빛의 새로운 지평 –LED 조명 및 응용
발광 다이오드-의 개발
19세기 백열전구가 등장한 이후 조명은 현대인의 생활 방식을 변화시켰습니다. 21세기에는 지구의 지속가능한 발전을 추구하면서 친환경 조명이 주목을 받고 있습니다. 백열 전구가 쓸모 없게 되면서 발광 다이오드(LED)는 조명 산업의 가장 유망한 후속 제품이 되어 조명 산업에 새로운 응용 기회를 창출하고 있습니다.
LED는 일종의 고체 조명으로, 소형 크기, 무수은-작동, 긴 수명, 높은 발광 효율, 충격 저항, 빠른 응답 등의 장점을 제공합니다. LED의 핵심 구조는 p-형 반도체와 n-형 반도체로 구성된 칩으로 구성됩니다. pn 접합에 순방향 전압을 가하면 물질 간의 밴드갭을 극복하기 위해 에너지가 생성되어 전자-정공 재결합이 발생합니다. 이 재결합 과정은 방사성 또는 비-방사성으로 분류될 수 있습니다. 이 재결합 과정에서 에너지가 빛과 열로 방출되는데, 이것이 LED 발광의 원리이다.
가장 일반적인 색상은 두 가지 이상의 기본 색상으로 합성됩니다. 빛의 삼원색은 빨간색(R), 녹색(G), 파란색(B)입니다. 이 세 가지 기본 색상을 혼합하면 백색광과 기타 색상이 생성됩니다. 초기 LED는 발광 효율이 낮고 청색 LED가 부족하여 적용이 제한되었습니다.
일본 Nichia Chemical Corporation의 과학자인 Shuji Nakamura 박사가 사파이어 기판에 질화인듐갈륨(InGaN)을 성장시켜 최초의 고휘도 청색 LED를 개발한 것은 1990년대 중반{2}}이었습니다. 청색 LED의 발명으로 혼색을 통한 백색 LED의 생산이 가능해졌고, 나카무라 박사는 '청색 LED의 아버지'로 추앙받았다. 백색 LED의 출현은 LED 산업의 급속한 발전을 촉진하여 LED를 광전자공학 산업에서 가장 경쟁력 있는 제품 중 하나로 만들었습니다.
2012년 4월, 미국의 주요 제조업체인 Cree는 자사의 고출력 백색 LED가 350mA의 구동 전류에서 254lm/W의 발광 효율을 달성하여 새로운 기록을 세웠다고 발표했습니다. 이 발광 효율은 현재 다른 광원의 발광 효율을 능가하므로 LED는 기존 광원을 대체할 수 있는 잠재력이 큰 차세대 광원이 됩니다.
LED와 인간의 시각
조명은 인간의 인식을 기반으로 합니다. 따라서 LED 광원의 응용을 개발하려면 먼저 인간 눈의 기본 구조와 빛에 대한 반응을 이해하는 것이 필요합니다. 인간의 망막은 모양에 따라 간상체와 원추체로 분류되는 수많은 광수용체 세포로 구성됩니다. 빛이 눈에 들어오면 간상체와 원뿔체가 각각 밝기와 색상을 뇌에 전달하여 이미지를 구성합니다.
추체 및 광시(Photopic Vision): 추체는 주로 색상을 감지하며 낮 시간 동안 더 높은 감도를 갖습니다. 그들은 L, M, S 원뿔로 더 나뉩니다. L 원뿔은 주로 빨간색을 감지하며 피크 파장은 약 564-580nm입니다. M 원뿔은 주로 녹색을 감지하며 피크 파장은 약 534-545nm입니다. S 원뿔은 주로 파란색을 감지하며 피크 파장은 약 420-440 nm입니다.
서로 다른 세포는 서로 다른 광도에서 서로 다른 감도를 갖기 때문에 국제 조명 위원회(CIE)에서는 표준 시각 기능 곡선을 확립했습니다. 사람이 L, M, S 원뿔세포 없이 태어나면 선천성 색맹으로 간주됩니다. 이는 남성에게 더 흔한 성{2}}연관 유전 질환입니다. 특정 색상을 볼 수 없으며 일반적으로 시력이 좋지 않습니다.
간상세포와 암점시: 간상세포는 빛만 받고 색을 식별할 수 없습니다. 흑백 이미지를 인식하고 밤과 같이 조명이 약한 환경에서 주로 작동합니다.- 매우 낮은 광도에서 인간의 눈은 주로 간상 세포에 의존하므로 "암소시 시력"이라는 용어가 사용됩니다. 희미한 빛에서 눈은 빛에 극도로 민감하며 빛 민감도는 훨씬 더 큽니다.
LED 매개변수
LED 제품의 주요 사양은 광속이다. LED에서 방출되는 광속은 루멘(lm)으로 표시됩니다. 광원의 광속과 소비 전력의 비율은 광효율(lm/W)을 나타냅니다. 발광 효율이 높을수록 에너지-효율이 더 높은 광원을 의미합니다. 또 다른 중요한 매개변수는 LED 조명 제품이 표시하는 색상 특성에 영향을 미치는 색온도입니다.
색온도란 흑체가 광원과 동일한 색을 방출할 정도로 가열된 온도를 켈빈(K)으로 표현하는 온도로 정의됩니다. 색온도에 따라 다양한 시각적 경험이 생성됩니다. 예를 들어 색온도가 3,000K 미만이면 밝은 색상이 붉은색을 띠는 경향이 있어 따뜻하고 친밀한 느낌을 줍니다. 색온도가 5,000K를 초과하면 색상이 푸른빛을 띠는 경향이 있어 시원하고 조용한 느낌을 줍니다. 광원의 색온도 변화는 실내 분위기에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 백열전구의 색온도는 2,700K이므로 실내 조명에 이상적입니다. 광원의 색온도는 조명을 받는 물체의 특성에도 영향을 미칩니다. 따라서 시중에 판매되는 조명 제품은 일반적으로 소비자의 다양한 요구를 충족시키기 위해 색온도를 표시합니다.
