주거용 조명의 미래
CFL은 백열전구를 대체할 발광체로 주목 받았지만, 여기에는 독성물질인 수은이 함유되어 있었고, RF 플라즈마 전구도 같은 문제를 안고 있었다. 그러나 최근 조명 시장에서 차세대 주거용 광원이 주목을 받으면서 LED가 나름의 위치를 확보하고 있다. 여기서는 최신 LED 조명을 살펴보고, 기존의 백열전구를 외면하는 최근 시장의 경향에 대해 알아본다.
130년 동안이나 사용되어 온 백열전구를 대체할 수 있는 보다 경제적이고 효율적인 발광체가 최근에서야 개발되기 시작했다.
소형 형광 전구(CFL)는 높은 효율성 때문에 백열전구를 대체할 수 있는 발광체로 주목 받았지만, 이 전구에는 독성물질인 수은이 함유되어 있다는 맹점이 있었다.
또한 색다른 발광체인 RF 플라즈마 전구와 같은 다른 대체 광원은 비상업적 용도로만 연구되었지만 같은 문제를 갖고 있었다.
이전의 LED 대체 조명(전구) 설계의 경우 효율은 뛰어났지만 비교적 가격이 비싸고 수명이 짧았다.
인류는 불을 사용하기 시작할 때부터 인공 조명을 사용해 왔는데, 인공 조명은 어두워진 후에도 일광이 필요한 사회활동이나 생산활동 시간을 연장시켜 주었다.
기름 램프와 양초가 발명됨에 따라 인공 조명은 해가 진 후까지 하루를 연장시킬 수 있는 기술로 발전하게 되었다. 산업시대에는 가스 조명이 등장하여 많은 도시의 거리를 밝혔다. 그러나, 전기 조명은 19세기 후반에 이르러서야 사용되기 시작했다.
전기 조명의 경우 초반에는 아크 램프 형태였다가 이후에는 백열등으로 발전했다.
이후 백열전구는 100년 이상, 전세계의 어느 가정에서나 사용되었다. 그러나 잘 알려진 바와 같이, 이 기술은 작은 비율의 가시광선만 만들어낸다. 백열등 발광 스펙트럼의 90% 이상이 적외선(비가시광선) 범위에 들어간다 (그림 1). 
이와 같이 백열전구는 가시광선 활용에 있어서 매우 비효율적이었기 때문에 곧 대체 광원이 개발되어 시장에 나오게 되었다. 그 결과 형광 조명과 저압 메탈 램프가 경쟁적으로 널리 사용되었다.
소형 형광등(CFL)은 높은 효율 때문에 종종 친환경적인 기술의 상징으로 여겨졌다. 그러나 형광전구는 실제로 매우 독성이 강한 소량의 수은 금속을 포함하고 있어 친환경적이라는 평가는 어울리지 않았다.
현재는 다양한 기술이 발전되어 선택권이 보다 넓어졌다. 그 중 대부분은 효율을 높이기 위해 개발된 기술이다. 고압나트륨(HPS) 램프가 같은 일부 조명 기술은 와트당 약 150루멘(lm/W)의 빛을 방사하므로 효율이 매우 높다. 고압나트륨 램프가 가진 높은 효율은 대부분 가시 스펙트럼에 속한 강력한 원자 나트륨의 D선 발광 때문이다. 뿐만 아니라 이 고압나트륨 램프는 고장날 때까지 약 2만 시간 동안 사용할 수 있어 수명이 매우 길다. 이와 같은 형태는 거리나 옥외 조명에서 발견할 수 있다.
그러나 강한 황색 발광으로 인해 일반 용도의 조명에는 적합하지 않다는 단점도 있다.
고체 소자 조명(SSL : Solid State Lighting)
지난 10년간 LED 발광체의 효율은 크게 향상되었다. 이제 100lm/W 이상의 효율을 지닌 백색 LED는 흔히 접할 수 있게 되었다. 그러나 여전히 LED 램프는 가격적인 제한이 존재한다. 가격 문제를 해결하기 위해, 미국 에너지국은 LED 전구 생산 가격의 경쟁과 하락을 유도하는 L-Prize 대회를 주최했다. DoE 60W L-Prize의 우승자는 필립스(Philips)였다. 현재 이 전구는 판매되고 있다. 모든 전구들은 표준 조명 기구나 필립스 설계와 같은 여러 조명을 개량하기 위해 설계되었으며, 표준 트라이액 디머로 광도를 조절할 수도 있다.
그러나 디머와 호환할 수 있고 더 높은 전압을 사용하는 데에는 전세계적으로 복잡한 전기 기술이 필요했으므로 전구의 가격이 상승했다. 게다가 이와 같은 제품들은 표준 조명 기구의 전구만 대체하는 제품이었다.
일례로, 미국 전역의 많은 가정에서 매입형 조명으로 사용되는 BR30 전구가 있다. 이 전구는 교류 전류의 높은 전압(110VAC)만 공급하는 표준 에디슨 E26(26mm) 소켓에 돌려서 끼우도록 제조되었다.
이와 같은 형태의 대체 LED 전구는 백열 전구를 위해 특별히 설계된 환경조건에서만 사용할 수 있다.
