조명 광원

왜 배우는가: LED 조명은 현재 건축전기설비에서 가장 널리 쓰이는 광원이라 설계·시공·유지관리 모두에서 기본이 된다. 1교시 용어 문제와 3교시 비교·구동 논술에 반복해서 나오므로 정의와 구조를 먼저 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제91회 1교시 13번, 제90회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: LED 조명은 반도체 pn 접합에 순방향 전류를 흘려 빛을 내는 고체 발광소자(LED)를 광원으로 쓰는 조명이다.

핵심 키워드

• 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)
• 전계발광(Electroluminescence)
• 정전류 구동
• 접합부 온도(Junction Temperature)
• 광속 유지율
• 연색성(CRI)
• 조광제어(Dimming)
• 구동전원(LED 드라이버)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 LED는 전기를 흘리면 스스로 빛을 내는 반도체 칩이다. 필라멘트를 달구거나 가스 방전을 쓰지 않는다.

정식 정의는 반도체 pn 접합에 순방향 전압을 걸어 주입된 전자와 정공이 재결합하면서 그 에너지 차이만큼 빛을 방출하는 현상을 이용한 광원이다. 이 현상을 전계발광(Electroluminescence) 이라 한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 발광다이오드(LED): 순방향 전류에서 빛을 내는 pn 접합 소자다. 빛의 파장은 반도체 밴드갭으로 정해진다.
• 정전류 구동: 소자에 일정한 전류를 공급하는 방식이다. LED 광속과 수명은 전압보다 전류에 민감하므로 정전압이 아니라 정전류로 구동하는 것이 기본이다.
• 접합부 온도(Tj): 칩 내부 pn 접합의 온도다. 이 값이 높아지면 광속이 줄고 수명이 짧아지며 색도가 변한다.
• 연색성(CRI, Color Rendering Index): 조명 아래에서 물체색이 기준광 아래와 얼마나 같게 보이는지를 나타낸다. 백색 LED는 형광체 종류에 따라 연색성이 달라진다.

백색 LED는 대부분 청색 LED 칩에 황색 형광체를 덮어 만든다. 칩이 내는 청색 빛의 일부가 형광체를 여기시켜 황색 빛을 내고, 두 빛이 섞여 백색으로 보인다.

3. 등장 배경과 필요성

백열등은 발광효율이 약 10~17lm/W로 낮고 수명도 약 1,000시간으로 짧다. 형광등은 효율이 50~100lm/W로 좋아졌지만, 수은을 포함하고 안정기가 필요하며 조광이 어렵다. 두 광원 모두 에너지의 큰 부분을 가시광이 아닌 열로 내보낸다.

LED는 이런 한계를 줄이기 위해 도입됐다. 반도체 발광 기술이 발전하면서 효율이 크게 올라갔고, 수명이 길고 점등 응답이 빠르며 조광과 색 제어가 쉬워졌다. 또 디스플레이와 면 조명 시장이 커지면서 기술 개발이 빨라졌다.

1997년 전 세계 전기 조명은 약 2,016테라와트시를 썼고, 조명은 산업화된 국가 전기 에너지의 약 12%를 소비했다. 따라서 조명 에너지를 줄이는 LED 전환은 건축 에너지 절약의 핵심 수단이 됐다.

다만 LED는 열에 민감하다. 방열이 나쁘면 접합부 온도가 올라가 광속 유지율이 떨어지고 색 변이가 생긴다. 그래서 LED 조명 설계에서는 방열 구조와 정전류 드라이버 선택을 함께 본다.

4. 구성요소·원리·절차

LED 조명기구는 광원인 LED 모듈에 구동전원(드라이버)과 전류·조광 제어장치, 방열 구조가 더해진 구성으로 이루어진다. 세 요소 중 하나라도 빠지면 광속 유지율과 수명이 함께 떨어진다. 설계 때는 각 요소가 서로 어떻게 연결되는지 먼저 보여 주는 것이 좋다.

드라이버는 LED에 일정한 전류를 흘려 주는 장치다. LED는 전압이 조금만 변해도 전류가 크게 변하므로 전압원이 아니라 전류원으로 구동해야 한다. 정전압원인 SMPS로 구동하면 온도가 오를 때 전류가 증가하고, 이것이 다시 온도를 올리는 악순환이 생긴다. 그래서 LED 구동에는 정전류 드라이버를 쓰고, 출력 회로에 직렬 전류 제한 저항을 두지 않는 방식이 최적으로 여겨진다.