색온도 외에 조도도 중요한 사양입니다. 조도는 주어진 거리에서 단위 면적당 분포된 광속으로 정의되며 럭스로 표시됩니다. 인간의 인식은 색온도 및 조도와 미묘한 관계를 나타냅니다. 예를 들어 색온도가 낮고 조도가 높으면 인체는 답답함을 느낍니다. 낮은 색온도와 낮은 조도에서는 인체가 따뜻하게 느껴집니다. 조명의 가장 일반적인 응용 분야는 LED 헤드라이트, 스포트라이트 및 탐조등입니다.
휘도(밝기라고도 함)는 투영된 영역을 기준으로 특정 방향으로 표면 광원에서 방출되는 빛의 양으로 정의됩니다. Luminance는 LED 광고판, 휴대폰 패널, 신호등, 자동차 미등 등 다양한 용도로 사용됩니다.
LED 특성 및 드라이버 회로
새로운 광원인 LED 드라이버 회로는 기존 형광등에 사용되는 안정기와 크게 다릅니다. LED 드라이버 회로의 주요 기능은 AC 전압을 DC 전압으로 변환하고 동시에 LED의 전압과 전류를 일치시키는 것입니다. 따라서 LED 램프는 일반적으로 드라이버 회로와 광원이라는 두 가지 구성 요소로 구성됩니다. LED 드라이버 회로를 논의할 때 먼저 LED의 전기적 특성을 이해하는 것이 가장 좋습니다.
LED의 전압-전류 특성 곡선은 비선형 동작을 나타냅니다. LED 양단의 전압이 온-상태 전압을 초과하면 온-상태 전류가 크게 증가합니다. 이 특성은 LED가 켜질 때 작은 전압 변동이라도 LED를 통해 흐르는 전류에 극적인 변화를 일으킬 수 있음을 보여줍니다. LED 전류-광 출력 특성 곡선은 LED의 광 출력이 전류에 대략 선형적으로 비례한다는 것을 보여줍니다. 이러한 부하 특성을 기반으로 일반적인 LED 드라이버 회로는 주로 정전류 제어를 활용하여 적절한 작동 조건에서 정확한 LED 작동을 보장합니다.
LED 사양
글로벌 LED 조명 산업은 빠르게 발전하고 있다. LED 조명기구가 점점 대중화되면서 글로벌 표준이 점차 확정되고 있습니다. Energy Star는 에너지 효율이 높은 소비자 제품에 대한 국제 표준이자 프로그램입니다.{2}}대형 가전제품, 사무 기기, 조명, 가전 제품을 비롯한 다양한 범주를 포괄합니다. LED 조명 제품 테스트에는 주변 온도 테스트, 수명 테스트, 적분구 측정 및 배광 곡선이 포함됩니다. 또한 연색성, 역률, 색온도 및 발광 효율과 같은 주요 LED 조명 매개 변수가 규제됩니다. 시중에 나와 있는 LED 제품의 품질이 다양하기 때문에 소비자는 인증 마크를 사용하여 LED 조명 제품의 품질과 보증을 보장할 수 있습니다.
LED 응용
LED 기술은 빠르게 발전하고 있으며 그 응용 분야도 다양합니다. 가장 일반적인 응용 분야는 벽걸이 조명, 야간 조명, 독서등, 스포트라이트, 라이트 스트립, 다운라이트 및 비상 표시 등을 포함한 주거용, 상업용 및 산업용 조명입니다.
LED 조명은 예술 및 건축과도 통합될 수 있습니다. 밝은-테마 창작물은 기술 예술 분야의 공통 주제입니다. 아티스트에게 LED 냉광원의 고유한 특성은 기존 광원에 비해 새로운 창의적 가능성을 열어줍니다.
앞서 언급한 응용 분야 외에도 LED 재배 조명은 농업 생산자에게 도움이 됩니다. 최적화된 인공광 스펙트럼은 식물에 최적의 환경과 조건을 만들어줍니다. 일반적으로 성장등에 사용되는 빨간색과 파란색 빛은 광합성에 필요한 효율 곡선과 거의 일치하므로 식물 성장을 위한 최적의 광원이 됩니다. LED의 보다 혁신적인 응용을 촉진하고 LED 제품의 품질에 대한 소비자의 신뢰를 구축할 수 있다면 LED가 조명 시장에서 번성할 것이라고 믿습니다!
에너지가 감소하는 세상에서 고효율 조명은{0}}에너지를 절약하는 가장 좋은 방법 중 하나입니다. 일반적인 전력 소비 구조에서 조명은 전체 전력 소비량의 최대 19%를 차지할 수 있습니다. LED는 높은 발광 효율로 인해 기존 광원에 대한 유망한 대안이 되며, 에너지 효율적인 조명을 위한 유망한 옵션이 됩니다.- 또한 LED 애플리케이션은 점 광원에서 라인, 표면까지 확장하여 혁신적인 조명 애플리케이션과 조명 혁명을 가져올 수 있습니다. 조명은 더 이상 단순히 환경을 밝히는 것이 아닙니다. 예술, 창의성, 엔터테인먼트, 의료, 생명공학과 통합되어 우리의 시각과 일상 생활에 새로운 시각을 선사할 수 있습니다.
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