빛과 미래조명 LED

빛과 미래조명 LED

 

한국화학연구원 융합바이오기술연구센터

김창해

 

 우리가 빛이라고 할 때 가장 먼저 떠올리는 태양은 천연 광원으로 지구상에 존재하는 모든 동식물의 생명 활동을 유지해 주는 근본이다. 태양에서 나오는 빛은 파장이 짧은 자외선부터 사람의 시각을 자극시킬 수 있는 파장인 가시 광선 그리고 파장이 긴 적외선에 이르기까지 넓은 파장 범위를 모두 포함하고 있다.

                                        

                                   

                                                                                그림 1) 빛의 종류

 빛은 여러 전자파 중의 하나로 1초 동안에 약 30만㎞라는 엄청난 속도로 공간을 직진한다. 빛은 물질파로 질량과 파장으로 정의되고, 파장은 길이의 단위인 ㎚(nanometer)로 사용한다. 우리가 보통 빛이라고 말하는 것은 많은 전자파 중 인간의 눈에 지각되는 영역으로 대략 380㎚-780㎚ 범위의 파장까지 물질파로, 이것을 가시 광선이라고 한다. 눈은 주변 조도가 약 3cd/㎡가 아니면 실제로 색을 볼 수 없다. 사람의 눈은 감각 기능이 다른 두 가지 기본 감각 수용기인 간상체와 원추체로 되어 있다. 조명 수준이 높으면 간상체와 원추체가 모두 기능을 하며 눈은 파장이 550㎚ 부근(녹색)인 빛에 가장 민감하다. 그러나 조명 수준이 떨어지면 원추체의 기능이 멈추고 간상체가 보는 일을 맡으며, 500㎚ 부근의 파장(청록)에 가장 민감하게 된다.

인류의 긴 역사를 통하여 태양과 달 그리고 불꽃에 의한 빛이 인간 생활에 중요한 역할을 하여왔다. 이러한 빛을 인공적으로 만들고자 하는 노력은 인류의 시작과 함께 계속되었고, 자연스럽게 물체가 연소할 때 발생하는 빛을 조명용 광원에 이용하였다.

 인공 조명은 인류의 삶을 변화시켜 주는 계기일 뿐만 아니라, 과학과 기술의 발달로 인하여 인간 생활에 가장 적합하고 편리한 기능을 가진 조명이 계속 개발되는 가운데 삶의 필수적인 요소가 되었다.

 

                                                                                 그림 2) 조명기술의 전개

 130년 전 미국의 토마스 에디슨에 의하여 발명된 백열등과 70년 전 개발된 형광등은 오랜 시간 동안 조명 장치로 사용되었다.

현재 조명 기구 가운데 형광등은 백열 전구에 비해 효율이 약 3배정도 높고, 램프 수명도 약 8000시간으로 백열 전구의 1000시간에 비해 8배 정도 우수하며, 형광체를 변화시켜 다양한 색광을 얻을 수 있는 장점 때문에 오랫동안 사용하여 왔다.

그러나 현재 사용되고 있는 형광등은 명시성(明視性)과 에너지 효율은 우수하지만, 인간에게 기능적, 심리적으로 쾌적한 조명 환경을 제공하려는 오늘날의 조명 목적에는 적합하지 않다.

조명의 주된 목적은 제시된 재료나 정보를 편안하고 효율적으로 보게 하는 것이며, 인간의 시각 특성에 적합한 조명 환경의 조성은 생산성 향상과 시각적 쾌적성에 영향을 끼친다. 조명이 나빠 조도가 낮으면 눈의 피로를 증가시켜 굴절 이상과 피로의 원인이 되고 작업 능률도 저하된다.

전 세계적으로 에너지 절약에 대한 경각심이 고조되고 전기, 가스와 같은 고급 에너지에 대한 수요가 폭발적으로 증가하게 되면서 새로운 조명 기술에 대한 관심이 증폭되었다. 이런 상황에서 반도체 발광 소자(LED; light emitting diode)를 이용한 반도체 광원의 개발이 시작되었다. 절전 제품에 대한 관심이 높아지고 있는 추세에서 전력 소비량이 낮고 광 변환 효율이 높은 LED는 기존의 백열등과 형광등을 대체할 수 있는 차세대 광원이다.

 

 

                                                                       그림 3) 각종 LED 조명 모듈

 LED 조명은 현재 조명과 비교하면 소비 전력이 1/10이며, 수명이 기존의 전구에 비해 10배 이상 길다. 이것을 경제적 효율성의 측면에서 환산해 본다면 우리 나라 전체 조명 중에 LED로 20% 정도만 교체해도 전기 에너지 절감액은 연간 1조원의 절감 효과가 있다. 또한 우리 나라는 EU 협약이 발효됨에 따라 “2006년 7월부터 납, 수은, 카드뮴, 6가 크롬, 폴리브로미네이티드 비페닐(PBB)이나, 폴리브로미네이티드 디페닐 에테르(PBDE)를 포함하지 않는 전기 및 전자 제품을 출고해야 한다”는 협약 조항을 준수해야만 한다. 따라서 형광등은 수은이 함유되어 있기 때문에 조명으로 계속 이용할 수 없는 것이 현실이다.

백색 LED 조명은 에너지 소비 절감을 통해 CO₂ 배출량과 수은 및 폐기물이 감소되는 장점이 있기 때문에 국제 협약 준수 측면이나 환경 보호 차원에서 현실적으로 대안이 될 수 있는 필수적인 조명이다.

조명에 대한 최근의 연구는 단순히 밝기만을 요구하는 것이 아니라 적절한 밝기의 분포, 눈부심, 그림자, 연색성 등을 포함한 보임의 조건과 심리적 효과를 고려하여 종합적으로 평가되어야 한다. 종래의 명시성에서 공간의 용도나 재실자의 행위가 고려된 쾌적성을 추구하고 있다. 빛에 의한 시각적 연출은 공간 자체의 물리적 변화 없이 공간의 결점을 수정 보완해 주기도 하며, 쾌감과 관계되는 심리적 효과로 나타난다. 조명 계획의 궁극적인 목적은 그 공간 주체인 인간에게 기능적, 심리적으로 쾌적한 조명 환경을 제공하는 것이기 때문이다.

따라서 미래 조명을 위한 조명 환경은 인간에게 쾌적성을 보장함과 동시에 고도의 기능성을 갖춘 LED 조명 환경을 구축하는 것이다. LED 조명 환경을 구축하기 위해서는 LED 조명이 가지는 광학적 특성을 분석하고 그 특성에 따라 반응하는 사람들의 감성 특성을 체계적으로 분석․규명하는 연구가 절실히 필요하다.

 

                                        그림 4) 각종 조명제품의 휘도(Brightness) 발전 모습

 

 

       

       그림 5) LED 가로등 조명 모습                      그림 6) LED 실내 조명 모습

   

 

                                         그림 7) LED를 이용한 건축조명의 예