목차(LED)
LED
1️⃣구성 및 작동원리
- Light Emitting Diode의 약자이며 발광다이오드라 불림
- LED는 화합물 반도체 특성을 이용해서 전기 신호를 적외석 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용하는 반도체
2️⃣특징
1)장점
- 높은 에너지 효율: LED는 백열등에 비해 10배 이상, 형광등에 비해 2~3배 이상의 에너지 효율을 가지고 있어 전력 소비를 줄이고, 탄소 배출을 감소시키는 데 기여합니다.
- 긴 수명: LED는 일반적인 조명에 비해 수명이 매우 길어 교체 주기가 길고, 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.
- 빠른 응답 속도: LED는 전원을 켜는 순간 즉각적으로 빛을 내기 때문에 깜빡임이 없고, 눈의 피로를 줄여줍니다.
- 다양한 색 온도 및 색상: LED는 다양한 색 온도와 색상을 구현할 수 있어 공간에 맞는 분위기를 연출하기 용이합니다.
- 소형화 및 경량화: LED는 크기가 작고 가벼워 다양한 형태의 조명으로 제작될 수 있습니다.
- 친환경: LED는 수은 등 유해 물질을 포함하지 않아 폐기 시 환경 오염의 우려가 적습니다.
2)단점
- LED는 온도 및 동작전압에 의하여 수명이 반감된다
- 정전기나 전기적 충격에 약하다
3️⃣조명기구 설계 시 고려해야 할 주요 특징
- 구조적으로 기존의 광원과는 달리 작은 점광원으로 유리전극, 필라멘트 및 수은(Hg)을 사용하지 않아 매우 견고하고, 수명이 길며, 환경친화적
- 광학적으로 선명한 단색광을 발광하여 연색성이 나쁨, 색을 필요로 하는 조명기구에 적용시 빛 손실이 적고 시인성이 향상되며, 지향성 광원으로써 등기구 손실을 줄일 수 있음
- 전기적으로 특정전압 이상에서 점등을 시작하고 점등 후에는 작은 전압변화라도 민감하게 전류와 광도가 변화
- 온도상승 시 허용전류와 광출력이 감소하고 많은 열이 발생한 등 주위 온도및 동작온도 변화에 대해 매우 민감하게 동특성이 변화한다. 만약 허용치 이상의 전류가 흐를 경우 수명이 대폭 감소하고 성능이 크게 저하되므로 적절한열처리 장치(Heat Sink)와 전류를 제어하는 구동장치(Ballast)를 필요
5️⃣LED특성
1)전기적 동특성
- 구동전압- 전류 특성(IF-VF특성)
LED에 인가되는 전압에 대한 전류의 변화특성으로, 저항소자와는 달리 LED는 일정전압이 인가될 때까지 전류가 흐르지 않다가 임계전압 이상에서는 작은 전압변화에 대해 급격히 전류가 변화하는 특성
- 구동전류-광출력 특성
- LED에 흐르는 순방향 전류에 대한 광도의 변화특성으로 정격 허용전류 내에서는 전류와 광도는 서로 비례
- 허용전류보다 큰 전류가 흐를 경우 열 손실로 직진성이 없어지며, 이는 발광효율의 저하 및 소손 등 수명단축의 원인
- 조광제어 특성
- LED의 광출력은 정상동작 범위 내에서 순방향 전류의 크기에 비례하여 넓은 범위에서 조광이 가능, 정전압 상태에서 펄스폭 변조(PWM)방법으로 구현할 수 있다
- 입력 정전압을 일정주파수 이상으로 펄스폭을 조절함으로써 깜빡거림 없이 시각적인 조광효과를 얻을 수 있음
- LED드라이버(Ballast)
- LED드라이버는 LED에 흐르는 전류의 흐름을 조절하는 것으로 방전램프의 안정기와 유사한 기능을 수행
- LED드라이버는 LED조명기기의 조명 성능과 수명을 좌우할수 있는 중요 장치로써 LED어레이의 배열구조, 동작조건 및 조명환경 등을 고려하여 설계
