LED조명에 대하여

안녕하세요? 오늘은 LED(Light Emitting Diode) 조명에 대해서 말씀드리겠습니다. LED 조명이 처음 개발되었을 때만 하더라도 가격이 비싸서 크게 메리트가 없어 보였습니다. 하지만 LED 조명이 수명이 길고 전기를 절약하는 장점이 크며, 가격까지 많이 저렴해졌기 때문에 요즘은 LED 조명이 대세인 시대가 되었습니다. 조명분야에서 LED 조명은 매우 혁신적인 것이라고 할 수 있습니다. 

1. LED 조명의 장점

1) 에너지 절약

LED 조명의 가장 큰 장점이라고 한다면 단연코 에너지 절약이라고 할 수 있겠습니다. LED 조명은 백열등이 사용하는 에너지의 10%를 사용합니다. 또한 형광등의 30% 에너지를 사용하기 때문에 에너지 절약에서는 다른 조명들이 LED 조명을 따라오지 못합니다.

전기를 매우 적게 먹기 때문에 LED조명은 캠핑용으로 사용하기에도 적합합니다. 캠핑 LED조명은 적은 크기의 배터리로도 만족할 만큼의 빛을 제공할 수 있습니다. 과거에는 캠핑을 가면 조명을 위해서 발전기가 필요했다면 지금은 발전기가 없이도 캠핑 LED 조명을 밤새도록 켤 수 있습니다. 매우 당연하게 여기실 수 있겠지만 LED가 없던 시절에는 생각도 못할 일이었습니다. 

2) 타 조명 대비 월등한 수명

LED 조명의 수명 역시 형광등이나 백열전구보다 월등히 높습니다. 백열전구의 수명은 1,000~3,000시간, 형광등은 10,000시간이지만, LED 조명의 수명은 25,000시간입니다. 대략 백열전구대비 25배가량 더 수명이 긴 것이지요. 

이것은 필자도 뼈에 와닿게 느끼고 있는 부분입니다. 필자가 시설관리를 처음 했던 건물이 형광등이 설치된 건물이었고 필자는 하루에 평균 2~3개의 형광등을 교체하였습니다. 그러나 LED 조명이 설치된 건물은 조명 교체작업이 훨씬 적습니다. 또한 필자가 5년 전에 리모델링을 하여 집안의 전구를 LED 조명으로 모두 교체하였는데 지금까지 망가진 것이 없이 사용하고 있습니다. 

2. LED 조명의 단점

1) 열에 취약함

출처: https://greendyled.hatenadiary.org/

LED 조명은 열에 매우 취약합니다. 백열전구 같은 경우 겨울철에 손에 쥐고 있으면 난로로 쓸 수 있을 정도로 따듯하고 열에 강합니다. 반면에 LED 조명 같은 경우는 백열전구와는 비교할 수 없을 정도로 열 발생이 적으나 열에는 매우 취약합니다. LED 조명에서 열 발산이 잘 안되면 LED 조명의 수명이 떨어지게 됩니다. 따라서 LED 조명에서 열 방출은 핵심적인 과제입니다. 위의 사진에서 보시는 것처럼 LED 조명의 소비전력이 조금만 커져도 저렇게 커다란 방열판(Heat Sink)이 필요합니다. 

필자가 근무하는 곳에서 LED 조명을 교체한 때가 있었습니다. 위와 비슷하게 생겼는데 제법 무거웠습니다. 이유는 방열판이 너무 커서였습니다. 방열판이 저렇게 생긴 이유는 표면적을 넓게 해서 열 방출 효과를 높이기 위함입니다. 

 

2) 전원환경에 매우 민감함

우리가 사용하는 전기는 여러 가지 변수에 의해서 전기품질이 휘청거리는 경우가 있습니다. 예를 들면 누전이 발생하거나 Surge 등으로 인한 고전압이 발생할 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 LED 자체가 반도체소자이기 때문에 망가지는 경우가 있습니다. 물론 LED 조명에는 SMPS 방식과 RCD 방식이 있는데 RCD 방식만 이런 전기품질의 변화에 민감합니다. SMPS 방식과 RCD 방식에 대해서는 아래쪽에 다시 다루겠습니다. 

