Flashlight Story 7

 

-  LED 라이트에 대해서 -

 

3. LED의 구조

 

 

위 사진은 다양한 형태의 LED입니다.

이들은 비교적 우리 주위에서 많이 볼 수 있는 LED들로 그 응용범위는 신호용 인디케이터나 라이트용으로 사용되고 있습니다.

특히 위 사진에서 왼쪽으로 5번째의 원형 적색 LED는 전체 LED 생산에서 약 80%를 차지하고 있는데,

앞서 말씀드린 것처럼 휴대용 라이트용으로 사용되는 LED는 지극히 적은 비중을 차지하는 것에 지나지 않으며,

전통적으로 이 분야에 주력하고 있는 니치아 등의 메이커들이 비록 고출력 LED 라이트 시장에서는 별로 언급이 되지 않지만 전체 LED 시장에서는 상당한 비중을 차지하고 있습니다.

 

각각의 형태나 크기에서는 조금씩 차이가 있기는 하지만,

LED는 그 구조에서는 큰 차이가 없습니다.

 

 

위 그림은 LED의 구조를 간단하게 설명한 것입니다.

원형의 빨간색 덮개는 수지재질의 투명 덮개이며,

그 안에는 각각 플러스/마이너스 극의 막대가 있고,

그 양끝은 서로 떨어져 있으며,

와이어로 연결된 오목한 부분에서 빛이 발생하게 됩니다.

 

이를 조금 더 자세히 살펴 보면 다음과 같습니다.

 

두 전극 막대인 애노드와 캐소드는 와이어로 연결되어 있는데,

이 두 막대의 간격에 의해 색상이 차이가 나기도 합니다만,

이는 화이트 LED가 아닌 색상 LED에 해당됩니다.

 

 

그런데 1W급 이상의 파워 LED가 되면,

발광시 발생하는 열을 분산시키기 위해 힛싱크를 마련해 주어야 하므로 그 외형에 변화가 있는데,

구조상의 차이는 없고 열을 분산시키기 쉽게 너비가 커지는 형태를 취하게 됩니다.

 

(사진: 룩시온 1 에미터)

그래서 실제로는 위 사진과 같은 형태를 갖추게 됩니다.

 

위사진에서 칩부분에 대한 상세한 도표 설명은 다음과 같습니다.

 

 

위 표는 적외선 LED를 이용하여 색상 LED를 만드는 것을 설명한 것인데,

(적외선 파장의 LED는 별도의 조합없이 만들 수 있으며 적색, 청색, 황색도 그러합니다.)

여기에 각종 형광체 분말을 조합하여 원하는 색상을 만들어 냅니다.

 

 

그런데 여기서 라이트용의 화이트 LED를 만들려면,

다른 색상 LED 위에 인광물질 등을 코팅하여 색온도로써 백색을 내게 됩니다.

 

위 도표의 a 는 화이트 LED의 기본적인 구조이고,

(보통 화이트 LED의 기반은 블루 LED입니다만, 그 외의 방법도 있습니다.

여기서는 블루 LED를 기반으로 설명하였습니다.)

 

b 는 칩부분을 확대한 것인데,

오목한 부분에 놓인 칩 위를 인 등의 형광물질을 채우게 됩니다.

그 후에 전극에 전류를 넣으면 인의 분자가 반응하게 되면서 빛이 발생합니다.

 

그런데 인의 반응을 촉진시키기 위해서는 온도가 높아져야 하므로

열방사와는 원리가 다르더라도 파워 LED들은 전류량이 높아지며,

이 전류가 더욱 많은 빛에너지로 바뀌게 되는 것입니다.

그러므로 발열이 심한 LED가 더 좋다라는 것도 틀린 것은 아닙니다만,

최근에는 이러한 부분이 많이 개선되었습니다.

 

그리고 결정적으로 LED를 랭크로 구분하는 비닝은 LED 칩의 소성과 그 위에 코팅되는 형광물질의 두께, 소성, 양과도 관계가 있습니다.

 

 

통상적인 LED 칩의 크기는 위 도표에서 보듯이 가로,세로가 각각 0.5mm 정도가 됩니다.