2)열적 동특성
- 온도상승에 따른 광출력 특성순방향 전류를 일정하게 흐르게 하고 주위 온도 변화에 대한 광도의 변화특성으로 온도가 상승함에 따라 광도가 크게 감소
- 온도상승에 따른 허용전류 특성
- 주위 온도변화에 대한 허용 순방향 전류의 변화특성으로 주위온도가 높을수록 열저항이 클수록 허용전류가 크게 감소
- LED램프의 안전운전과 효율 및 수명 향상을 위해 동작온도 상승을 억제하는 방열장치 부착
- 온도와 구동전압에 따른 전류 특성
- 온도 상승에 따른 정전류 운전에 필요한 구동전압의 변화를 보여 주고 있다. 온도가 1[℃]상승 시 약 2[mA]가 감소해야 정전류 운전이 가능
- SMPS(SwitchingModePowerSupply)로 구동할 경우 온도상승에 따라 전류가 증가하여 LED의 허용전류 범위를 벗어나 수명에 영향을 줌
- LED조명기구는 설치장소와 주위환경에 따라 조명 성능이 변화하고 심할경우 소손될 수 있으므로 조명기구 설계시 적절한 전류제어장치와 방열장치를 고려함
- 온도상승에 따른 스펙트럼 변이 특성
- LED의 발광 파장은 접합부의 온도에 의해 전이하며, LED에 흐르는 전류의 변화는 접합부 온도에 영향을 끼침
- 구동전류제어에 의한 조광제어 시 접합부온도 변화에 따른 색 변이가능성이 있음. 이때 빨강, 노랑의 Al,Ga,In,P LED는 파랑, 녹색, 백색의 In,Ga LED보다 더 큰 스펙트럼 전이를 갖는다. 이에 따라 백색을 생성하기 위해 다양한 색상의 LED를 혼합하여 사용 시 문제가 발생될수 있음.
5️⃣LED조광제어
6️⃣LED백색구현
- LED가 단순한 디스플레이 용도에서 일반조명으로 적용 영역이 확대될 수 있었던 것은 백색LED의 개발이 가능했기 때문
- 백색LED의 구현은 90년대 중반 일본 니치아 화학에 의해 청식LED가 개발되면서 가능
- 기존에 개발되어 있던 적색, 청색, 녹색이 추가되면서 빛의 3원색의 혼합이 가능해졌기 때문이다. 빛의 3원색을 합하면 백색이 만들어지는 원리
1)청색 LED + 황색 형광체
- 보색관계를 이용하는 방법: 청색 LED 칩 위에 황색 형광체를 덧씌워 백색광을 만듭니다. 청색 빛이 형광체를 자극하여 황색 빛을 내고, 두 가지 빛이 섞여 백색으로 보이는 원리입니다.
- 장점: 제작이 간단하고 비용이 저렴하며, 효율이 높습니다.
- 단점: 연색성이 다소 떨어져 색 표현이 자연스럽지 못할 수 있습니다.
2)RGB LED혼합
- RGB LED 칩: 빨간색(Red), 녹색(Green), 파란색(Blue) LED 칩을 조합하여 백색광을 만듭니다.
- 장점: 연색성이 매우 우수하여 자연광에 가까운 색 표현이 가능합니다. 다양한 색 온도와 색상 조절이 가능하여 분위기 연출에 유리합니다.
- 단점: 제작이 복잡하고 비용이 비싸며, 각 칩의 발광 특성을 정확하게 조절해야 합니다.
- 다양한 연출을 필요로 하는 특수조명에 적합
3)자외선 LED + 다색 형광체
- 자외선 LED 칩: 자외선 LED 칩을 이용하여 다양한 색상의 형광체를 자극하여 백색광을 만듭니다.
- 장점: 연색성이 우수하고, 색 온도 조절이 자유롭습니다.
- 단점: 자외선의 유해성 문제가 있으며, 형광체의 수명이 짧을 수 있습니다.
7️⃣LED조명의 색온도
1)색온도
흑체의 어느 온도에서의 광색과 어떤 광원의 광색이 동일할 때 그 흑체의 온도 기준으로 그 광원의 광색을 표현한것으로 단위K으로 나타내며 절대온도[K]와 구분된다.
