 않다. LED 램프는 일반적으로 전구 또는 조명기구를 직접 교체하는 방식으로 이용 가능하며, 전체 조명기구를 교체하거나(형광등 트로퍼를 대체하는 LED 조명 패널 또는 유사한 할로겐 조명기구를 대체하는 LED 스포트라이트 조명기구 등) 전구를 교체한다(트로퍼 내부의 형광등을 대체하는 LED 튜브 또는 HID 조명기구 내부의 HID 전구를 대체하는 LED HID 교체 램프 등). 조명기구 교체와 전구 교체의 차이점은 트로퍼와 같은 조명기구를 LED 패널로 교체할 경우, LED나 내부 드라이버가 고장 나면 실질적으로 개별 부품 교체가 불가능하므로 패널 전체를 교체해야 한다는 점이다.[64](드라이버는 종종 별도로 분리되어 있어 교체할 수 있기도 함). 반면 전구만 LED 교체 램프로 교체하는 경우, 램프가 고장 나면 조명기구와 관계없이 램프만 독립적으로 교체할 수 있다. 일부 LED 교체 램프는 조명기구의 안정기를 전기적으로 제거하여 LED 램프를 주전원에 직접 연결하는 방식 등으로 기구를 수정해야 하며, 일부는 수정 없이 작동할 수 있다.[65]

색상 혼합 LED 조명기구로 조명된 BAPS 슈리 스와미나라이안 만디르 애틀랜타
컴퓨터 제어식 LED 조명은 바르샤바 국립 박물관의 회화 작품이 가진 고유한 품질을 향상시킬 수 있게 해준다.[66]

백색광 LED 램프는 적절한 온도에서 사용할 때 다른 대부분의 조명보다 기대 수명이 길고 효율이 높다(동일한 전력으로 더 많은 빛을 냄). LED 광원은 소형이어서 조명기구 설계의 유연성을 제공하며 작은 반사경이나 렌즈를 사용하여 빛의 분포를 잘 제어할 수 있다. LED의 작은 크기로 인해 조명 분포의 공간적 제어가 매우 유연하며,[67] LED 배열의 광 출력과 공간적 분포는 효율 손실 없이 제어할 수 있다.

색상 혼합 원리를 사용하는 LED는 각 원색에서 생성되는 빛의 비율을 변경하여 넓은 범위의 색상을 방출할 수 있다. 이를 통해 서로 다른 색상의 LED를 사용하여 램프에서 완전한 색상 혼합이 가능하다.[68] 다른 조명 기술과 달리 LED 방출은 방향성을 띠는 경향이 있어(최소한 람베르트 반사 특성을 가짐) 요구 사항에 따라 유리할 수도, 불리할 수도 있다. 비방향성 빛이 필요한 경우 디퓨저를 사용하거나 여러 개의 개별 LED 발광체를 사용하여 다른 방향으로 빛을 방출하도록 한다.

가정용 LED 램프

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크기 및 베이스

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나사형 소켓에 백열 전구를 대체하기 위해 2012년에 시판된 다양한 소비자용 LED 램프

LED 램프는 에디슨 나사 베이스, 2핀 베이스를 갖춘 MR16 모양, 또는 GU5.3(2핀 캡)이나 GU10(총검식 피팅)과 같은 표준 램프 연결 및 모양으로 만들어지며 소켓에 공급되는 전압과 호환되도록 만들어진다. 여기에는 교류 전원을 정류하고 전압을 적절한 값으로 변환하기 위한 드라이버 회로가 포함되며, 보통 스위치 모드 파워 서플라이 방식이다.

