J Appropr Technol > Volume 8(1); 2022 > Article
인공채광으로서의 LED 햇빛등

Abstract

LED 햇빛등은 정오의 햇빛과 스펙트럼이 매우 유사하도록 만든 LED 등이다. 실내 조명으로 사용하도록 햇빛의 자외선은 없고 적외선이 포함된 풀스펙트럼이어서 친환경 건강조명이다. 따라서 햇빛이 필요한 곳에 인공채광으로 사용할 수 있다. LED 햇빛등은 반지하나 암흑주택 그리고 일조권 침해를 받는 아파트에 사는 사람뿐만 아니라 식물과 사람 모두에게 좋은 식물등을 찾는 사람과 LED 흰색등의 블루라이트를 해소하고자 하는 웰빙족의 유일한 경제적인 선택이 되고 있다.

LED Sunlightlike Lamps (LSLs) are made with LEDs to be very similar to the spectrum of daylight. For interior lamps LSLs have full spectrum in visible ray and IR, but no UV at all. Therefore LSLs are eco-friendly and good to health. LSLs can be used even as an artificial sunlight. LSLs are chosen as the unique economic solution of lighting not only in the semi-basement or light-blocked house or the apartment whose right to sunlight is infringed but also to the people who seek well-being in lighting to escape from the blue light of LED white lamps or seek the LED lamps good to both human being and the plant instead of LED plant lamps.

햇빛의 필요성

태초에 하나님이 천지를 창조하실 때에 빛을 창조하셨다. 낮에는 햇빛이 밤에는 달빛이 세상을 주관하게 하셨다. 햇빛은 세상을 살아가는 사람과 동물 그리고 식물들에게 필요한 영양을 주어 생존이 가능하도록 하셨다. 그래서 햇빛은 사람과 동식물에게는 산소와 물과 함께 필수불가결의 요소이다. John Ott박사는 Table 1과 같이 형광등 조명이 쥐의 수명에 미치는 영향이란 연구결과를 발표했다(John, 1977). 연구결과에 따르면 핑크빛이나 흰색빛 형광등 아래에 사는 쥐는 풀스펙트럼이나 햇빛 아래에 사는 쥐의 수명의 반밖에 살지 못함을 보여 주고 있다.
이렇듯 조명이 동식물뿐만 아니라 사람에게도 중요한 생존요소로 작용한다. 하나님이 주신 최고의 조명은 햇빛이다. 우리가 햇빛의 유익을 다 밝혀내지 못했지만 본능적으로 햇빛이 없으면 오래 살지 못한다는 것을 알고 있다. 그런데 햇빛이 필요한데 햇빛이 없는 곳에서는 어떻게 살아야 할까? 사람이 현재 사용하고 있는 조명의 스펙트럼을 알아 보자. 그림 1에 여러 조명들의 스펙트럼을 나타내었다. 햇빛은 청색부근에서 최고이나 가시광선 전 영역에서 연속적이며 골고른 분포를 가지고 있다. 반면 LED 흰색등은 블루라이트로서 밝기에는 효율이 좋지만 눈과 몸에는 좋지 않음을 알 수 있다. 블루라이트는 시세포를 파괴하고 수면장애를 일으킨다고 알려져 있다.

LED 햇빛등의 개발

그래서 햇빛을 닮은 인공채광을 만들기로 했다. 그러면 햇빛의 스펙트럼을 자세히 분석해야 한다. 그림 2에 스펙트럼 분석기에 의한 정오의 햇빛의 스펙트럼을 나타내었다. 정오에는 녹색광 부근이 최고를 보이고 차츰 감소하다가 705 nm와 745 nm 그리고 775 nm의 적외선 피크가 나타남을 알 수 있다. 반면 창문을 통과한 햇빛은 적색광과 적외선이 반이상 사라짐을 알 수 있다. 창문을 통과한 햇빛은 더 이상 햇빛이라고 하기에는 적색광과 적외선이 너무 적음을 알 수 있다. 창문은 또한 비타민D를 만들 수 있는 자외선B를 차단하지만 자외선A는 통과시켜 피부노화를 일으킬 수 있음을 알 수 있다.
현존하는 LED들의 스펙트럼을 분석하여 인공채광을 만들기에 적합한 LED들을 찾았고 잘 조합하면 인공채광으로서의 가능성을 발견하여 특허들도 출원했다.