2)조도와 색온도 관계
3)각종 광원의 색온도
- 해지기 직전 : 2,200[K](촛불의 광색)
- 해가 뜨고 40분 후 : 3000[K](연색 개선형 온백색 형광등, 고압 나트륨 램프)
- 정오의 태양 : 5,800[K](주백색 형광등)
- 흐린 날의 하늘 : 6,500[K] (주광색 형광등, 수은램프)
4)사무실에서 사용되는 LED조명의 색온도
- 가정용은 4,000[K]이하, 사무용은 5,000~6,000[K]의 영역
- 보통 6,500[K]정도가 에너지 효율이 좋고, 업무에 대한 집중도를 높임
- 조명의 물리량(색온도, 조도)의 변화에 따라 느껴지는 피로도 관계
- 5,200[K]의 400[lx]에서 가장 낮은 피로도를 보였으며시간의 경과에 따른 피로도 증가율은 색온도 5200[K]의 평균조도600[lx]에서 가장 낮게 나타남
- 따라서 사무공간에서 작업자의 피로도를 고려한 조명환경은 색온도 5,200[K] 조도범위 400~600[lx]정도 적합한 것으로 나타난다.
- 또한, 시간 경과>색온도>조도 순으로 피로도 평가에 영향을 주고 있음이 검증됨
목차(LED)
LED
💯기출문제
●15 조명설비에서 좋은 조명의 요건을 설명하고 이와 관련하여 LED광원의 동특성에 대하여 설명하시오
LED 광원의 동특성과 조명 설비
- 구동 전압-전류 특성: LED는 일정 전압 이상에서 점등되며, 작은 전압 변화에도 전류와 광도가 민감하게 변화합니다.
- 구동 전류-광 출력 특성: LED에 흐르는 전류와 광 출력은 비례 관계를 가지지만, 허용 전류를 초과하면 열 손실로 인해 광 효율이 저하됩니다.
- 온도 의존성: 주변 온도 변화에 따라 LED의 광 출력과 수명이 변화합니다.
- 조광 제어 특성: PWM 방식 등을 이용하여 밝기를 조절할 수 있지만, 저주파수 PWM은 깜빡임 현상을 유발할 수 있습니다.
LED 광원의 장점
- 높은 에너지 효율: LED는 기존 광원에 비해 에너지 효율이 매우 높아 전력 소비를 줄일 수 있습니다.
- 긴 수명: LED는 수명이 길어 교체 주기가 길고, 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.
- 다양한 색온도와 연색성: 다양한 색온도와 연색성을 구현하여 공간의 분위기를 조성하고, 작업 특성에 맞는 조명 환경을 구축할 수 있습니다.
- 빠른 응답 속도: LED는 즉각적인 점등과 소등이 가능하여 다양한 조명 효과를 연출할 수 있습니다.
- 소형화 및 경량화: LED는 소형화 및 경량화가 가능하여 다양한 형태의 조명 기구에 적용할 수 있습니다.
●16 조명설비에서 좋은 조면의 요건을 설명하고 이와 관련하여 LED광원의발광원리와 특징에 대하여 설명하시오
LED란 무엇일까요?
LED(Light Emitting Diode)는 발광 다이오드라고 불리며, 전기에너지를 빛 에너지로 직접 변환하는 반도체 소자입니다.
LED의 발광 원리
LED는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 만듭니다. 여기에 전압을 가하면 다음과 같은 과정을 통해 빛이 발생합니다.
- 전자와 정공의 이동: P형 반도체에는 정공(양전하를 띤 입자)이 많고, N형 반도체에는 전자가 많습니다. 전압을 가하면 전자는 N형에서 P형으로, 정공은 P형에서 N형으로 이동합니다.
- 재결합과 빛 발생: P-N 접합면에서 전자와 정공이 만나 재결합하면서 에너지를 방출합니다. 이 에너지가 빛의 형태로 나타나는 것이 LED의 발광 원리입니다.
- 빛의 색깔: 사용되는 반도체 물질에 따라 방출되는 빛의 색깔이 결정됩니다. 예를 들어, 청색 LED에는 인듐 갈륨 질화물(InGaN)이 사용됩니다.
LED의 특징
○18 LED의 장점을 설명하고 LED조명과 전통조명을 비교하여 설명하시오
○20 LED관련 인증제도
LED 조명 제품을 생산하거나 판매하려면 다양한 인증을 받아야 합니다. 이는 제품의 안전성, 효율성, 환경 친화성 등을 보장하고 소비자를 보호하기 위한 목적입니다.
왜 LED 인증이 필요할까요?
