에너지 소비절감과 micro-LED

에너지 소비 절감과 micro-LED

 

▣ 도심의 에너지 소비

기술이 진보함에 따라 세계 각국의 대도시에는 빌딩 숲이 들어섰고 그 빌딩들이 밤새 내뿜는 빛은 관광자원이 될 만큼 아름다움을 자아낸다. 하지만, 그 마천루를 이루는 대규모 건축물들은 에너지 입장에서 전기 먹는 하마이다.

그림 1. 대형건물의 평방미터 당 전력소모량 [kWH]

출처 : ecoveiw 매거진

건물 전력소모의 상당부분이 발광 장치로부터 발생한다. 건축물에서 사용되는 일반 전구와 LCD 등 저효율 발광장치에 의해 전기에너지를 효율적으로 빛에너지로 전환하지 못하고 에너지 소비량만 증가하는 것이다.

 

▣ 일본의 에너지 소비 절감 정책

일본은 후쿠시마 원전 붕괴 이후 전력공급 문제를 경험하였다. 일본 정부는 에너지 소비 절감 사업의 일환으로 ‘LED’를 선택하였다.

■ 2015년 11월 26일

일본 정부는 2020년까지 일본 전역의 형광등 백열등을 LED로 완전 전환하는 정책을 내놓았다.

각 LED 제품에 있어 톱 러너 제도*를 도입하고, 16년 상반기까지 사업에 필요한 조명 품목을 하나로 모으고, 5년 뒤에는 에너지 소비가 많은 형광등과 백열등의 국내제조와 국외 수입을 금지할 계획이다.

(*톱 러너 제도 : 가장 우수한 제품의 에너지소비효율을 목표효율로 설정해 일정기간 후 업체 전체 모델의 평균효율이 목표효율 이상이 되도록 하는 제도)

이 제도의 추진 배경으로는 ‘파리 기후 협약’에서 체결한 일본의 온실가스 배출 저감 목표 달성에 다가가는 동시에 후쿠시마 원전 사고 이전에 전체 전력의 28%였던 원자력 의존도를 20%까지 낮추기 위함이다.

그림 2. 도쿄 스카이 트리 3색 LED (Panasonic LED)

■ 634m 도쿄 스카이 트리 사례

RGB 삼색 LED로 전면 교체(1995개) 이후 전기료 40% 절감

■ LED 완전 교체 성공했을 때 효과

한해 922억kW, 즉 총 비전력의 9% 절감 가능하다. 한 가정집의 LED 완전 교체로 전력 소비의 70%를 절감 가능하다. 하지만 가정 당 10만엔(약 94만원)의 교체 비용이 필요하다.

 

▣ 터키의 에너지 절감 사업 관심

터키는 빠른 산업화와 경제 발전, 대도시화를 이룸에 따라 2002년부터 에너지 소비량에 대해 연평균 6.7%의 증가율을 기록하고 있다.

2007년 에너지 절감 정책 도입과 함께 LED 기술에 대한 관심을 가져왔으며, 2012년에는 LED 조명 박람회를 개최하여 산업계 및 일반 가정의 에너지 절감에 대한 기술 확보에 노력을 가하고있다.

터키는 우선적으로 공공시설, 일반조명을 LED 조명으로 대체할 계획이다. 약 700만 개의 발광장치를 대체하여 75%의 전력을 절감하는 것이 목표이다. 또한 그림1.에서 보였듯 평방미터 당 전력 소비가 큰 병원과 같은 보건시설까지 확대할 계획이다.

 

▣ 발광 장치 비교

표 1. 백열등, 형광등, white LED 비교

출처 : egloos

LED의 광효율은 형광등의 1.5~2배, 백열등의 10배이며, 밝기 조절이 가능하고 장치 수명도 길어 건축물에 적용될 경우 에너지 측면에서 효과가 탁월하다.

 

▣ micro-LED의 등장

LED 분야의 새로운 기술로 micro-LED가 등장하였다. Micro LED란 LED의 크기를 100μm 이하로 줄인 것으로 최근 기술 수준은 수 μm 까지 소형화에 성공하였다.