(면적은 0.5mmX0.5mm= 0.25㎟ )

그러므로 이 위에 형광물질을 코팅한다는 것은 깨알보다 더 작은 부분에 바늘끝 등으로 물감을 살짝 묻혀 주는 것과 비슷한 초정밀 작업이 되며,

그로인해 어느 정도의 오차가 발생하기 마련입니다.

또한 LED 제조 과정에서 이러한 조그마한 오차들이 공정에 반영되어 실제 제품이 나오게 되면,

각각의 개별 편차를 지니게 되는데,

현대의 마이크로 기술로도 이를 감수해야 하며 본격적인 나노 기술 시대가 된다면 보다 나아질 것입니다.

 

 

위 사진은 LED 칩 부분을 확대한 사진입니다.

여기서 사각 접시의 바닥이 가로,세로 각각 0.5mm 라고 생각하면 될 것입니다.

 

이처럼 LED는 그 제조에 있어 다소의 오차를 포함하고 있으므로 같은 틴트의 같은 랭크가 나온다는 것이 이상할 정도입니다.

특히 블루 LED 라이트를 보아도 각각의 편차가 있는데,

이를 조합하여 만든 화이트 LED는 그 편차가 더 심하다고 보아야 할 것입니다.

 

물론 최근에는 과거보다 동일 제품간의 편차가 적어지기는 했습니다만,

아직도 제품간 편차는 존재하는데 이는 현재로서는 구조적인 불가항력이므로 팔자려니 하고 받아 들이는 것이 정신 건강상 매우 유익할 것으로 사료됩니다.

 

이와 관련된 사항을 덧붙일 것이 있는데,

하단의 도표를 보시기 바랍니다.

 

 

위 도표는 색온도와 스펙트럼에 의한 색상 비교입니다.

 

중간에 1,500 ~ 10,000 까지의 수자를 잇는 선이 플랭크 영역이 됩니다.

(이는 물리학적으로는 매우 중요한 것 같은데 저도 이해가 안되니 생략하겠습니다.)

 

이 도표에서 백색으로 볼 수 있는 영역은 색온도상으로 약 4,000 ~ 10,000K 에 해당됩니다.

즉 우리가 화이트 LED 라고 하는 것은 이 영역의 색온도값을 가지고 있다고 보면 되는데,

다음 도표를 통해 색온도를 살펴 보시기 바랍니다.

 

  * 1,700 K: 성냥불

  * 1,850 K: 촛불

  * 2,800 K: 백열전구(텅스텐 필라멘트)

  * 3,400 K: 스튜디오 조명

  * 4,100 K: 달빛Moonlight

  * 5,000 K: 주간의 일사광선

  * 5,500 K: 평균적인 주간의 일사광선, 플래시라이트

  * 9,300 K: TV screen(브라운관)

 

햇빛이 5,000K 정도이니깐 이 정도면 일단 화이트라고 할 수 있습니다만,

실제로 화이트 LED는 6,500K를 기준으로 하여

그 이하이면 웜화이트, 그 이상이면 페일화이트라고 하며 대체로 8,000K 근처를 말합니다.

이두가지 화이트색상을 이렇게 스펙트럼으로 연속된 그래프로 보게 되면 중간의 경계가 구분이 안되지만,LED 라이트를 개별로 놓고 비교하면 그 차이가 상당한 편입니다.

 

그래서 우리가 백색이라고 하는 것은 5,500K면 충분하다고 볼 수 있고,

서양 사람들 경우는 웜화이트를 선호한다고 합니다만,

흔히 약간 파르스름한 기운이 도는 백색인 페일화이트(차가운 느낌을 줍니다)를 선호하는 경향이 있읍니다.

 

어쨌든 화이트 LED는 기본적으로 색상의 온도로 구분되는 것이며,

그 기반이 블루 LED에 있으므로 스펙트럼 자체가 짧습니다.

이는 거꾸로 생각하면 가시광선 만을 방사하므로 쓸데없이 에너지를 낭비하지 않아 효율면에서는 우수하다고 할 수 있습니다만,

다른 관점에서 보자면 이는 가청영역 만을 남기고 나머지 음원을 생략하는 MP3 형태가 됩니다.