2010년 기준 일부 LED 램프는 고출력 전구를 대체했다. 예를 들어, 한 제조사는 16와트 LED 램프가 150W 할로겐 램프만큼 밝다고 주장했다. 표준 일반 백열 전구는 크기와 전압에 따라 약 14~17 lm/W의 발광효율로 빛을 방출한다. (230V 전원용으로 설계된 백열등은 북미의 낮은 공급 전압이 효율에 더 유리하기 때문에 효율이 낮다.) 유럽 연합 표준에 따르면 60W 텅스텐 램프의 대체품이라고 주장하는 에너지 효율적인 램프는 최소 806 루멘의 광 출력을 가져야 한다.[69]

고출력 LED "옥수수형(corn cob)" 램프

일부 모델의 LED 램프는 조광기와 호환된다. LED 램프는 종종 방향성 빛 특성을 가진다. 2022년 기준 이 램프 중 가장 좋은 것은 소형 형광등보다 전력 효율이 높으며[70] 30,000시간 이상의 수명을 제공하는데, 지정된 온도보다 높은 온도에서 작동하면 수명이 줄어든다. 백열등은 일반적으로 1,000시간의 수명을 가지며,[71] 소형 형광등은 약 8,000시간이다.[72] LED와 형광 램프 모두 형광체를 사용하며, 이들의 광 출력은 수명이 다할수록 감소한다. 에너지 스타 사양은 LED 램프가 6,000시간 이상의 작동 후 일반적으로 10% 미만으로 감소하고 최악의 경우에도 15% 이상 감소하지 않도록 요구한다.[73] LED 램프는 다양한 색상 특성으로 이용 가능하다. 구입 가격은 다른 램프보다 높지만(계속 떨어지는 중) 더 높은 효율로 인해 총 소유 비용(구입 가격 + 전기료 및 전구 교체 비용)은 대개 낮다.[18]

여러 기업이 일반 조명용 LED 램프를 제공한다. 기술이 빠르게 개선되고 있으며 새로운 에너지 효율적인 소비자용 LED 램프를 이용할 수 있다.[74][75]

2016년 기준, 미국에서는 가격 하락과 백열등의 단계적 퇴출로 인해 LED 램프가 주류 광원으로 채택되기 직전 단계이다.[76][77] 미국에서는 2007년 에너지 독립 및 안보법(Energy Independence and Security Act of 2007)이 대부분의 일반 백열등 제조 및 수입을 사실상 금지했다. LED 램프 가격은 크게 하락했으며, 많은 종류가 지역 유틸리티 업체의 보조금을 받아 판매된다. 그러나 2019년 9월 트럼프 행정부는 새로운 에너지 효율 전구에 대한 요구 사항을 철회했다.[78] 바이든 행정부는 2023년 45 lm/W 조명을 요구하고 소비자의 전기 요금을 연간 30억 달러 절감할 수 있는 효율 규정을 최종 확정했다.[79]

LED 튜브 램프

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45W 형광등과 동일한 강도를 가진 17W LED 튜브

LED 튜브 라이트는 형광등용으로 설계된 조명기구에 물리적으로 맞도록 설계되었다. 일부 LED 튜브 램프는 적절한 안정기가 사용된다면 기존 조명기구에 직접 교체하여 사용할 수 있도록 의도되었다. 다른 것들은 안정기를 제거하기 위해 조명기구의 재배선이 필요하다. LED 튜브 램프는 일반적으로 방향성을 가지며 설치 시 올바른 방향을 필요로 하는 많은 개별 표면 실장 LED를 사용하는데, 이는 튜브 주위 모든 방향으로 빛을 방출하는 형광 튜브 램프와는 반대이다. 시판되는 대부분의 LED 튜브 라이트는 T5, T8, T10 또는 T12 튜브 명칭을 대체하는 데 사용할 수 있으며, T8은 D26mm, T10은 D30mm이고 길이는 590 mm (23 in), 1,200 mm (47 in), 1,500 mm (59 in) 등이 있다.

LED 전용 조명

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LED 벽램프

기존 조명기구와의 호환성 필요성이 줄어듦에 따라 수명이 긴 LED가 내장된 조명기구나 LED 램프 전용으로 설계된 조명기구가 사용되기 시작했다. 이러한 조명은 전구마다 주전원 전압에서 작동하기 위한 회로가 포함될 필요가 없다.