그림 3. Micro-LED

출처 : TrendForce & LEDinside(위), BusinessKorea DB(중간 좌),

Miniaturized LEDs for Flat-Panel Displays(중간 우), Yole Développement(아래)

LED의 소형화를 이룬다는 것은 단순히 크기가 작아지는 것 이상의 의미를 가진다.

그림 4. LED의 크기에 따른 활용 범위

출처 : KOPTI 마이크로광원응용연구센터

 

그림 5. μLED 소자의 전사 中 Laser Lift Off(LLO) 과정

출처 : KOPTI 마이크로광원응용연구센터

기존의 LED는 Si산화막인 사파이어 기판위에 반도체 물질을 성장시킨 후 적층된 LED소자를 사파이어 기판채로 절단하여 사용하는 반면, Micro-LED는 사파이어 기판과 반도체 물질 사이에 임시적인 고정층을 삽입하고 LED소자의 성장 이후 고정층을 제거 하는 방식으로 사파이어 기판을 제거한다. 즉, micro-LED는 기존의 LED보다 3차원적으로 소형화, 박형화 되어 제작된다.

따라서 발광과정에서 소자 내부를 흐르는 전류는 절대적으로 짧아진 거리를 흐르게 되고, 저전력화에 유리하다. 동일한 발광효과를 얻는데, 필요한 전류가 줄어들어 에너지 측면에서 뛰어나다.

Technology	LCD	OLED	Micro-LED
발광 매커니즘	Backlight (LED) require	Self-emission	Self-emission
발광 효율	Medium	Low	High
Luminance [cd/m2]	3000~104	1500~103	~105 (full color) ~107 (blue/green)
대조비	200:1	10000:1 이상	10000:1 이상
반응 시간	Milli-second	Micro-second	Nano-second
작동 온도	0~60℃	-50~70℃	-100~120℃
Lifetime	Medium	Medium	Long
cost	Low	Low	Low

표 2. LCD(with LED), OLED, μ-LED 비교

출처 : Technology focus

이처럼 micro-LED는 OLED에 비해 power saving 측면에서 10배 이상의 효율을 가진다.

 

▣ energy saving 측면에서 micro-LED의 잠재가치

일본은 에너지 소비절감 정책으로 LED 전면 교체를 계획하면서 ‘정책에 필요한 품목의 일원화’를 계획하였다. LED 교체에 들어가는 비용을 줄이기 위한 것이다.

일반 LED 보다 에너지 효율이 높은 Micro-LED는 일원화에서도 일반 LED 보다 유리하다. 크기가 작기 때문에 소자의 활용이 다양하기 때문이다.

현재 탈원전을 시도하고 있는 우리나라는 풍력과 태양광발전으로 20%의 에너지를 신재생에너지로 대체하는 목표를 가진다. 

하지만 우리는 단순히 ‘풍력발전과 태양광발전의 효율이 몇 %에 도달하였는가?’하는 데에만 관심을 가지고 탈원전의 가능/불가능을 가늠하고 있다.

에너지를 생산하는 것 뿐 아니라 에너지의 소비를 줄이는 다양한 방법과 그를 뒷받침할 기술에 대해 다시한번 생각해보아야 한다. 이와 같이 다양한 시각으로 에너지에 접근해야 할 필요가 있다.

 

▣ Reference

1) Journalist mike cooke, 『Driving forward micro-LED video displays』, Technology focus

2) 정탁 책임원구원, 『Micro-LED 기술개발 동향』, KOPTU 마이크로광원응용연구센터, 2016.06.22

3) 전재호 기자, 『백열∙형광등 퇴출 ‘전기 덜 먹는 LED로 교체’』, MBC news, 2016.01.08

4) 문정희 기자, 『터키, 전력 사용량 감소 위한 LED 조명 장려정책 추진』, 여기에 산업뉴스, 2013.12.10