(음원 파일인 MP3는 원음원인 CD 등으로부터 가청영역만을 추출하는 방식입니다)

그래서 MP3보다는 CD의 음원이 풍부한 것처럼 LED 보다는 백열광의 광원이 더 풍부하다는 것이 되는데,

이는 LED가 주로 가시영역을 겨루는 일반 라이트 영역에서는 이점도 많고 백열전구 등과 어깨를 나란히 할 만 하지만,

보다 넓은 스펙트럼과 에너지를 요구하는 스튜디오, 촬영용, 그 외의 특수 조명 분야에서는 활용도가 떨어지게 되므로 아직은 LED조광을 기피하고 있읍니다.

 

출처: http://www.ohled.com/20070504004  작성자: curse

 

Flashlight Story 7

 

-  LED 라이트에 대해서 -

 

1. LED의 특성 및 장단점

 

현재 LED는 플래시라이트 뿐 만이 아니라 인디케이터, 조명, 디스플레이, 신호등, 리모컨 등에 이르는 매우 다양한 분야에 응용되고 있으며, 앞으로도 그 범위는 계속 커질 것으로 전망하고 있습니다.

 

그렇다면 LED는 기존 광원들로는 불가능한 것을 가능케 했다거나 개선의 효과가 있음이 분명한데 적용 분야에 따라서 차이가 있기는 하겠지만,

이 자리에서는 주로 플래시라이트를 이야기하는 자리이니 만큼 조명 또는 조사용의 LED의 특성에 대하여 살펴 보도록 할텐데,

그 전에 다른 광원들에 대해서도 잠깐 살펴 보도록 하겠습니다.

 

광원은 자연적인 것인공적인 것으로 나눌 수 있는데,

플래시라이트나 조명은 당연히 인공적인 조명에 해당됩니다.

 

인공조명은 발광 현상을 통해 빛을 방사하는데,

이러한 인공 발광은 크게 2가지로 나뉘어 집니다.

하나는 열을 에너지로 하는 열방사에 의한 것이고, 다른 하나는 열에너지가 아닌 다른 에너지를 사용하는 것인데 이를 총칭하여 루미네선스(luminescence)라고 합니다.

 

 

위 도표를 통해 광원 및 발광의 종류를 간략하게 살펴 볼 수 있습니다.

 

이 중에서 우리가 흔히 접할 수 있는 것이 백열전구, 할로겐전구, 형광수은램프, LED 정도인데,

백열전구와 할로겐전구는 필라멘트에서 방출하는 열이 충진된 가스로 복사되면서 빛에너지로 바뀌게 되어 광원으로써 역할을 하게 됩니다.

그런데 방식은 조명으로 사용할 수 있는 가시광선 파장 이외에도 적외선 등의 비가시광선도 함께 만들어 내므로 전력이 낭비되어 효율이 떨어지게 됩니다.

 

이와 달리 루미네선스는 열에너지를 직접 복사하는 것이 아니라 분자, 원자 등을 변형시켜 이를 빛에너지로 전환하는 방식입니다.

예를 들면 형광수은램프(우리가 흔히 사용하는 형광등입니다)는 유리관 안에 수은증기가 채워져 있고 유리관 안쪽에는 형광도료를 칠한 것입니다.

여기에 전기를 넣으면 유리관 내부의 전극에 열이 가해지고 이것이 수은증기를 분해시켜 자외선을 방출하게 됩니다.

여기서 방출된 자외선은 형광도료가 칠해진 유리관을 통과하면서 가시광선으로 바뀌게 되어 우리가 사용할 수 있는 조명이 됩니다.

이는 발광의 에너지로 전기를 사용하는 것이므로 전기 루미네선스라고도 합니다.

 

전기를 에너지로 사용하지만 전극을 가열하는 방식과는 달리 발광체 속에 전극을 넣어 바로 빛에너지로 바꾸는 방식을 일렉트로루미네선스라고 합니다.

이를 통칭하여 전기장발광이라고 하며  EL(electroluminescence)이라고도 하는데,

스타워즈 광선검이나 디스플레이 모니터용의 백라이트 등에 사용되고 있습니다.