- 소비자 보호: 안전하지 않거나 성능이 낮은 제품으로부터 소비자를 보호
- 시장 경쟁력 강화: 인증 획득을 통해 제품의 신뢰성을 높이고 시장 경쟁력을 강화
- 법적 의무: 일부 인증은 법적으로 의무화되어 있어 제품을 판매하기 위해서는 반드시 취득
주요 LED 인증 제도
- KC 인증: 한국에서 판매되는 모든 전기용품에 의무적으로 부여되는 안전 인증입니다. LED 조명 역시 KC 인증을 받아야 합
- 고효율 인증: 에너지 효율이 높은 제품에 부여되는 인증으로, 에너지 절약에 기여하는 제품임을 나타냅
- EMC 인증: 전자파 적합성 인증으로, 제품에서 발생하는 전자파가 다른 전자기기에 영향을 미치지 않도록 하는 인증
- 안전성 인증: 제품의 안전성을 평가하는 인증으로, 화재, 감전 등의 위험을 방지하기 위한 목적으로 실시됩니다.
- 환경 표지 인증: 제품의 생산, 사용, 폐기 과정에서 환경에 미치는 영향이 적은 제품에 부여되는 인증입니다.
- 국제 인증: UL, CE 등 국제적인 인증 기관에서 발행하는 인증으로, 해외 시장 진출 시 요구될 수 있습니다.
LED 인증 과정
- 인증 기관 선정: 인증을 받고자 하는 제품의 종류와 국가에 따라 적합한 인증 기관을 선정합니다.
- 시험 의뢰: 인증 기관에 시험을 의뢰하고, 제품 시료를 제출합니다.
- 시험 및 평가: 인증 기관은 제출된 시료를 대상으로 관련 시험을 수행하고, 결과를 평가합니다.
- 인증서 발급: 시험 결과가 기준을 만족하면 인증서를 발급받습니다.
인증 획득 시 유의사항
- 인증 항목: 제품의 종류와 용도에 따라 인증 항목이 다를 수 있으므로, 사전에 충분히 확인해야 합니다.
- 비용: 인증 비용은 시험 항목, 제품의 종류, 인증 기관 등에 따라 달라질 수 있습니다.
- 시간: 인증 절차는 시간이 오래 걸릴 수 있으므로, 제품 출시 계획을 고려하여 충분한 시간적 여유를 두는 것이 좋습니다.
●22LED의 광발생과 관련된 직접 천이형 반도체의 빛에너지와 발광파장의 상관관계를 나타내고 백생광을 출력하기 위한 각종 방안의 장단점을 설명하시오
직접 천이형 반도체와 빛 에너지, 발광 파장의 상관관계
LED는 주로 직접 천이형 반도체를 사용하여 빛을 발생시킵니다. 직접 천이형 반도체는 전자와 정공이 재결합할 때 빛을 직접 방출하는 특징이 있습니다. 이때 방출되는 빛의 에너지는 다음과 같은 관계를 가집니다.
- 빛 에너지 (E) = 플랑크 상수 (h) × 빛의 진동수 (ν)
- 빛의 진동수 (ν) = 빛의 속도 (c) / 파장 (λ)
즉, 빛의 에너지는 빛의 진동수에 비례하고, 파장에 반비례합니다. 이는 다시 말해, 반도체의 밴드갭 에너지가 클수록 더 높은 에너지, 즉 파장이 짧은 빛(예: 청색광)을 방출한다는 것을 의미합니다.
반도체의 밴드갭 에너지와 발광 파장의 관계
- 큰 밴드갭 에너지: 짧은 파장의 빛 (자외선, 청색광) 방출
- 작은 밴드갭 에너지: 긴 파장의 빛 (적외선, 적색광) 방출
백색광 출력을 위한 방안
●23 광원에서의 LED와 OLED의 특성
●24 LED광원의 특성과 조광제어방법
●25 건축전기설비에 의한 조명설비설계시 광원의 평가사항
●26최근의 LED Dimming 제어기술과 적용에 대하여 설명하시오
○27 LED 램프 발광원리와 특징
●28 LED의 DALI 프로토콜 광원의 조광기술
○29 백색LED 광원을 사용한 도광식 유도등에 대하여 설명하시오
●30 LED 광원에서 백색 LED를 실현하는 방법에 대하여 설명하시오
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