LED조명과 형광등

왜 배우는가: LED조명은 기존 형광등을 빠르게 대체하고 있어 실무 설계와 교체 판단에서 발광원리와 특성 비교를 정확히 알아야 한다. 발광광속·발광효율·색온도·연색성·수명 같은 항목을 형광램프와 나란히 비교하는 문제가 기술사 시험에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제112회 3교시 5번, 제103회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

LED는 반도체 p-n 접합에 순방향 전압을 가해 전자와 정공이 재결합할 때 그 에너지 차이를 빛으로 방출하는 고체 발광소자다.

• LED(Light Emitting Diode)
• 전계발광(Electroluminescence)
• p-n 접합
• 재결합(Recombination)
• 밴드갭(Band Gap)
• 발광효율(Luminous Efficacy)
• 연색성(Color Rendering)
• 형광체(Phosphor)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 LED는 전기를 흘려 반도체 속 전자와 정공을 만나게 하고, 만날 때 생기는 에너지를 빛으로 내보내는 작은 칩이다. 필라멘트를 달궈서 빛을 내는 백열등이나 수은 증기 방전으로 자외선을 만들고 형광체로 바꾸는 형광등과 원리가 다르다.

정식 정의는 다음과 같다. 전계발광은 전기장이나 전류에 의해 물질 속 전자와 정공이 재결합하면서 광자를 방출하는 현상이다. LED는 이 현상을 p형과 n형 반도체의 접합에서 구현한 소자다.

p-n 접합은 p형 반도체(정공 다수)와 n형 반도체(전자 다수)를 붙인 구조다. 순방향 바이어스를 걸면 n영역의 전자가 접합을 넘어 p영역으로 주입되고, 주입된 전자와 정공이 접합부 근처에서 만난다. 전자가 전도대에서 가전자대의 정공 자리로 떨어지면서 두 준위의 차이에 해당하는 에너지를 내놓는다.

재결합에는 두 가지가 있다. 복사 재결합은 빛을 내고, 비복사 재결합은 열을 낸다. LED에서 발광 효율을 높이려면 복사 재결합의 비율을 키워야 한다. 주입된 전자와 정공의 수가 많을수록 광자가 많아지고 빛이 강해진다.

밴드갭(Band Gap)은 전도대와 가전자대 사이의 에너지 차이다. 방출되는 빛의 파장은 이 밴드갭으로 정해진다. 그래서 같은 LED 칩이라도 반도체 재료에 따라 빛의 색이 달라진다. 백색 LED는 청색 LED 칩에 황색 형광체를 씌워 청색과 황색을 섞어 만든다.

형광체(Phosphor)는 청색 광을 받아 파장이 긴 빛으로 바꾸는 물질이다. 형광등의 형광체는 자외선을 받아 가시광을 내고, 백색 LED의 형광체는 청색광을 받아 백색광을 만든다. 두 경우 모두 형광체라는 이름이 붙지만 여기를 통과하는 1차 광원이 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

백열등은 필라멘트를 2,000℃ 이상으로 가열해 빛을 내기 때문에 전기의 대부분이 열로 사라진다. 형광등은 백열등보다 효율이 높았지만 수은 증기를 쓰고 점등 장치가 필요하며, 수은 폐기와 깜빡임 같은 문제가 남았다.

LED는 열이 아니라 전자의 재결합으로 빛을 내기 때문에 이론적으로 높은 효율을 얻을 수 있다. 반도체 공정으로 대량 생산이 가능해지면서 조명 시장의 주력 광원으로 올라왔다. 수명이 길고 점등 즉시 최대 밝기에 도달하는 특성도 교체 주기가 짧은 공간에서 장점이 된다.

에너지 절약과 탄소 저감 요구도 LED 확산의 배경이다. 같은 광속을 낼 때 소비전력이 작아지므로 조명 설비의 전력 부하와 운전 비용을 함께 줄일 수 있다. 시험에서는 이 필요성을 발광원리 설명과 연결해 쓰는 것이 좋다.