 

이러한 전기장발광과 원리는 같지만 반도체에 전류를 주입하여 발광시키는 방식을 주입형일렉트로루미네선스라고 하는데 이것이 바로 발광형 다이오드 LED가 됩니다.

 

각각의 광원에는 각각의 특장점이 있은데

이제 LED의 장점을 알아 보도록 하겠습니다.

 

1) 높은 효율

효율이 높다는 것은 투자되는 자원에 비해 기대할 수 있는 생산성이 높다는 의미가 됩니다.

이를 전기를 사용하는 라이트로 바꾸어 보면 같은 전기 에너지를 가지고도 보다 높은 광량을 조사한다는 의미가 됩니다.

아래의 표를 보면 각 광원별 효율이 있는데,

LED의 경우 형광등보다는 낮지만 백열전구나 할로겐전구보다는 높은 것을 알 수 있습니다.

또한 이 도표의 기준은 과거 룩시온의 기준이므로 현재의 차세대 LED는 거의 형광등에 육박하는 높은 효율을 보여 주고 있습니다.

 

램프 종류 전력 (W) 효율 (Lumens/ W) 평균 수명(hr)
백열전구 25–200 11‑20 750‑5,000
할로겐전구 50–150 18‑25 2,000‑3000
형광등(4 ft) 32 88 20,000
Light Emitting Diode 1.2–1.4 16‑53 60,000‑100,000 White is lower

 

2) 긴 수명

일반적으로 백열전구는 수천시간, 형광등이 2만 시간인 것에 비하면 LED의 수명은 10만 시간에 육박합니다.

 

3) 소형화 

백열전구, 특히 형광램프에 비하면 LED는 매우 소형이므로 휴대용 라이트에 사용하기 적합하며 이를 위한 주변 장치의 설치 비용도 절감할 수 있습니다.

 

4) 견고함

LED는 발광체를 반도체칩으로 하고 그 위에 합성수지 재질의 덮개를 씌운 것이므로 유리 튜브, 유리관 등에 증기나 가스를 채운 형태인 백열등, 형광등에 비해 매우 충격에 강합니다.

보통 LED 라이트의 경우에 헤드에는 렌즈가 있고,

그 안에 LED 모듈이 장착되는데,

LED는 외부 렌즈나 덮개가 파손된다고 해도 칩에 직접적인 충격을 가하지 않은 한 발광에는 지장이 없습니다.

그에 비해 형광등이나 백열등은 충격에 매우 취약합니다.

 

5) 색상 조합의 용이

백열등과 같은 전구들은 색상을 변환하려면 필터 등을 사용해야 하지만,

LED는 조합에 의해 매우 다양한 색상을 만들어 낼 수 있고,

RGB LED처럼 하나의 LED에서도 여러 색상을 표현할 수 있습니다.

 

6) 광량 조절의 용이

LED는 입력 전류를 조절하여 최대 밝기로도 최소 밝기로도 일정 시간을 유지하는 것이 가능하지만 기타 광원은 조절이 되지 않거나 그 폭이 매우 좁습니다.

 

7) 신속한 점등/소등 

형광등의 경우에는 전극의 예열이 필요하지만,

LED는 그러한 과정이 없이 마이크로초 단위로 반응하며,

반복적인 점등/소등은 형광등에 치명적인 영향을 주는 반면 LED에는 영향을 주지 않으며,

이러한 특성은 인디케이터 등에 응용되고 있습니다.

 

8) 환경 친화적 

LED의 구성물질은 대개 반도체와 일치하며 형광등처럼 수은 등을 사용하지 않습니다.

 

9)적은 유지비 

효율이 높다는 것은 전기 소모가 적다는 것이며,

수명이 길다는 것은 교체 주기가 길다는 것이고,

내구성이 높다는 것은 파손이나 고장률이 낮다는 것으며,

기타 추가되는 부품이 거의 없으므로 부품 교체로 인한 추가 비용 발생이 거의 없기 때문입니다.

 

이상이 다른 광원에 비해 우수한 LED의 장점인데

물론 LED에도 단점이 있는데,

이번에는 단점을 소개해 보기로 하겠습니다.

