1. 서론

1-1. 광융복합 목적 관련 반도체 기반 LED 광원의 활용 범위

조명 분야는 전체 전력 소비량의 약 20% 정도를 차지할 정도로 에너지 절감 영향력이 큰 산업분야이다. 조명을 위한 여러 가지 광원 기술 중 반도체 기반의 LED 광원은 성능이 큰 폭으로 향상됐고 수명도 길다. 또한 수은과 같이 인체에 유해한 물질을 사용하지 않아 친환경적이라는 점 때문에 전 세계 광원을 빠르게 대체하고 있는 추세다. 국제에너지 기구(IEA : International Energy Agency)에 따르면 <그림 1>과 같이 2019년 기준 조명 시장 점유율은 ▲LED 광원 46% ▲형광등 45% 순이며, 2030년 기준 ▲LED 광원의 조명 시장 점유율은 90% 이상이 될 것으로 전망하고 있다. 그러나 이러한 조명용 LED 광원 시장은 대부분 부가가치가 낮으며 중국의 점유율이 매우 높은 것이 현실이다.

하지만 LED 광원은 빛을 발하는 파장 대역에 따라 다양한 활용이 가능하다는 특성이 있다. 최근 기후변화 대응 중 양질의 식량자원 확보를 위한 스마트-팜의 식물성장 및 코로나 19 팬데믹 대응을 목적으로 하는 살균 등의 고부가가치 응용 산업 분야 수요가 큰 폭으로 증가하고 있다. 참고로 <그림 2>와 같이 LED 광원의 파장에 따라 다양한 응용분야에 적용이 가능함을 알 수 있다. 살균 관련 응용을 위해서는 UV 파장 대역의 LED 광원이, 그리고 식물성장을 최적화하기 위해서는 붉은색 파장 대역의 LED 광원의 개발이 필수적이다.

다만, 특수목적의 고부가가치 응용처를 위한 LED 광원 시장은 일본과 미국이 시장을 주도하고 있는 상황이다. 국내의 경우, 최근 삼성전자와 서울반도체와 같은 국내 기업이 각기 독자적인 기술력을 바탕으로 시장 점유율 확대를 위해 활발한 사업화를 진행하고 있다. 또한, 현재 살균을 비롯해 식물성장 및 스마트 조명 등에 대한 IEC의 국제표준화가 활발히 추진 중으로 국내기업의 글로벌 시장 점유율 확대를 위해서는 기술 개발 단계에서 관련 표준의 부합 여부가 필수적이라고 할 수 있다.

1-2. 반도체 기반 LED 광원의 표준 개요

조명용 반도체 기반 LED 광원의 표준화는 IEC TC 34에서 담당하고 있으며 총 52개국의 회원국이 참여하고 있다. 조명을 구성하는 요소에 따라 SC 34A(광원), 34B(캡 및 홀더), 34C(컨트롤기어) 그리고 34D(등기구)의 4개 하위분과(Sub Committee: SC)로 세분화되며 <그림 3>과 같이 스마트조명, 살균및 식물성장 등 특수한 응용처의 경우 TC 직속의 산하 작업반을 운영 하고 있다. 각 주요 TC, SC 및 작업 반(WG)의 임원은 오스람과 시그니파이(舊: 필립스)의 전문가가 담당하고 있으며 특히 OLED 광원 작업 반의 경우는 한국의 기계전기전자시험연구원 강정모 센터장이 컨비너로 수임 중이다.

2. 광융복합 반도체 기반 LED 광원 표준 현황

2-1. 살균용 LED광원 표준 현황

'UV 살균'은 자외선 복사 에너지를 이용해 박테리아 및 곰팡이 등을 불활성화하는 것을 의미하며, 최근 코로나 바이러스의 지역 사회 확산으로 개인위생에 대한 관심이 증가함에 따라 <그림 4>와 같이 기존 LED 조명과 살균 기능이 융복합된 살균조명 제품의 보급이 크게 증가하고 있다.

