Technology Focus Ⅱ
가정용 백열 전구를 대신할 LED 조명

예전 LED 대체 설비(전구) 설계의 경우, 효율은 좋았지만 비교적 고가이며 수명도 짧았다.
그러나 효율을 뛰어넘는 그 밖의 시장 영향력이 차세대 가정용 전원으로 LED를 선택하게 함에 따라,
LED는 여전히 그 입지를 굳게 지키고 있다.


어디서나 볼 수 있는 백열 전구를 사용한지도 햇수로 130년이 넘었다. 이제는 경제적이고 효율적인 대체 전구를 가질 때가 되었다.
소형 형광 전구(Compact Fluorescent Lamps, CFL)는 효율은 높지만 유독성 수은이 포함되어 있다. 외국의 RF 플라즈마 전구와 같은 다른 후보들도 비영리 목적으로 조사된 적이 있었지만, 역시 문제가 있었다.

눈부신 역사

불의 시대가 시작된 이래, 인공 조명은 계속해서 인류와 함께해 왔다. 인공 조명은 햇빛이 있어야 가능했던 활동을 계속할 수 있게 해주었고, 사람들의 사회 활동 및 생산 활동 시간을 연장시켜 주었다. 오일 램프와 양초의 등장은 인공 조명을 하나의 기술로 발전시켜 하루를 일몰이 지난 시간까지 연장시켜 주었다. 가스등은 산업 시대와 함께 수많은 도시의 거리에 늘어서기 시작했다. 그렇지만 전등이 처음에 아크등의 형태로, 나중에 백열 필라멘트 램프로 등장한 것은 19세기 후반이 되어서였다.
백열전구는 지난 100여 년 동안 전세계 주택 어디에서나 볼 수 있었다. 그러나 백열 전구의 빛은 소량만 볼 수 있었고, 그 특징은 제법 잘 활용되었다. 백열전구 방출 스펙트럼의 90%는 적외선(불가시) 범위에 속한다(그림 1).
이와 같이 가시광선 작업에서는 백열 전구의 효율이 떨어지므로 대체 전구가 시장에 등장하게 되었다. 형광 조명, 저압 금속 램프 같은 경쟁 기술들은 지금도 널리 사용되고 있다. CFL은 소량의 유독성 수은이 포함되어 있음에도 불구하고, 높은 효율 때문에 친환경 기술의 상징으로 사용되었다.
오늘날은 조명 기술에 수많은 옵션들이 존재하며, 대부분은 고효율에 대한 요구에 기인하고 있다. 고압 나트륨(High-Pressure Sodium, HPS) 램프와 같은 일부 조명 기술들은 와트당 150루멘(lm/W)으로 매우 뛰어난 능률을 보이는데, 그 이유는 강력한 원자 나트륨 D라인 방출 대부분이 가시 스펙트럼 안에 있기 때문이다. 또한 2만 시간이라는 긴 수명도 갖고 있다. 이러한 램프는 거리와 옥외 조명에서 활용되고 있다. 그러나 노란색이 강하기 때문에 일반적인 조명에는 적합하지 않다.

고체 조명

지난 10년 동안 LED 이미터의 능률은 크게 개선되어 100lm/W를 초과하는 백색 LED가 일반화되었다. 그러나 LED 램프에는 여전히 비용 제약이 따른다. 이 간극을 메우기 위해 미 에너지부는 L-Prize 대회를 열어 경쟁을 유도함으로써 LED 전구의 생산 가격을 낮췄다. 여기서 필립스가 60W L-Prize를 수상했으며, 이 전구는 지금도 시중에서 구입할 수 있다. 이 대회에 참가한 전구들은 전부 표준 설비를 개장하도록 설계되었으며, 표준 TRIAC 디머(Dimmer)는 필립스의 설계를 포함하여 이들 대부분을 조광할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 디머와의 호환 요건과 세계적으로 사용되고 있는 고전압 작동 요건은 전자 기기를 복잡하게 만들며 전구의 비용을 높인다. 또한 이러한 전구는 표준 설비 상태의 기존 전구만 대체할 뿐이다. 예를 들어 BR30 조명은 미국 전역의 수많은 가정에서 매립형 조명으로 사용되고 있다. 이것은 표준 에디슨 E26(26mm) 소켓에 끼워지는데, 이 소켓은 고전압(110V ac) 교류만 공급한다.
이러한 대체 LED 조명은 백열전구에 맞춰 설계된 환경 문제를 반드시 해결해야 한다. 백열 필라멘트 기반 광원의 방출 대부분은 적외선 범위 내에 들어가는데 이것은 열을 방출시킨다. 이 열은 전구에서 “방사”되며, 이것은 식당 통로와 케너[Kenner, 나중에는 하스브로(Hasbro)]가 만든 초기 유아용 장난감 오븐(Easy Bake Ovens)의 난방 요소로 활용되기도 했다. 그러나 LED 이미터는 폐열을 방출하지 않는다. 그 대신 LED는 이를 전도해야 하는데, 이 경우 100년이나 전에 설계된 설비를 개장하는 데 있어 또 다른 엔지니어링 문제를 낳게 된다. 때문에 지느러미가 있거나 가끔은 누벤틱스 신제트(Nuventix SynJet) 냉각 기술과 같이 능동 소자가 있는 이상한 모양의 설계가 나오게 된다.