 

1) 높은 제조 비용 

LED는 많은 장점에도 불구하고 현재로서는 광량 대비 제조비용이 높은 편이며,

특히 같은 방식으로 광량을 늘려가는 백열전구나 형광등에 비하여 제조 방식 자체가 달라지는 특성이 있어 고출력 LED는 상대적으로 가격이 높은 편입니다.

 

즉 백열전구나 형광등은 밝기에 비례하여 상승되는 가격이 일정한 배율로 올라가지만,

 LED의 밝기 등급을 올리거나 출력을 올리기 위해서는 일정단계까지는 비슷하지만,

(현재로서는 1W와 3W, 3W와 5W 간의 비용차이가 많이 줄었지만 과거에는 그 차이가 상당했습니다.) 그 이후부터는 단순히 몇 배 정도가 아니라 몇 십배도 차이가 날 수 있습니다.

하지만 이는 메모리처럼 기술적인 향상이 지속되므로 점차 그 가격은 낮아질 것으로 보입니다.

 

2) 높은 발열 

LED는 반도체에 전류을 주입하여 빛을 내는 과정에서 칩 주변 온도를 상승시키게 되므로 장기적으로는 기판 및 칩 자체에 영향을 주어 오작동 또는 수명을 단축시키는 결과를 초래합니다.

그러므로 상대적으로 발열이 심한 고출력 LED일 경우 충분한 열배출 공간 또는 설계를 하여야 합니다.

 

3) 색상의 불일치 

LED라이트, 특히 조명으로 주로 사용되는 화이트 LED는 그 스펙트럼 자체가 짧기 때문에 자연광에서 느끼는 인체지각 색상과 차이가 백열등이나 형광등보다 더 큽니다.

이를 CRI(Colour Rendering Index) 지수라고 하는데,

자연광 하에서의 지각 색상과의 일치도를 0 에서 100 까지의 수치로 표기합니다.

(물론 지수가 100 이면 완전 일치입니다.)

이 CRI 지수가 백열등은 100 이며, 형광등은 75 ~ 90, LED는 70 ~ 90입니다.

 

이상으로 LED의 장단점을 살펴 보았고,

그를 통해 LED가 아직 발전 단계에 있기는 하지만 써치라이트, 조명, 촬영용으로는 다소 부족하기는 해도 휴대용 라이트에 사용할 경우에는 매우 높은 장점이 있다는 것을 알 수 있습니다.

 

물론 유지비는 적게 든다고 하여도 휴대용 라이트의 광원으로써는 아직 비싼 편인데,

최근 중국 메이커들의 제품을 보면 이제 상당한 가격 경쟁력도 함께 갖추고 있다고 보여 집니다.

 

출처: http://www.ohled.com/20070504004  작성자: curse

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-  LED 라이트에 대해서 -

1. LED의 역사

 

LED는 Light Emitting Diode 의 약자로 발광 다이오드 즉 빛을 내는 반도체 소자를 의미합니다.

 

LED는 이미 19세기 말에 발광현상이 발견되어 꾸준히 연구되었고,

1960년대에 가시광선 스펙트럼을 내는 LED를 개발되었으며,

1970년대에 이르러 광원으로써 사용되기 시작하였는데,

당시에는 조사용 조명으로써는 너무 약하였으며,

결정적으로 블루 LED가 없어 삼원색 조합인 백색의 LED를 만들지 못하였습니다.

 

그 후에도 LED에 대한 연구가 계속되어 신호용 인디케이터 등으로 많이 사용되었고,

1993년에 드디어 블루 LED를 생산됨으로써 화이트 LED를 향한 길이 열리게 되었습니다.

화이트 LED를 만드는 방법은 여러 가지가 있지만,

그 중에서도 블루 LED를 이용하면 보다 쉽고 효율적이었으므로 블루 LED의 발명은 세기적인 발명이라고 할 수 있습니다.

그래서 마침내 1996년에 이르러 일본 日亜化学工業株式会社(일명 니치아)에서 화이트 LED를 생산하게 되어 드디어 조사용 조명으로써의 길을 활짝 열었습니다.

 

그 이전까지는 주로 인디케이터 등으로 사용되었던 LED가 이제는 백색을 사용할 수 있게 되어 플래시라이트에 적용되기 시작하였는데,

아직 그 당시에는 현재와 같은 고출력 LED가 아닌 mW 급 제품이었으므로 주로 열쇠고리용 라이트로 사용되었습니다.