UV는 파장에 따라 <표 1>과 같이 Vacuum UV(100-200 nm), UV-C(200-280 nm), UV-B(280-315 nm), UV-A(315-400 nm)로 분류되며, UV를 이용한 살균은 일반적으로 미생물의 DNA 구조를 파괴시키는 250-280 nm 범위의 UV-C 파장이 활용된다. UV에 의해 조사된 에너지가 세포 내 유전정보를 담고 있는 핵산의 주요 구성성분인 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 티민(T)의 4가지 염기 성분 간의 수소결합(T-A 또는 C-G 결합)을 손상시킴으로써 살균효과를 가지게 된다.

이러한 시장의 표준화 수요를 고려해 IEC TC 34에서는 살균 용도의 조명에 대한 표준화 작업을 위해 지난 2021년 10월 총회에서 WG23을 신설했으며 현재 우리나라를 포함해 12개국 31명의 전문가가 참여하고 있다. 특히 2021년 5월 IEC PAS 63313:2021, 「Position statement on germicidal UV-C irradiation - UV-C safety guidelines」 표준을 통해 현재까지의 살균조명에 대한 가이드라인을 PAS 표준으로 제정했으며 현재까지 월 1회 작업반 회의를 통해 활발한 표준화를 추진하고 있다. 또한 코로나 팬데믹 현상에 대한 적극적인 시장 수요 대응의 목적으로 <표 2>와 같이 살균용 UV LED 광원부터 조명에 이르기까지 다양한 표준화 작업을 추진 중이다.

2-2. 식물성장용 반도체 기반 LED광원 표준 현황

식물성장 조명은 식물의 성장을 자극하기 위해 적절한 유형과 양의 빛을 효율적으로 제공하는 것으로 < 그림 5>와 같이 일반적으로 메탈할라이드, 고압 나트륨 및 형광등과 같은 전통적인 인공광원이 사용돼왔 으나 비효율적인 에너지 사용과 선택된 조명의 짧은 수명 및 파장 제어가 어려운 점이 한계로 지적돼왔다. 반면 반도체 기반 LED 광원은 고효율, 저발열, 장수명 이외에도 다양한 파장 제공이 가능하여 식물의 생육 단계별 성장에 큰 효과가 있다는 장점이 있다.

빛의 스펙트럼 영역에 따른 식물 생육주기별 영향은 <그림 6>과 같으며 청색 파장의 빛은 식물의 생육에 적색 파장의 빛은 개화에, 그리고 녹색 파장의 빛은 광합성에 도움을 준다. 따라서 식물의 일주기에 따라 성장에 적절한 빛 자극을 위해서는 다양한 파장의 고품질 LED 광원이 필요하다.

식물성장용 반도체 기반 LED 광원 시장은 매년 큰 폭의 성장이 전망되며 시장 점유율은 지난 2018년 기준 HID광원 약 50%, LED 광원 45% 그리고 형광등 광원 약 5% 수준에서 오는 2025년 기준 LED 광원이 전체 식물성정용 광원 시장의 90% 이상을 점유할 것으로 전망된다. 이러한 시장의 수요에 대응하기 위해 IEC TC 34는 지난 2020년 10월 총회에서 WG19를 신설했으며 현재 우리나라를 포함해 13개국 37명의 전문가가 참여하고 있다. 현재는 격월 주기로 작업반 회의를 통해 활발한 표준화를 추진하고 있다.
최근 진행 중인 표준화 현황은 <표 3>과 같으며 각 표준의 주요 표준화 범위 및 목적은 다음과 같다.