식물

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실험 결과 LED 광원 하에서 채소와 관상용 식물의 놀라운 성능과 생산성이 밝혀졌다.[80] 많은 식물 종이 현장 조건에서 재배된 것과 최소한 비교 가능한 생체량과 생화학적 성분의 품질을 가지는지 확인하기 위해 온실 시험에서 평가되었다. 박하, 바질, 렌틸콩, 상추, 양배추, 파슬리, 당근의 식물 성능은 식물의 건강과 활력, 성장을 촉진하는 LED의 성공 여부를 모두 평가하여 측정되었다. 또한 프리뮬러, 메리골드, 스톡을 포함한 엄선된 관상용 식물들의 풍성한 개화도 관찰되었다.[80][81]

발광 다이오드(LED)는 최소한의 시간 내에 고품질과 고수량으로 온실 생산을 지원하는 원하는 파장(빨간색 + 파란색)의 효율적인 전광 조명을 제공한다. LED는 시원하기 때문에 식물을 과열이나 그을림 없이 광원 가까이에 배치할 수 있어, 뜨겁게 작동하는 조명기구보다 집중 재배를 위한 공간이 훨씬 적게 필요하다.

특수 분야

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LED 손전등 교체용 전구(왼쪽), 텅스텐 등가물(오른쪽)

백색 LED 램프는 저전력 수준에서 높은 효율이 중요한 분야에서 시장 점유율을 차지했다. 이러한 응용 분야 중 일부로는 손전등, 태양광 정원등 또는 산책로 조명, 자전거 라이트 등이 있다. 유색 LED 램프는 이제 신호등에 상업적으로 사용되는데, 여기서 필요한 색상의 밝은 빛을 내는 능력은 필수적이며 크리스마스 조명 스트링에도 사용된다. LED 자동차 램프는 긴 수명과 작은 크기로 인해 널리 사용된다. 단일 LED에서 나오는 것보다 더 많은 광 출력이 필요한 곳에는 여러 LED가 사용된다.

실외 조명

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LED 투광 조명

2010년경 LED 기술은 실외 조명 산업을 지배하게 되었는데, 초기 LED는 실외 조명을 하기에는 충분히 밝지 않았기 때문이다. 2014년에 완료된 한 연구에 따르면 소비자는 LED 조명의 색온도와 정확도를 쉽게 인식했으며 자연 색온도의 LED를 선호하는 경향이 있었다.[82] 이제 LED는 소비자가 실외 조명 시스템에서 원하는 밝기와 따뜻한 색온도를 맞출 수 있다.

LED는 운영 및 램프 교체 비용이 낮기 때문에 수은등 및 나트륨등을 대신하여 가로등 조명으로 점차 많이 사용되고 있다. 그러나 주로 청색광을 사용하는 가로등 조명이 눈 손상을 유발할 수 있으며, 일부 LED가 주전원 주파수의 두 배로 깜박여 일부 사람들에게 권태감을 유발하고 스트로보 효과로 인해 회전하는 기계와 관련하여 위험할 수 있다는 우려가 있다. 이러한 우려는 단순히 비용에 대한 걱정보다는 적절한 조명을 사용하여 해결할 수 있다.[83]

자외선 램프

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자외선 LED는 특정 파장의 빛을 방출하도록 설정할 수 있기 때문에 최근 몇 년간 빠르게 성장했다. 재료에 의해 제한되는 가스 방전등이나 형광등과 달리, LED 파장은 띠틈 폭에 의해 결정된다.

비타민 D 생성을 위해 LED 램프가 더 나은 이유는 기존 램프가 비타민 D 수치를 높이는 데 필요한 정확한 293나노미터 파장을 생성할 수 없기 때문이다. 293나노미터의 자외선 B(UVB) 램프는 피부 홍조를 유발하지 않으면서도 비타민 D를 위한 충분한 UVB 빛을 제공하기 때문에(저용량에서도) 다른 UVB 램프(312나노미터 또는 광대역 유형 등)보다 더 효과적이다.[84]

다른 조명 기술과의 비교

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다양한 기술을 비교하는 효율 차트는 발광효율을 참조하라.