3. LED 조명의 원리

출처: https://schmitz-wila.com

LED 조명은 전자가 에너지를 받아서 원자와 분리되어 자유전자로 흥분된 상태에 있다가 다시 원자에 있는 Hole과 결합하면서 빛을 발생시키는 원리입니다. 아래쪽에 상세하게 설명하였습니다.  

1) Passive 상태

LED는 반도체의 원리로 설명됩니다. 반도체는 위의 3개의 층으로 나누어 집니다. Conduction Band, Band Gap, Valence Band입니다. Conduction Band는 물질에서 자유전자를 의미합니다. Valence Band는 원자에 전자가 붙어있는 것을 의미합니다. Conduction Band와 Valence Band 사이에는 Band Gap이 존재하는데 Band Gap은 Valence Band에서 Conduction Band로 넘어가기 위한 저항을 의미합니다. 즉 에너지가 필요한 것이지요.

2) 전자는 열에너지를 흡수합니다. 

Valence Band에 있는 전자가 열에너지를 흡수하고 Conduction Band로 넘어갑니다. 열에너지를 흡수한 전자는 Conduction Band에서 자유롭게 움직입니다. 

3) Excited State

이 상태에서는 Conduction Band에 전자가 존재합니다. 반면에 Valence Band에는 전자가 빠져나간 Hole이 존재합니다. 

4) Recombination

Conduction Band에 있는 전자가 Valence Band에 있는 Hole과 만나면서 빛이 방출됩니다. 이 상태에서는 전자가 흡수한 에너지가 Band Gap에서 광자의 형태로 방출됩니다. 

 

4. LED 조명 방식 : RCD vs SMPS

출처: 남영전구

SMPS 방식과 RCD 방식의 차이는 위와 같습니다. SMPS 방식은 교류를 균일한 직류로 전환하여 LED 조명에 전달하기 때문에 일정한 빛을 낼 수 있습니다. 소위 컨버터가 있는 것이죠. 이 경우에 교류전류의 흔들림이 발생하더라도 LED 조명에 영향을 미치지 않습니다. 

반면에 RCD 방식의 경우 전기에서 교류의 파장이 그대로 전달이 됩니다. 이유는 SMPS 방식에서 사용한 부품중 비싼 부품을 일부 제거하여 원가를 낮추다 보니 SMPS 방식 만큼의 안정한 전기가 출력되어 나오지 않게 됩니다. 따라서 불안정한 전기가 LED 소자에 그대로 반영되다 보니 사진에서처럼 빛의 품질이 나빠지게 됩니다. 또한 불안정한 전기는 LED 소자를 파괴해서 고장이 발생하게 되기도 합니다. 

위에서 보신 바와 같이 SMPS 방식은 가격이 RCD 방식보다 비싸지만, 안정적인 반면 RCD 방식은 가격은 저렴하지만, 빛의 품질이 나쁘고 쉽게 망가질 우려가 있습니다. SMPS 방식의 LED 조명과 RCD 방식의 LED 조명이 가격 차이가 1,000원정도라면 어떤 것을 선택하시겠습니까?

 

5. LED 조명 판넬 내부

위 사진은 필자가 근무하는 곳의 LED 조명 판넬 내부입니다. 전원이 왼쪽 상단에서 들어와서 MC를 거치고 누전차단기를 거쳐서 SMPS를 거치면 교류 220V가 직류 12V로 출력이 되어 LED 조명으로 가게 됩니다. 이 LED 조명은 간판에 들어가는 LED조명입니다. 이와 같이 LED 조명은 직류를 사용해야 하기 때문에 반드시 SMPS가 들어가게 되어 있습니다. 여기서 SMPS를 쉽게 컨버터로 부르기도 합니다. 

만약 LED 조명의 상태가 좋지 않다면 위의 SMPS가 문제인 경우가 대부분입니다. 필자가 근무하는 곳에서도 LED 조명이 문제가 생기니까 조명 설치하시는 분이 가장 먼저 SMPS부터 갈아보는 것을 보았습니다. 

가정용 LED 조명도 구조는 마찬가지입니다. 가정용 LED 조명도 위의 그림처럼 컨버터가 전원을 직류로 바꿔서 공급해줍니다. 겉에서는 보이지 않지만 LED 조명 내부에 보시면 위와 같은 컨버터가 들어있습니다. 

오늘은 LED 조명에 대해서 알아보았습니다. 오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.