1. 서울반도체의 썬라이크 LED: 최고의 가시광선 스펙트럼

세계 3위의 LED업체인 서울반도체㈜에서 만든 썬라이크 LED 중 색온도 5700K가 가시광선에서 최고의 스펙트럼을 나타내었다. 물론 일본에서도 비슷한 스펙트럼을 나타내는 LED들이 있지만 가격이 너무 비싸고 그리고 저전력밖에 없어서 경제성이 없었다. 우리가 사용한 썬라이크 LED는 제품명이 STW9C2SB-S로 1W급이다. 그림 3에 5700K에 대한 실측 스펙트럼을 나타내었다. 630 nm부터 적색광이 사라지기 시작하여 적색광과 적외선이 햇빛의 반도 안되지만 580 nm부근부터 사라지는 창문을 통한 햇빛보다는 스펙트럼이 좋았다. 이 정도로서도 LED 흰색등은 능히 대체할 수 있지만 인공채광이 되기 위해서는 적색광과 적외선이 많이 필요하다.

2. JVS의 705 nm 적외선 LED

햇빛의 적외선 피크인 705 nm LED는 여러 회사에서 만들고 있지만 JVS가 가장 신뢰성이 있고 가격이 경제성이 있었다. 그림 4에 JVS의 705 nm 적외선LED의 스펙트럼을 나타내었다.

3. JVS의 745 nm 적외선 LED

햇빛의 적외선 피크인 745 nm LED도 여러 회사에서 만들고 있지만 JVS가 가장 신뢰성이 있고 가격이 경제성이 있었다. 그림 5에 JVS의 745 nm 적외선LED의 스펙트럼을 나타내었다.

4. 시제품 제작

1) 50W 사각햇빛등: 썬라이크 x 60 + 705nm x 3 + 745 nm x 5

그림 6에 세계 최초로 만든 50W 사각햇빛등의 시제품에 대한 스펙트럼을 햇빛과 LED 흰색등(6500K)에 비교하여 나타내었다. 사각햇빛등은 정오의 햇빛과 유사하나 745 nm의 적외선 피크가 햇빛보다 1.5배 강함을 알 수 있었다. 색 재현성(연색성)이라고 불리는 CRI값도 98.3으로 햇빛의 99.3에 비해 1%밖에 차이가 나지 않았다. 사각햇빛등 시제품 사진을 그림 7에 나타내었다. 그리고 인공채광이 꼭 필요한 반지하 독거노인들에게 무료로 설치해 주어 생활의 활력을 불어 넣어 주었다.

2) 10W 전구햇빛등: 썬라이크 x 15 + 705nm x 1 + 745 nm x 1

그림 8에 10W 전구햇빛등 시제품에 대한 스펙트럼을 햇빛과 LED 흰색등(6500K)에 비교하여 나타내었다. 전구햇빛등은 사각햇빛등의 결과를 바탕으로 몇 차례 설계를 수정했기에 비교적 햇빛과 동일한 스펙트럼을 나타내었다. CRI값도 97.8로 햇빛의 99.3에 비해 2%밖에 차이가 안 났다. 10W전구햇빛등 시제품 사진을 그림 9에 나타내었다. 청색광과 적색광 위주로 되어 있어 사람에게는 좋지 않은 LED 식물등과 달리 10W 전구햇빛등은 사람과 식물 모두에게 좋아서 새로운 식물조명으로 각광을 받고 있다.

3) 100W 투광햇빛등: 썬라이크 x 120 + 705nm x 6 + 745 nm x 6

투광햇빛등은 확산커버를 사용하지 않기에 그림 10에 보인 바와 같이 직진성이 비교적 강한 썬라이크의 세기가 적외선 LED를 압도해 버렸다. 따라서 다음 번 개발시에는 적외선 LED의 숫자를 지금보다 3배정도 늘려야 햇빛과 비슷한 적색광과 적외선을 가질 수 있다. 그림 11에 100W 투광햇빛등 시제품 사진을 나타내었다.
그림 12에서와 같이 100W 투광햇빛등을 조명거치대에 달면 햇살샤워기가 되어 야외운동이 불가능한 노약자들이 실내에서 일광운동할 수 있게 한다.