하지만 이 역시도 화이트 LED 개발로부터는 수년이 흐른 후였으며,

그 이전에는 열쇠고리용 라이트라고 하여도 주로 적색, 청색 등이 주류를 이루었고 라이트라기 보다는 선물가게에서 판매하는 악세사리 정도에 불과하였습니다.

몇몇 업체들은 LED의 가능성을 보고 일찍이 라이트를 생산하였는데 그 대표적인 업체가 포톤라이트입니다.

 

그 후 1999년에 미국 루미리즈(Lumileds)에서 대형 반도체를 사용하여 전압을 높힌 고출력 LED를 출시하는데,

이 제품은 기존 제품보다 모듈이 큰 W급 LED로 비로소 LED 플래시라이트가 활성화되기 시작합니다.

루미리즈에서는 이러한 고출력 LED에 룩시온(Luxeon)이라는 상표명을 붙였기 때문에 이후 몇 년간은 플래시라이트를 구분할 때 룩시온급이냐 아니냐가 밝기와 품질의 기준이 되었으므로 이 시기를 룩시온 시기라고 할 수 있습니다.

물론 현재도 대다수의 LED 라이트들은 여전히 룩시온을 사용하고 있지만 첨단을 지향하는 제품들은 이미 Cree나 서울반도체의 제품을 사용하고 있으므로 룩시온이 여전히 강세이기는 하지만,

당시로는 최첨단을 의미했던 룩시온이라는 단어가 이제는 한물갔다라는 의미로 다소 퇴색이 되었습니다.

(하지만 이는 현재 상황이고 또 바뀔 수도 있는 문제입니다)

 

룩시온 제품이 출시되면서 LED를 사용한 플래시라이트가 제작되기 시작하였는데,

2000년 무렵에는 주로 mW급 제품들이 주를 이루었고,

2002년에 루미리즈는 5W 화이트 LED를 출시합니다.

5W 화이트 LED는 플래시라이트용 개발된 것으로 이후부터 LED 라이트 제품이 비약적으로 발전하기 시작합니다.

1W급 미만의 제품들도 열쇠고리용 라이트등에 사용되기는 하지만 실제로 LED 메이커 입장에서 보자면 플래시라이트용으로 사용되는 LED는 전체 LED 시장으로 보면 매우 비중이 적었으며 기존의 제논, 할로겐 램프를 사용하는 제품들에 비하면 상대적으로 밝기가 너무 떨어지기 때문이기도 했습니다.

하지만 5W급 LED가 되면 100루멘 이상의 광량을 낼 수 있으며,

이미 크기대 밝기로 본다면 기존의 필라멘트 램프들을 능가하는 제품이 됩니다.

그래서 2002년부터 2005년까지는 주로 5W급 LED 라이트의 광량 경쟁이 심해지는데,

그 이상의 고출력 LED를 제조하는 비용이 너무 크며 효율 자체도 떨어지므로 그 이후에는 주로 3W급 LED 라이트의 효율을 올리는데 주력을 하게 되었고,

룩시온 제품의 단점인 발열을 감소시키는 제품들이 개발됩니다.

 

물론 룩시온도 차기 모델로써 열을 감소시키고 효율을 높힌 K2의 개발을 발표하지만,

이미 CREE, 서울 반도체 등에서 먼저 개량 제품을 내놓게 됩니다.

이 제품들은 3W급 제품들로써 기존 제품들에 매우 효율이 높으면서도 상대적으로 소비 전력이 적어 2006년 말에 첫선을 보인 이후에 지금은 첨단 고출력 LED의 기본 사양이 되었습니다.

 

앞으로도 효율을 높히기 위한 연구가 계속 진행중이므로 LED 라이트는 계속 발전할 가능성은 높으며,

이제는 라이트 분야에 있어서도 그 비중이 과거에 비해 매우 커졌으므로 한 동안 일상용 손전등 분야에서 LED 라이트의 강세는 지속될 것입니다.

 

출처: http://www.ohled.com/20070504004  작성자: curse


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