[논문]LED 등기구의 발열과 실내온도 상승에 관한 연구

김동건; 길경석

doi:10.4313/jkem.2012.25.9.738

LED 등기구의 발열과 실내온도 상승에 관한 연구
A Study on the Heat Radiation of LED Luminaires and the Indoor Temperature Increase 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.9, 2012년, pp.738 - 742

김동건 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 길경석 (한국해양대학교 전기전자공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper conducted a study on how the heat radiation of light emitting diode(LED) luminaires affects the indoor temperature increase. The effect was compared with that of a 20 W compact fluorescent lamp(CFL) and a 50 W MR16 halogen lamp which are most widely used inside of cruises, a LED downlight and a 4W MR16 LED replacing each of them. We installed a luminarie inside a thermally shielded chamber, measuring the temperature changes under the same volume every 5 minutes and compared the result with theoretically calculated heat radiation. The temperature changes in the chamber was measured four times, on seven hours' period in order to keep sufficient time once the temperature reaches the thermal equilibrium state. The results showed that the temperature of the 20 W E26 CFL and the 10 W LED downlight increased by $21.1^{\circ}C$ and $10.4^{\circ}C$ respectively, while that of the 50 W halogen MR16 and the 4 W LED MR16 increased by $33.9^{\circ}C$ and $4.8^{\circ}C$ respectively. The experimental heat radiation were calculated from the results and the experimental heat radiation of the CFL and the LED downlight were 171.5 cal and 86.5 cal, and those of the halogen MR16 and the LED MR16 were 275.3 cal and 36.5 cal. Therefore, the heat radiation was reduced by 49.5% and 86.7%, respectively, by replacing conventional light source with LED. In conclusion, we can expect a reduction of power consumption in air condition system and the effect on indoor temperature increase by application of LED luminaires.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

측정할 등기구를 바닥에 설치한 이유는 등기구의 발광면이 아래를 향할 경우, 조명으로부터 발생한 열이 상승하여 등기구 자체를 가열하게 되면서 전도에 의한 발열량 오차가 발생할 수 있기 때문이다. 또한 기존 등기구와 달리 LED 등기구의 경우 온도상승에 따른 LED 패키지와 소자의 전기적, 광학적 특성이 달라지므로 이에 대한 영향을 최소화시키기 위해서이다.
본 논문에서는 LED 등기구 적용에 따른 선박의 실내 온도변화를 알아보기 위하여, 현재 크루즈선에서 사용하고 있는 20 W E26 CFL, 50 W 할로겐 MR16과 이를 대체할 10 W LED 다운라이트, 4 W LED MR16의 발열량을 비교·분석하였다.
본 논문에서는 등기구의 발열이 실내 온도변화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 챔버 내 LED 등기구의 발열량과 온도상승에 대한 연구를 수행하였다.

제안 방법

등기구의 발열량은 이론적 계산과 실험적 측정으로 비교하였다. 백열전구, 형광등과 같은 기존 광원의 소비전력을 이용한 이론적 발열량은 식 (1)과 같다[11].
본 논문에서는 LED 등기구 적용에 따른 선박의 실내 온도변화를 알아보기 위하여, 현재 크루즈선에서 사용하고 있는 20 W E26 CFL, 50 W 할로겐 MR16과 이를 대체할 10 W LED 다운라이트, 4 W LED MR16의 발열량을 비교·분석하였다. 실험 챔버 내 온도 변화로부터 각 등기구의 실험적 발열량을 계산하였고, 이론적 발열량과 비교함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험적 발열량은 조명발열로 인한 실내온도 변화로 계산된다. 실험은 외부와의 열교환을 차단하기 위하여 단열된 공간에서 실시하였으며, 발열량은 식 (2)로 계산하였다.
실험적 발열량 계산을 위하여 이중 열전대 K형으로 실내온도변화를 측정하였다. 재질은 테프론이며, -270℃∼400℃의 온도측정범위를 가지고 41 uV/℃의 출력전압을 나타낸다.
챔버 내 온도는 등기구의 평균 점등시간을 고려하여 7시간 동안 5분 간격으로 측정하였으며, 동일한 방법으로 총 4회 실시하였다.

대상 데이터

실험은 현재 크루즈의 객실, 복도에서 사용하고 있는 20 W E26 CFL과 50 W 할로겐 MR16을 대상으로 실시하였으며, 이를 대체할 10 W LED 다운라이트와 4 W LED MR16을 제작하여 비교하였다.