비교표

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60와트 백열등 등가 전구에 대한 비용 비교(미국 주거용 전기 가격)
LED CFL[85] 할로젠등[86] 백열등[87]
Philips ultra
efficient (2023)[88]		 EcoSmart
clear (2018)[89]		 V-TAC
(2018)[90]		 Philips
(2017)[91]		 Cree
(2019)[92]
구매 가격 $7.19 $3.29 $1.79 $2.54 $3.93 $1.54 $1.17 $0.41
와트 4 6.5 9 8.5 9.5 14 43 60
루멘 (평균) 840 800 806 800 815 775[93] 750 860
루멘/와트 210 123.1 89.6 94.1 85.8 55.4 17.4 14.3
색온도 켈빈 3000 2700 2700 2700 2700 2700 2920 2700
CRI 80 80 80+ 80 85 82 100 100
수명 (시간) 50,000 15,000 20,000 10,000 25,000 10,000 1,000 1,000
전구 수명 (년) @ 6시간/일 22.8 6.8 9.1 4.6 11.4 4.6 0.46 0.46
20년간 에너지 비용 @ 16.1센트/kWh[94] $28 $46 $63 $60 $67 $99 $303 $423
20년간 전구 비용 $7 $10 $5 $13 $8 $8 $51 $18
20년간 총 비용 $35 $56 $69 $73 $75 $106 $355 $441
860루멘당 총 비용 $36 $60 $73 $78 $79 $118 $407 $441
6시간 사용/일 기준 비교(20년 동안 43,800시간)

LED 램프의 긴 수명과 함께 긴 보증 기간이 제공된다. 그러나 현재 미국 에너지부에는 각 제조사의 주장을 증명하기 위한 표준화된 테스트 절차가 없다.[95] 일반적인 가정용 LED 램프는 "평균 수명"이 15,000시간(하루 3시간 사용 시 15년)이며, 50,000회의 점멸 주기를 지원한다고 명시되어 있다.[96]

백열등과 할로겐 램프는 본질적으로 역률이 1이지만, 소형 형광등과 LED 램프는 입력 정류기를 사용하므로 더 낮은 역률을 가진다. 낮은 역률은 상업용 에너지 사용자에게 추가 요금을 발생시킬 수 있다. 소형 형광등과 LED 램프는 원하는 역률을 제공하는 드라이버 회로와 함께 이용할 수 있거나, 전체 시설에 대한 역률 교정을 수행할 수 있다. EU 표준은 2~5와트 사이의 램프 전력에 대해 0.4 이상의 역률, 5~25와트 사이의 램프 전력에 대해 0.5 이상, 더 높은 전력 램프에 대해 0.9 이상의 역률을 요구한다.[97][98]

에너지 스타 인증

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에너지 스타는 에너지 절약 소비자 제품을 위한 국제 표준이다.[99][100] 에너지 스타 서비스 마크를 부착한 장치는 일반적으로 미국 표준보다 20~30% 적은 에너지를 사용한다.[101]

에너지 스타 LED 인증 사항:[102]

  • 에너지 비용 절감 - 백열등 조명보다 최소 75% 적은 에너지를 사용하여 운영비를 절감한다.
  • 유지 관리 비용 절감 - 백열등 조명보다 35~50배 더 오래 지속되고 형광 조명보다 약 2~5배 더 오래 지속된다. 램프 교체가 없고, 사다리가 필요 없으며, 지속적인 폐기 프로그램이 없다.
  • 냉각 비용 절감 - LED는 열을 거의 발생시키지 않는다.
  • 보증 - 업계 표준을 훨씬 뛰어넘는 최소 3년 보증이 제공된다.
  • 편리한 기능 - 일부 실내 모델에서는 조광 기능을, 일부 실외 모델에서는 자동 주간 차단 및 동작 센서 기능을 이용할 수 있다.
  • 내구성 - 유리 전구처럼 깨지지 않는다.

에너지 스타 인증을 받으려면 LED 조명 제품이 다음과 같은 특성을 보여준다는 것을 증명하기 위해 다양한 테스트를 통과해야 한다.