표준별 주요 표준화 범위

2-3. 스마트조명 표준 현황

최근 스마트조명은 새로운 고부가가치 산업분야로 각광받으며 관련 시장이 급격하게 성장하고 있다. 스마트조명이란 ▲조명기기와 센서, 유·무선 통신, 운용 소프트웨어 등이 결합돼 요구되는 광 품질과 성능을 만족시켜 주고 ▲주변 환경이나 미리 정의된 조건(광속, 색온도 등) 또는 사용자의 요구사항에 따라 제어가 가능한 조명을 의미한다.
각국의 주요 조명협회의 협의체인 ’GLA(Global Lighting Association)‘는 <그림 7>과 같이 2040년까지 조명산업의 로드맵을 발표했다. 이에 따르면 글로벌 조명 산업은 다음과 같은 형태로 고도화가 진행 중으로, 궁극적으로 스마트조명 기술에 기반한 인간중심조명으로 발전할 전망이다.

*고효율 조명 → LED 조명 → 스마트 조명 → 응용처에 따라 고도화된 인간중심조명

글로벌 스마트조명 시장은 연평균 21.5% 성장해 지난 2017년 63억 2000만 불에서 오는 2023년 209 억 8000만 불로 성장할 것으로 예상된다. 특히 한·미·일 3국은 2030년까지 스마트조명의 보급률을 40% 수준으로 확대하는 것을 목표로 시장 활성화를 추진하고 있다.
IEC TC34은 스마트조명 관련 표준화 아이템을 도출하고 표준화 로드맵 수립 및 운영을 위해 전담 작업 반인 ’Advisory-Group4(AG4)’를 2015년 말에 신설해 2016년 1월 첫 회의를 진행하고 활동계획을 세우는 등 활발한 행보를 이어가고 있다. 또한 도출된 표준화 아이템에 대한 표준개발을 위해 2018년 비엔나 총회에서 실제 표준화 작업을 담당할 작업반 구성을 승인했으며 나아가 WG14를 설립해 분기별 회의를 통해 본격적인 표준화 작업을 추진 중이다. 현재까지 도출된 표준화 아이템, 개발 중인 표준 및 완료된 표준은 <그림 8>과 같다.

각 표준의 주요 표준화 범위 및 내용은 다음의 <표 4>와 같으며 현재 진행되고 있는 프로젝트 중 IEC TR 63425와 IEC TS 63116 ED1.1 개정 프로젝트를 우리나라에서 프로젝트 리더로서 활동하고 있다.

3. 결론

일반 조명의 광원으로 개발된 LED 광원은 빠른 속도로 기존 광원을 대체하고 있으며 2030년까지 대부분의 광원이 LED로 대체될 예정이지만 치열한 가격경쟁 등의 여파로 대부분의 과실은 해외 기업이 누리고 있는 실정이다. 그러나 최근 기후변화 및 팬데믹의 영향으로 식물성장 및 살균 용도와 같은 고부가가치 응용 분야가 크게 성장하고 있다. 현재 이러한 고부가가치 분야 시장은 일본 및 미국이 주도하고 있으나, 국내 기업을 중심으로 특수 용도에 최적화된 LED 광원의 개발 및 시장 확대가 이뤄지고 있어 주목할 만한 시장변화가 보이고 있다.
국내 기업의 경쟁력을 높이고 스마트조명과 같은 후방 산업에서 시장을 주도하기 위해서는 기술개발이 매우 중요하지만 이런 기술개발은 국제표준에서 요구하는 안전 및 성능에 대한 요구사항 만족이라는 전제가 필수적이다. 해외시장은 물론 국내시장의 보급과 활성화를 위해서는 이러한 국제표준의 내용을 숙지하고 개발단계에서 철저한 검증이 필요하다. 또한, 후발주자로서 국내 기업이 개발한 LED 광원에 대한 객관적이고 합리적인 평가 기준 및 체계를 국내 표준을 통해 도입해 시장에 진입할 수 있도록 지원하는 표준화활동이 뒷받침되어야 한다. 끝으로 LED 광원에 대한 표준은 물론 완제품에 대한 표준화를 기반으로 전반적인 고부가가치 시장에 대한 지원체계 구축을 통해 국내 기업 시장 진출 및 건강한 생태계 조성을 기대한다.

PDF 보기