향후 계획

1. 다운선라이트 개발 완료: 15W, 썬라이크 x 14 + 705nm x 2 + 745nm x 2

2. 평판햇빛등 개발: 50W, 썬라이크 x 60 + 705nm x 4 + 745nm x 4

3. FPL햇빛등 개발: 15W, 썬라이크 x 14 + 705nm x 2 + 745nm x 2

(참고) 실패사례: 5W T5햇빛등(썬라이크 6500K STW9C2SP-S x 20 + 705nm(0.2W) x 2 + 745nm(0.2W) x 4)
그림 16에 나타내었듯이 5W T5햇빛등은 확산카버의 Color shift를 고려하여 6500K를 사용했는데 햇빛의 직사광선이 아닌 산란광선에 가까운 스펙트럼을 보였고, 칼러믹싱 거리가 짧아 적외선 LED들이 배치된 곳의 점등시 암부를 해결하지 못했다.

결론

LED로 햇빛과 스펙트럼이 매우 유사하여 인공채광으로 사용될 수 있는 햇빛등을 만드는데 세계 최초로 성공했다. 현재 50W 사각햇빛등과 10W 전구햇빛등은 시제품이 거의 모두 판매되어 양산을 추진하고 있다. 단 50W 사각햇빛등은 좀 더 얇게, 좀 더 밝게 그리고 좀 더 햇빛과 스펙트럼이 유사하도록 개선하여 양산을 추진하고 있다. 현재 친환경이나 블루라이트(청색광)인 줄 모르고 사용하고 있는 주위의 많은 LED 흰색등을 국가표준기술원에서 2021년 12월부터 청색광 위험 등급을 관리하기 시작했으니(Lighting News, 2022) 곧 LED 햇빛등과 같이 친환경이면서도 눈과 몸에 좋은 건강조명이 더 많이 관심을 받을 것으로 기대하고 있다. 솔라미션㈜는 햇빛의 유익을 온누리에 전하기 위해 한국사회적기업진흥원의 사회적기업가 육성사업으로 설립되었고 현재는 경기형 예비사회적기업이다.

Figure 1.
여러 조명들의 스펙트럼
jat-2022-8-1-41f1.jpg
Figure 2.
정오의 햇빛과 창문을 통과한 햇빛의 스펙트럼 비교
jat-2022-8-1-41f2.jpg
Figure 3.
서울반도체 썬라이크 LED(1W, 5700K)의 스펙트럼
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Figure 4.
JVS의 705 nm(1.4W)의 스펙트럼
jat-2022-8-1-41f4.jpg
Figure 5.
JVS의 745 nm 적외선(1.4W)의 스펙트럼
jat-2022-8-1-41f5.jpg
Figure 6.
사각햇빛등 50W의 스펙트럼 비교
jat-2022-8-1-41f6.jpg
Figure 7.
50W 사각햇빛등 시제품과 반지하 독거노인 무료 설치 사례들
jat-2022-8-1-41f7.jpg
Figure 8.
전구햇빛등 10W의 스펙트럼 비교
jat-2022-8-1-41f8.jpg
Figure 9.
10W 전구햇빛등의 시제품
jat-2022-8-1-41f9.jpg
Figure 10.
투광햇빛등 100W의 스펙트럼 비교
jat-2022-8-1-41f10.jpg
Figure 11.
100W 투광햇빛등의 시제품
jat-2022-8-1-41f11.jpg
Figure 12.
햇살샤워기로서의 100W 투광햇빛등
jat-2022-8-1-41f12.jpg
Figure 13.
판매 중인 15W 다운선라이트와 완성된 스펙트럼
jat-2022-8-1-41f13.jpg
Figure 14.
개발 예정인 50W 평판햇빛등과 목표 스펙트럼
jat-2022-8-1-41f14.jpg
Figure 15.
개발 예정인 15W FPL햇빛등과 목표 스펙트럼
jat-2022-8-1-41f15.jpg
Figure 16.
개발 실패한 5W T5햇빛등의 스펙트럼과 점등 외관 불량
jat-2022-8-1-41f16.jpg
Table 1.
조명이 수명에 미치는 영향
jat-2022-8-1-41i1.jpg

References

John Nash Ott. (1977). Health and Light, Simon and Schuster.
Lighting News. (2022). P.6, V.65. [Korea].
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