그림 1에 나타난 바와 같이, 백열 필라멘트를 사용한 광원 대부분의 발광은 열을 발생시키는 적외선 범위에 들어간다.
그와 같은 전구는 레스토랑 통로와 케너(Kenner, 이후 Hasbro)社에서 생산된 초기 이지 베이크(Easy-Bake) 오븐의 가열원으로 설치되어 열원으로 이용되었다. 그러나 LED 발광체는 발생되는 열을 방사하지 않는다. 대신 LED는 열을 품고 있다.
이와 같은 LED의 특성 때문에 100여 년 전에 디자인된 조명기기의 개량에는 또 다른 설계상 어려움이 있었다. LED의 열 문제를 해결하기 위해 지느러미 형태의 구조물이 포함된 별난 모양의 설계가 필요하게 되었으며, 때때로 누벤틱스 신젯(Nuventix SynJet)®의 냉각 기술과 같은 특별한 요소를 추가한 설계도 탄생하게 되었다.
주거용 조명의 미래
구식 백열 전구보다 효율이 훨씬 높은 수백만의 대체 전구 시장이 존재한다는 것은 분명한 사실이다. 그러나 가정용 조명을 보다 세련되게 개발해야 하는 이유는 에너지 절약을 제외하고도 많다.
LED는 효율이 높다는 장점 외에도 아직 설계자들이 충분히 인지하지 못한 색상 변경 능력 등 다른 추가적인 특성을 지니고 있다.
삼색(적색, 녹색, 청색) 조명 기기는 색상 혼합으로 공간의 모습을 변화시키고 분위기를 조정할 수 있다. ‘색채 심리학’이라는 최근의 연구 분야는 색채와 감정의 관계를 연구한다. 예를 들면, 파란색은 긴장을 완화시키고 편안한 느낌을 준다. 이와 같은 지식을 활용하여, 보잉(Boeing)社의 신형 제트기 내부는 청색과 백색 LED 발광체로 된 트레이 조명을 통해 승객의 긴장 완화를 돕고 있다.
색상 변화 능력은 기존 조광 기능의 패러다임 차원을 한 단계 높였다. 이러한 기능은 인프라나 조명 기기 자체의 제어를 필요로 한다.
한 가지 해결책은 통신을 위한 표준화된 프로토콜과 함께 조명 기기 내부에 Zigbee, 6LoPAN 또는 802.11 (WiFi)과 같은 무선 기술을 추가하는 것이다. 그렇게 하면 모바일 애플리케이션만큼 간단하게 실내 조명의 색상이나 광도를 조절할 수 있다.
현재 당면한 주된 문제는 통신의 물리 계층 및 프로토콜 표준이 없다는 것이다. 어디서나 사용되던 간단한 구조의 E26 소켓과 달리, 무선 메시 네트워크로 연결된 조명 기기를 도입하려면 적절한 표준이 필요하다.
업계는 상업적인 환경에서 사용할 용도의 애플리케이션을 발견할 수도 있겠지만, 이러한 조명 기기를 가정에까지 도입하려면 최소한의 표준이 필요하게 된다.
그렇다면 이를 위한 새로운 전력 시스템도 필요한데, 이머지 얼라이언스(E-Merge Alliance)社가 제안한 상업용 표준과 같은 주거용 DC 전력 그리드가 필요하다.
고전압 송전은 장거리 케이블에서 저항 손실을 낮춰 에디슨의 DC 전류를 송전한다(옴의 법칙 : 보다 높은 트랜스미션 전압은 P＝I2R에서 ‘I’ 또는 전류 조건을 낮춰 고정된 R 조건의 영향을 낮춘다). 이것은 대규모 송전에는 훌륭하지만, 현재 대부분의 디바이스는 DC 저전압 전류를 사용하고 있으므로 적절하지 않다.
AC 전원 플러그가 있는 모든 전자 디바이스는 전자기기를 작동시킬 수 있는 정확한 내부 DC 전압으로 고전압을 변환시키는 복잡한 전원 공급 장치를 갖고 있다. 표준화된 DC 커넥터 또는 주거용 DC 버스에 대한 몇 가지 표준이 제안되었지만 아직 채택된 표준은 없다. 뿐만 아니라 DC 플러그 표준도 이더넷이나 기타 유선 통신 표준을 플러그에 도입할 수 있으며, 이미 널리 사용되고 있는 물리계층도 사용할 수 있다.
주거용 조명 설계자와 공급업체들은 표준이 승인되고 나서야 업계의 보다 정교한 조명 기술에 눈을 돌리게 될 것이다. 이는 LED 조명에서 아직 실현되지 않은 가능성을 활용한 전력(대부분 DC일 가능성이 크다)과 통신이 포함될 것이다.
그리고 이는 효율 이상의 장점이 될 수도 있다. 앞으로 가까운 미래에는 가정에서 더 이상 전구를 교체할 필요가 없게 될 것이며, 색상을 변경하여 거주자의 주거 분위기를 조절하는 기능의 경우 구식 백열광 조명 기기의 광도를 조절하는 것만큼이나 일반적인 기술이 될 것이라고 예상된다.
Rick Zarr 텍사스 인스트루먼트