성능/효과

1. 등기구 점등 시 발열에 따른 실험 챔버 내 온도 변화는 20 W E26 CFL 및 10 W LED 다운라이트의 경우 초기온도에 비해 21.1℃와 10.4℃ 상승하였고, 50 W 할로겐 MR16 및 4 W LED MR16의 경우 33.9℃와 4.8℃가 각각 상승하였다.
따라서. 10 W LED 다운라이트는 20 W E26 CFL에 비해 49.5% 그리고 4 W LED MR16은 50 W 할로겐 MR16에 비해 86.7%의 발열량이 감소하였다.
2. 실험적 발열량으로 20 W E26 CFL 및 10 W LED 다운라이트는 171.5 cal, 86.5 cal, 50 W 할로겐 MR16 및 4 W LED MR16은 275.3 cal와 36.5 cal로 산출되었다. 따라서.
3. 실험적 발열량과 이론적 발열량의 오차는 LED 다운라이트의 경우 1.5% 및 LED MR16의 경우-6.5%였으며. 이는 실내 온도변화에 영향을 주는 모든 변수를 고려하지 못한 부분과 등기구 및 소자의 역률과 열 손실 등으로 인한 것으로 판단된다.
이는 실내 온도변화에 영향을 주는 모든 변수를 고려하지 못한 부분과 등기구 및 소자의 역률과 열 손실 등으로 인한 것으로 판단된다. 결론적으로 본 논문에서는 기존 광원을 LED 광원으로 교체하면 낮은 소비전력과 높은 광효율로 소비 전력 절감은 물론 실내 온도상승에 미치는 영향을 감소시킬 수 있어, HVAC의 냉방부하 절감효과를 기대할 수 있다.
8℃ 상승하였다. 따라서 E26 CFL와 LED 다운 라이트의 온도변화 차이는 10.4℃이었으며, 할로겐 MR16과 LED MR16의 챔버 내 온도변화 차는 29.1℃로 나타났다.
따라서 LED 다운라이트의 경우 기존 CFL에 비해 발열량은 49.5% 감소하였고, LED MR16의 경우 할로겐 MR16에 비해 발열량이 86.7% 감소하였다.
실험 결과, 20 W E26 CFL 및 10 W LED 다운라이트의 측정 시간동안 평균 총 발열량은 171.5 cal와 86.5 cal, 50 W 할로겐 MR16 및 LED MR16의 평균 발열량은 각각 275.3 cal와 36.5 cal로 나타났다.
총 4회에 걸친 실험결과를 표 1과 표 2에 정리하였다. 표 1은 20 W E26 CFL과 10 W LED 다운라이트의 챔버 내 온도변화를 나타냈으며, E26 CFL은 초기 온도에 비해 약 21.1℃ 상승하였고, LED 다운라이트는 약 10.7℃ 상승하였다.
표 3은 소비 전력으로부터 계산한 이론적 발열량으로 LED 다운라이트의 발열량은 CFL에 비해 50.0% 감소하였고, LED MR16의 발열량은 할로겐 MR16에 비해 92.0% 감소하였다.

후속연구

한국을 비롯하여 유럽, 미국, 중국, 일본 등 전 세계에서 저탄소 녹색성장 정책의 일환으로 이산화탄소 배출과 유해물질 사용에 대한 규제가 강화됨에 따라 백열전구의 생산 및 판매가 향후 2∼3년 내 전면금지될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	백열전구의 생산 및 판매는 언제 전면 금지될 예정인가?	한국을 비롯하여 유럽, 미국, 중국, 일본 등 전 세계에서 저탄소 녹색성장 정책의 일환으로 이산화탄소 배출과 유해물질 사용에 대한 규제가 강화됨에 따라 백열전구의 생산 및 판매가 향후 2∼3년 내 전면금지될 예정이다. 이에 따라 기존의 백열전구를 대체할 미래의 광원으로써 대표적인 고효율 친환경 제품인 a.
	LED 광원을 선박에 적용할 경우 발열에 따른 광특성의 저하와 실내온도 상승에 대한 검토가 필요한 이유는?	선박은 운항 시 육상의 건축물과는 달리 실내가 외부로부터 밀폐되어 쾌적한 생활환경을 유지하기 위해 공기조화시스템 (heating, ventilation, and air conditioning, HVAC)이 상시 가동되며, 이는 타 기기에 의한 발열문제를 포함하고 있다. 따라서 LED 광원의 적용 시 발열에 따른 광특성의 저하는 물론 실내온도 상승에도 영향을 줄 수 있어 이에 대한 검토가 요구되고 있으며, 실내온도 상승 시 LED 광원에서의 에너지 절감보다 증가된 온도를 낮추기 위해 소비하는 HVAC의 전력소모가 더 클 수도 있어 결과적으로 전체적인 에너지 절감이 되지 않기 때문이다 [9,10].
	기존의 백열전구를 대체할 미래의 광원에는 대표적으로 무엇이 주목받고 있는가?	ac.kr LED 광원이 주목받고 있다 [1-4].

참고문헌 (11)

DOE, Vision 2020: A Lighting Technology Roadmap, http://www.eren.doe.gov/builidngs/vision2020 (2001).
M. H. Crawford, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15, 1028 (2009).

상세보기
W. H. Chi, T. L. Chou, C. N. Han, S. Y. Yang, and K. N. Chiang, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 33, 713 (2010).

상세보기
I. T. Shin, J. K. Yang, D. J. Lee, and D. H. Park, J. KIEEME, 23, 471 (2010).

원문보기 상세보기
G. S. Kil, I. K. Kim, H. E. Cho, H. S. Kwon, and H. G. Cho, J. KOSME, 35, 654 (2011).
Y. K. Hwang, Jounal of the Electrical World Monthly, 405, 41 (2010).
S. J. Kim, D. G. Kim, I. K. Kim, and G. S. Kil, Proc. the Kieeme Annual Summer Conf., (eds. D. H. Park) (KIEEME, Gangneung, Korea, 2012) p. 276.
D. G. Kim, C. H. Jin, J. Y. Lee, H. E. Jo, and G. S. Kil, Proc. the Kieeme Annual Summer Conf., (eds. D. H. Park) (KIEEME, Gangneung, Korea, 2012) p. 277.
K. H. Koo, H. K. Lee, J. W. Choi, and J. K. Lee, J. SNAK, 48, 62 (2011).

원문보기 상세보기
L. E. Sulfstede, IEEE Transactions on Industry Applications, 29, 300 (1993).

상세보기
M. S. Kim, H. S. Kim, J. AIK, 13, 263 (1997).

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