  • 밝기는 기존 조명 기술(백열등 또는 형광등)과 같거나 그 이상이며 빛이 조명기구에 의해 비춰지는 영역 전체에 잘 분산된다.
  • 광 출력은 시간이 지나도 일정하게 유지되며 정격 수명(하루 8시간 사용 기준으로 최소 35,000시간 또는 12년)이 끝날 무렵에만 감소한다.
  • 뛰어난 색상 품질. 백색광의 색조가 시간이 지나도 선명하고 일관되게 나타난다.
  • 효율이 형광 조명만큼 좋거나 그 이상이다.
  • 켰을 때 즉시 빛이 들어온다.
  • 조광 시 깜박임이 없다.
  • 오프 상태에서 전력 소모가 없다. 조명기구는 꺼져 있을 때 전력을 사용하지 않으며, 단 외부 제어 장치는 예외로 이때의 전력은 0.5와트를 초과해서는 안 된다.
  • 5W 이상의 모든 램프에 대해 최소 0.7의 역률.

한계

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투광 조명 내 가변 색온도 LED 배열

LED 발광체는 색상의 큰 변화 없이 넓은 전류 범위에서 작동할 수 있기 때문에 본질적으로 조광에 적합하다. 그러나 LED 램프의 회로는 명시적으로 조광 가능하도록 설계되어야 하며 특정 유형의 조광 스위치와 호환되어야 한다.[103] 그렇지 않으면 램프 및 조광기가 손상될 수 있다. 색상 표현은 태양처럼 완벽한 흑체 방사에 가깝게 방출하는 백열 램프와 동일하지 않다. 연색 지수(CRI)라는 측정 단위가 사용되어 0에서 100까지의 척도로 8개의 색상 샘플 칩을 광원이 어떻게 표현하는지 기록한다.[104] CRI가 75 미만인 LED는 실내 조명용으로 권장되지 않는다.[105] 잘못 설계된 LED 램프는 깜박거릴 수 있다. 이러한 현상은 해당 램프의 슬로 모션 비디오에서 볼 수 있다. 깜박임의 정도는 램프 베이스 내부에 위치한 램프 내장 DC 전원 공급 장치의 품질에 기반한다. 깜박이는 빛에 장시간 노출되면 두통과 눈의 피로를 유발한다.[106][107][108] 광속 유지율의 함수로서 LED 수명은 높은 온도에서 떨어진다. 고전력 LED의 열 관리는 고태 조명 장비 설계에서 중요한 요소이다. LED 램프는 대부분의 고태 전자 부품과 마찬가지로 과도한 열에 민감하다. 또한 호환되지 않는 휘발성 유기 화합물이 존재하면 성능이 저하되고 수명이 단축될 수 있다.[109] 일반적인 백열등의 약 50배, 형광등보다 훨씬 긴 것으로 예상되는 LED의 긴 수명은 사용자에게는 이점이 되지만 먼 미래의 교체 시장을 축소하므로 제조사에게는 영향을 미칠 것이다.[17]

인간의 활동일 주기는 광원에 의해 영향을 받을 수 있다.[110][111] 낮의 색온도는 ~5,700K[112](푸르스름한 흰색)인 반면 백열등은 ~2,700K(노란색)이다. 활동일 주기 수면 장애가 있는 사람들은 때때로 광선 치료(낮 동안 강렬한 푸르스름한 흰색 빛 노출)와 어둠 치료(밤에 푸르스름한 빛을 줄이기 위해 호박색 안경 착용)로 치료받는다.[113][114][115]

일부 단체는 밤에 푸르스름한 흰색 램프를 사용하지 말 것을 권장한다. 미국 의사협회는 실외 가로등에 푸르스름한 흰색 LED를 사용하는 것에 반대한다.[116] 연구에 따르면 LED 가로등으로의 전환은 나트륨등보다 48% 더 많은 곤충을 끌어들여 직접적인 생태학적 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라 항구 지역으로 더 많은 매미나방을 유인하는 것과 같은 간접적인 영향을 미칠 수 있다.[117]

같이 보기

[편집]

각주

[편집]
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