4. 구성요소·원리·절차

LED(Light Emitting Diode)는 반도체 p-n 접합에 순방향 전압을 걸어 전자와 정공을 재결합시키고, 그때 나오는 에너지를 빛으로 방출하는 소자다. 발광 원리는 전계발광(Electroluminescence)이며, 재결합 과정에서 발생한 에너지가 광자로 나온다. 구성요소는 칩(발광층), 드라이버 회로, 방열부, 광학부(렌즈·확산판)로 나뉜다.

드라이버 회로와 방열 설계는 LED 램프 효율을 칩 효율보다 낮추는 손실 요인이다. 방열 설계가 부족하면 칩 온도가 올라가 광속이 떨어지고 수명이 짧아진다. 드라이버 손실 때문에 램프 효율은 칩 효율보다 낮다는 점을 답안에 함께 쓴다.

발광 원리는 다음 순서로 진행된다.

• 순방향 전압을 인가하면 n형 영역의 전자가 접합을 넘어 p형 영역으로 이동한다.
• 전자와 정공이 발광층에서 재결합한다.
• 전자가 전도대에서 가전자대로 떨어지며 밴드갭 에너지만큼의 광자를 방출한다(복사 재결합).
• 비복사 재결합이 일어나면 빛 대신 열이 발생하므로 효율이 떨어진다.
• 방출 광자의 파장은 밴드갭 폭으로 정해지므로 발광 색이 결정된다.

발광 파장과 밴드갭의 관계는 다음 식으로 쓴다.

$\lambda = \frac{hc}{E_g}$

여기서 \lambda는 발광 파장(m), h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도(m/s), E_g는 밴드갭 에너지(J)다. 밴드갭이 클수록 파장이 짧아진다.

백색 LED는 청색 LED 칩에 황색 형광체를 씌우는 방식이 널리 쓰인다. 청색광 일부가 형광체를 여기시켜 황색광을 내고, 두 색이 섞여 백색으로 보인다. 형광체 조성에 따라 색온도와 연색성이 달라진다.

LED는 전자와 정공의 복사 재결합으로 빛을 내는 반도체 소자다

계산 예제: 청색 LED의 발광 파장이 450nm이면 광자 에너지는 E = hc/\lambda로 구한다. h = 6.63\times10^{-34}J·s, c = 3.0\times10^{8}m/s, \lambda = 450\times10^{-9}m를 대입하면 E \approx 4.4\times10^{-19}J, 즉 약 2.76eV다. 가시광 범위 안의 값이므로 상식 범위에 맞다.

5. 관련 법령·기준·표준

LED 조명은 국내에서 「산업표준화법」에 따른 KS 규격과 「에너지이용 합리화법」에 따른 효율 기준의 적용을 받는다. 조명 설계 자체는 KDS 설계기준과 KEC(한국전기설비규정)를 참조한다. 다음 표는 LED와 형광램프를 비교할 때 쓰는 기준 수치다.

표의 수치는 시험 조건과 제품에 따라 달라진다. 수명 비교는 발광 감소 기준을 함께 적어야 의미가 있다. 연색성 기준은 CIE 정의에 따라 연색평가수(CRI)로 쓴다.

EU 에너지 표시 기준에서는 60W 텅스텐 램프의 대체품이 되려면 최소 806lm 이상의 광속을 가져야 한다.

개정 연혁: 국내 LED 조명 효율 기준은 에너지 효율 등급 제도 개편과 함께 여러 차례 바뀌었다. 최신 개정 내용은 기준 원문을 기준으로 쓴다.

6. 유형과 비교

LED 조명은 구조와 광원 특성에 따라 나뉜다. 가장 흔한 분류는 램프형(전구형·직관형)과 기구형(평판·다운라이트)이며, 구동 방식으로는 정전류 구동과 교류 직결 구동으로 나눈다. 형광등은 관(管)형과 방전 방식에 따라 직관형·환형·컴팩트형으로 나뉜다. 두 광원을 같은 기준으로 놓고 보면 특성 차이가 분명해진다.