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신축 주거용 및 상용 조명 기구에 LED 사용이 증가하면서 엔지니어와 설계자는 열 문제로 인한 조기 고장으로부터 LED를 보호해야 하는 과제에 직면하게 되었다. LED는 열에 매우 취약하기 때문에 사용자 혹은 제조업자가 생각했던 것보다 훨씬 더 빨리 밝기를 상실할 수 있다. 고품격 조명 솔루션과 고체 소자 조명이 약속하는 긴 수명을 동시에 보장하기 위해서는 열 설계와 이미터(emitter)로 인한 추가 비용 사이에서 균형이 이루어져야만 한다.
1. 서 론
전 세계적으로 전기 에너지 발전량의 20~50% 정도가 조명에 사용된다. 인구 증가와 더불어 가능한 방안은 두 가지이다. 새 발전소를 건설하여 발전량을 늘리는 방법과 현재 발전량의 사용 효율을 높이는 방법이다. 하지만 발전소 신축 여력이 있다 해도 전력이 필요한 곳에 전선 연결을 계획하고 설비하는 데 몇 년이 걸릴 수 있다. 따라서 조명 산업에서는 효율 개선 방안에 중점을 두어야 한다.
LED는 1970년대에 지시등으로 사용되던 백열등의 대체물로써 상용화되었다. 오늘날 LED는 와트당 100루멘 이상의 광속을 제공하며 일반 조명 분야로 시장을 크게 확장하고 있다. 조명 기구 설계를 백열등에서 LED로 전환할 때 맨 처음 부딪히는 문제는 열 특성의 차이이다. LED 제조업체는 실제로 이미터의 수명 곡선을 온도의 함수로 발표하는데, 이것은 조명 기구 설계자들에게는 생소한 개념이다.
2. 본론
2.1. LED의 문제점
백열등은 가시광선을 약간 방출하는 히터로 볼 수 있는데, 백열등에서 방출된 빛의 90% 정도가 육안으로 보이지 않고 감지만 할 수 있는 700nm 밖의 적외선 영역에 속한다(그림 1 참조).
[그림 1] 백열전등 방출 스펙트럼
백열등 근처에 있으면 적외선 열을 느낄 수 있으며, 이 열은 주방 조리대에서 문제가 된다. 낭비된 IR 광이 전등 아래 놓인 음식을 데워서 부패를 촉진할 수 있기 때문이다.
LED에도 문제는 있다. LED 광은 ‘밴드갭(band-gap)’이라고 하는 금지된 에너지 영역에서 전자로 생성된다. 전자들이 전공
(Electron Hole) 또는 전자 결핍부에 결합될 때, 장애물을 건너는 동안 에너지가 손실된다. 밴드갭을 조정하여 다양한 주파수의 빛을 발생시켜서 이 에너지를 조정할 수 있다. 기존의 백색 LED는 자외선 또는 강한 청색광을 생성하는데, 이들은 광 경로에 있는 형광 물질을 여과시키기 위해 사용된다. LED 접합부에서 전자를 양자로 변환하는 프로세스는 완전하지 않다. 접합부에서 생성되는 전자의 대부분은 방출되지 않고 재결합되어 불필요한 열을 생성한다. 또한 백색광을 생성하기 위해 LED 발광 주파수 전이에 사용되는 형광 물질은 ‘스트로크 전이’라는 현상에 의존한다. 두 가지 메커니즘이 모두 LED 접합부에서 제거되지 않으면 심각한 손상 요인이 되는 불필요한 열을 발생시킨다.
LED는 기존의 백열 조명처럼 급작스런 사고를 일으킬 확률은 적다. 서서히 저하되면서 광자 방출에 영향을 미치고, 결국 빛의 흐려짐을 초래하기 때문이다. 산업용 수명한계 지표는 두 가지로, L70(초기방출의 70% 생존)과 L50 포인트(50% 방출점)가 있다. 일반적으로 L70 포인트는 LED 조명 기구 또는 전구의 가용수명(Useful Life)으로 사용된다. 미국 에너지성(DOS, Department of Energy)은 NIST, ANSI와 같은 표준 기구와 활발히 협력하며, 이미 ANSIC78.377-2008, ‘고체 소자 조명 제품의 색도 사양(Specifications for the Chromaticity of Solid-State Lighting Products)’등의 몇 가지 표준을 발표했다. 하지만 TM-21, ‘LED 수명 예측 방법 (Method for Estimation of LED Life)’과 같은 수명 예측 표준은 계속 개발 중에 있다. 가장 중요한 점은 LED 작동 온도가 낮을수록 수명이 연장된다는 것이다.
2.2. 열 문제에 대한 해결책
성공적인 LED 조명 기구 설계의 비밀은 바로 적절한 열관리에 있다. 주위 공기 온도를 비롯하여 조명 기구의 열 성능에 영향을 미치는 요인이 몇 가지 있지만, 특히 부적절한 열 설계가 LED에 치명적이다. LED에서 발생되는 불필요한 열을 제거하는 것은 무엇보다 중요하며 떠오르는 조명 산업에서 승자와 패자를 결정지을 수 있는 요인이기도 하다. LED 시장은 두 곳으로, 하나는 에디슨 방식 전구와 캔 혹은 저전압 할로겐 조명 기구와 국부 조명의 개장 또는 기존 인프라 시장이다. 나머지는 안정성과 총 소유 비용이 중요한 비중을 차지하는 신축 건설 및 상용 분야이다. 현재는 인프라에서 두 분야 모두 열관리가 미흡한 상태이다.
개장 시장의 경우 기존 조명 기구의 열악한 열 특성을 처리하는 과제와 비용을 포함해 몇 가지 장애물이 더 있다. 열과 비용 문제를 해결하는 방법 중 하나가 자연 공조이다. 이 방식에서는 LED로 부터 열을 내보내는 저(低)저항 경로를 제공하는 설계의 대형 방열판이 조명 기구나 전구에 필요하다. 전기 전류와 마찬가지로 열 경로의 모든 열 저항이 온도 상승을 초래한다. 열 임피던스는 와트당 온도(°C/W)로 측정되며‘θ(세타)’기호를 사용하여 값을 표시한다. 예를 들어 20°C/W와 동일한 θsa 값은 주위 열 임피던스에 대한 방열판(s)을 가리키며 손실되는 전력 1와트당 20도씩 온도 상승을 초래한다. [그림 2]는 LedEngin社의 패시브 열 PAR38(투광 조명등 스타일) 설계를 보여준다. 이것은 현재 시판되고 있는 제품이다.
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