[조명용어] 효율 (Efficacy)

[조명용어] 효율 (Efficacy)

[조명용어] 효율 (Efficacy)

우리는 종종 조명장비의 성능을 말하면서 밝기나 연색성뿐만 아니라 효율이 얼마나 좋은지에 대해서 관심을 가집니다. 같은 전력을 사용해서 얼마나 밝은 빛을 내는 광원을 사용했는지 알아보려고 하는 겁니다. 하지만 우리가 흔히 사용하는 ‘효율’이라는 단어를 영어에서는 Efficiency와 Efficacy로 구분해서 사용하고 있습니다. 얼핏보기에 비슷해보이는 두 단어는 어떻게 다르고 조명장비의 효율을 말할때는 어떤 것을 사용해야 할까요?

우리가 알고있는 ‘효율’이라는 영어 단어는 ‘Efficiency’입니다. ‘Efficiency’는 입력된 에너지가 얼마 만큼의 일이나 에너지로 출력이 되었는지를 나타냅니다. 변압기나 전동기와 같은 전기기기에서 입력과 출력의 단위가 모두 같은 경우에 별도의 단위를 사용하지 않고 비율인 %로 ‘효율(Efficiency)’을 나타냅니다. 예를 들어 모터가 100W의 전력을 소모하고 75W의 에너지의 일을 한다면 75% 효율(Efficiency)을 가진다고 말할 수 있습니다.

Motor Efficiency

그럼 조명에서 사용하는 ‘효율’은 어떤 말을 사용할까요?
조명장비나 광원에 입력된 에너지는 빛으로 나타납니다. 이때 입력되는 전력은 W단위를 사용하고 빛의 밝기는 lumen단위를 사용하여 서로 다른 단위를 사용하게 됩니다. 이럴 때 %로 나타나는 ‘효율(Efficiency)’를 사용하지 않고 입력된 전력[W]과 빛의 밝기[lm]의 밝기의 비를 나타내는 발광효율(Luminous Efficacy)을 사용하고 단위로는 lm/W로 나타냅니다. 마찬가지 예로 100W의 전력을 사용하여 7,500 lumen의 빛을 만들어 낸다면 7,500lm/100W = 75 lm/W의 발광효율(Luminous Efficacy)을 가진다고 말 할 수 있습니다.

색이나 빛의 단위에 대한 이야기를 할 때 항상 빠지지않는 것이 사람의 눈에 대한 것입니다. 아시는 것처럼 사람의 눈은 같은 양의 에너지를 받아도 파장에 따라 느끼는 밝기가 다르고 이를 시감도라고 합니다. 눈으로 느끼는 시감도때문에 색의 파장에 따라 발광효율(Luminous Efficacy)이 달라지게 됩니다. 아래의 1924 curve에서 보듯이 가시광선 파장대인 380~760nm 범위내에서 파장대에 따라 다른 Efficacy 값을 가지게 됩니다. 그 중 555nm의 파장을 가진 단색광이 683 lm/W로 가장 높다고 알려져 있습니다. 이것은 1W의 에너지로 683lumen의 빛의 밝기를 얻는 것을 의미합니다. 또한 1W의 650nm파장의 빛은 68lumen을 나타내고, 1W 의 500nm의 빛은 200lumen을 나타내는 것을 볼 수 있습니다.

1924 curve

지금까지는 단색광원의 파장에 따른 Efficacy에 대해서 이야기해보았습니다. 하지만 현실에서 우리가 사용하는 대부분의 광원은 다양한 파장대의 빛이 섞여있는 넓은 스펙트럼을 가진 것이 대부분입니다. 이런 광원들의 Efficacy를 구하기 위해서는 개별적인 파장으로 나누어 구하고 합한 값으로 나타낼 수 있습니다. 일상 생활에서 많이 사용하는 여러가지 광원의 파장과 lm/W를 살펴 보겠습니다. 우선 가로등으로 많이 사용하는 압축수은등(low-pressure sodium light)은 아주 좁은 스펙트럼을 가지고 있어 Efficacy의 사례로 들기에 적당합니다. 아래 보시는 오렌지 색상의 파장은 517lm/W을 가집니다. 좁은 스펙트럼의 높은 Efficacy를 가지고 있어 적은 전력으로 밝은 빛을 만들어 낼 수 있습니다. 하지만 이 광원의 연색성은 생각하시는대로 좋지않습니다. 단순히 Efficacy가 높다고 좋은 광원이 될 수 없다는 좋은 사례이기도 합니다.

압축 수은등 파장

다음으로는 예전에 대부분의 가정에서 사용했던 백열등을 살펴보겠습니다. 수은등과 반대로 백열등은 아주 좋은 연색성과 넓은 스펙트럼을 가지고 있습니다. 가시광선내 모든 파장대의 빛을 골고루 가지고 있어 모든 색상을 잘 표현할 수 있지만 사람이 볼 수 없는 영역에도 많은 에너지를 발산합니다. 따라서 수은등에 비해서 상대적으로 낮은 153 lm/W Efficacy를 가지게 됩니다. 이 수치는 다른 광원으로 백열등과 똑같은 좋은 품질의 빛을 만만들어도 Efficacy는 백열등보다 좋을 수 없다는 것을 말하고 있습니다.

백열등 파장

야외 조명으로 많이 사용하는 Daylight는 백열등보다는 조금 높은 247 lm/W으로 나타납니다.

Daylight 파장

그럼 LED 조명의 효율은 어떤지 궁금하시죠?
여러가지 타입의 LED가 있지만 우리가 흔히 알고 있는 Blue LED위에 yellow phosphor를 올린 가장 전형적인 타입의 LED를 사례로 알아보겠습니다. 전체적인 스펙트럼은 Blue LED에서 나오는 파란색 파장과 yellow phosphor를 통과한 빛이 나타내는 파장으로 나타납니다. yellow phosphor를 통과한 빛이 만들어내는 파장이 광학 Curve와 흡사한 모양을 만들어내면서 에너지를 낭비하지 않으면서 높은 Efficacy를 나타내는 것을 볼 수 있습니다. 이론상으로 336 lm/W를 만들어 낼 수 있고 실제로는 250 lm/W이내의 Efficacy을 가진다고 합니다.

LED 파장

인공광원이 만들어지고 지금까지 많은 변화가 있었습니다. 처음 에디슨이 처음 발명한 백열등을 시작으로 할로겐 램프가 만들어지고 좀더 효율이 좋은 형광등으로 교체되었습니다. 다양한 목적에 따라서 수은등이나 메탈램프등이 만들어져서 사용되고 있습니다. 그리고 이제는 가정이나 회사는 물론 전문적인 분야에서도 LED 조명으로 교체되고 있습니다. 이런 변화에는 다양한 이유가 있겠지만 가장 근본적인 변화의 이유는 아무래도 광원의 효율(Efficacy)가 아닌가 생각합니다. 기술의 발전에 따라 적은 에너지로 좀더 밝은 빛을 내는 광원이 만들어지고 보편화될 수 있는 가격이 되면 자연스럽게 우리의 생활 속으로 들어오는 것 같습니다.

광원의 Efficacy 변화

하루가 다르게 기술이 발전되고 있고 300lm/W 이상의 효율을 가진 LED 광원이 개발되었다는 발표도 나오고 있습니다. 조명장비를 평가하는 많은 요소 중 이번에는 효율(Efficacy)라는 용어에 대해 알아보았습니다.