주택 조명의 미래

기존 백열 전구보다 훨씬 더 효율적인 수백 만 개의 대체 전구 시장이 존재한다. 에너지 절감 이상의 다른 요인이 결국 주택 조명을 한층 더 정교하게 만들어줄 것이다. 능률을 뛰어넘어 설계자가 아직 충분히 실현시키지 못한 추가 기능, 예를 들어 컬러를 바꿀 수 있는 LED의 기능들을 제공하고 있다.
삼색(적색, 녹색, 청색) 설비는 색채 혼합을 가능하게 하여 공간의 외관을 바꿀 수 있고 분위기에 영향을 줄 수 있다. 색채 심리학이라는 최근의 연구 분야는 색채를 느낌과 연결시키고 있다. 예를 들어 청색은 휴식과 안락의 느낌을 주는 것으로 여겨지고 있다. 이러한 지식을 이용하여 보잉의 새 제트기는 청색과 백색 LED 이미터로 꾸민 트레이 조명으로 승객들의 휴식을 돕고 있다.
색채를 바꿀 수 있는 능력은 기존의 조광 패러다임에 새로운 차원을 열어주었으며, 인프라나 설비 자체에서의 컨트롤이 필요하다. 한 가지 해결책은 표준화된 통신 프로토콜과 함께 지그비(Zigbee), 6LoPAN, 802.11(와이파이)과 같은 무선을 설비 내부에 추가하는 것이다. 그러면 휴대 전화의 모바일 앱만큼 컨트롤이 단순해져 쉽게 색채를 바꾸거나 실내 조명도를 바꿀 수 있게 된다.
문제는 통신 물리 레이어와 프로토콜을 위한 표준이 부족하다는 것이다. 단순한 E26 소켓과 달리, 무선 연결 메시 네트워크 조명 설비에는 채택 표준이 필요하다. 업계는 우선 상업 환경에서 사용처를 찾을 수도 있을 것이다. 그러나 이와 같은 종류의 컨트롤이 가정까지 도달하려면 최소 한도의 표준들이 있어야 한다.
그때가 되면 새로운 전력 시스템이 필요해질 것이다. 이머지 얼라이언스(E-Merge Alliance)의 상업용 표준안처럼 주거용 DC 전력 그리드가 있어야 한다. 고전압 전송은 장거리에서 케이블의 저항 상실을 줄여 에디슨의 DC 전송을 물리쳤다. 이것은 대규모 전송에는 좋지만, 대부분의 현대 기기들은 DC 저전압 전력에서 실행된다.
AC 전원 플러그를 가진 모든 전자 기기 역시, 복잡한 전원 공급 장치가 있어야 고전압을 정확한 내부 DC 전압으로 바꿔 전자 기기를 작동시킬 수 있다. 표준화된 DC 커넥터, 적어도 주거용 DC 버스에 대해 몇 가지 안들이 제시되었다. 그러나 아직 어떤 표준도 채택된 바가 없다.
덧붙여 DC 플러그의 표준은 이더넷이나 그 밖의 유선 통신 표준을 플러그로 가져올 수 있어 이미 널리 퍼져 있는 물리 레이어도 허용된다.