구동 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.

• 정전류 구동: 전류를 일정하게 유지하므로 전원 전압 변화와 주변 온도 영향을 줄인다.
• 정전압 구동: 전압을 일정하게 유지하므로 LED마다 전류가 흩어질 수 있어 전류 제어 회로를 따로 둬야 한다.

병렬 구동은 저전압으로 동작할 수 있으나 드라이브 채널이 더 필요하다. 직렬·병렬 결합 구동은 여러 LED를 쓸 때 자주 쓰이며 두 방식의 장점을 함께 가진다. 선형 드라이버는 LED 작동 전압과 전원 전압의 차이를 선형 소자가 부담하는 방식으로 구조가 단순하지만 전력 손실이 크다. 스위칭 방식은 효율이 높고 크기가 작아 현재 주류다.

조광 원리는 다음 순서로 작동한다.

• 센서가 재실이나 조도 변화를 감지한다.
• 조광관리기가 제어 명령을 만든다.
• 조광제어기가 조도와 색상 신호를 드라이버로 보낸다.
• 드라이버가 전압·전류를 바꾸어 LED 모듈의 광출력을 조정한다.

조광 방식은 재실감지 방식, 동작감지 방식, 독립장치 제어, 구역 조광, 중앙 조광으로 나뉜다. 중앙 조광은 네트워크로 건물 전체를 제어한다.

LED 조명은 전류 구동이 핵심이며, 접합부 온도 상승은 광속과 색을 함께 바꾼다

Junction Temperature(접합부 온도)가 올라가면 광속이 떨어지고 파장이 이동한다. 특히 빨강·노랑 AlGaInP 계열은 파랑·녹색·백색 InGaN 계열보다 파장 이동이 커서 여러 색 LED를 섞어 백색을 만들 때 색 변이가 생길 수 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

LED 조명의 설계는 전기설비 기준, 조명 설계 기준, 에너지 절약 기준을 함께 따른다. 전기설비 기준은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)을 적용한다. 조명의 에너지 절약 측면은 건축물의 에너지 절약 설계기준이 다룬다. 조명 설계 기준은 조도 기준과 조명기구 효율을 정하며, 소방 관련 유도등은 별도 소방 기준을 따른다.

위 표의 역률과 외형률은 LED 조명기구의 제품 기준으로 자주 인용되는 값이다. 건축물 에너지 절약 설계기준의 개별 점멸·창측 제어 항목은 조명자동제어 시스템을 쓰면 적용하지 않을 수 있다는 예외가 함께 붙는다. 설계 때는 이 예외 조건이 충족되는지 먼저 판단해야 한다.

에너지 측면에서는 조광제어가 기본 수단이다. 광원 종류에 따라 출력광속과 입력전력의 비율이 다르므로, 조광 시 소비전력 감소량은 광원별 출력-입력 관계로 계산한다. 형광등은 저출력에서 효율이 낮고 출력이 높을수록 효율이 높아진다. LED는 출력 범위 전반에서 비교적 안정된 효율을 보인다.

개정 연혁으로는 LED 조명과 관련된 전기설비 기준이 2021년 한국전기설비규정 체계로 바뀐 점이 가장 중요하다. 구 전기설비기술기준의 판단기준은 이 체계로 대체되었다. 건축물 에너지 절약 설계기준의 세부 항목은 개정 때마다 달라질 수 있으므로 시험에서는 항목의 취지를 중심으로 답한다.

6. 유형과 비교

조명 광원은 발광 원리에 따라 크게 온도복사형, 방전형, 반도체 발광형으로 나뉜다. 백열등과 할로겐전구는 온도복사형이고, 형광등·수은등·나트륨등·메탈할라이드등은 방전형이다. LED는 반도체 발광형이며, 전기에너지를 빛으로 바꾸는 과정에서 열 손실이 상대적으로 작다.

온도복사형은 필라멘트를 가열해 빛을 얻는다. 연속 스펙트럼이어서 연색성이 좋지만 발광효율이 낮고 수명이 짧다. 백열전구의 발광효율은 10~17 lm/W 수준이며 수명은 약 1,000시간이다.