LED등이 효율이 높은 이유는 무엇인가요?

Question

필라멘트를 사용하는 백열전구는 열이 많이 발생하여 에너지 소모가 심하지만, LED 전등은 열소모가 거의 없습니다. LED등이 효율이 높은 이유는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

백열전구와 LED의 에너지 효율 차이는 전기 에너지를 빛으로 바꾸는 발광 원리에서 발생합니다.

백열전구는 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 약 2,500°C 이상의 고온으로 가열할 때 발생하는 빛을 이용합니다. 입력된 전기 에너지의 90~95%가 불필요한 적외선으로 버려지고, 단 5~10%만 눈에 보이는 가시광선으로 전환됩니다. 반면, ​LED 등은 P형 반도체와 N형 반도체가 만나는 접합부에 전압을 걸어줄 때, 전자와 정공이 결합하며 이동하는 과정에서 에너지가 열을 거치지 않고 직접 빛 형태로 방출됩니다.

백열전구는 눈에 보이지 않는 적외선을 대량으로 내뿜는 반면, LED는 원자 수준의 반도체 재질 조절을 통해 인간의 눈에 보이는 가시광선 파장 영역만 집중적으로 만들어냅니다. 빛을 내기 위해 필라멘트처럼 수천 도까지 온도를 올려야 할 필요가 없어 주변으로 빠져나가는 열 에너지가 극히 적습니다.

결과적으로 LED는 투입된 전기 에너지의 30~50% 이상을 빛으로 전환할 수 있어, 백열전구에 비해 전력 소모를 80% 이상 줄일 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. LED 전등이 백열전구보다 에너지 효율이 높은 이유는 전기에너지를 빛으로 바꾸는 발광 원리가 다르기 때문인데요, 백열전구는 전기가 흐를 때 필라멘트라는 가느다란 금속선이 매우 높은 온도로 가열되면서 빛을 내는 방식입니다. 뜨거워진 물체가 빛을 방출하는 열복사 원리를 이용하는데, 이때 전기에너지의 대부분은 빛이 아닌 열에너지로 전환되며, 실제로 백열전구는 소비하는 에너지 중 약 90%가 열로 손실되고, 일부만 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선으로 바뀝니다. 따라서 전구 주변이 뜨거워지고 같은 밝기를 내기 위해 많은 전력을 소비하게 됩니다.

반면 LED는 반도체 내부에서 전자와 정공이 결합할 때 발생하는 에너지를 빛으로 방출하는 전기발광 현상을 이용하는데요, 전류가 흐르면 반도체 내부의 전자와 정공이 만나고, 이 과정에서 에너지의 일부가 광자의 형태로 방출되면서 빛이 만들어집니다. 백열전구처럼 금속을 고온으로 달구어 빛을 만들 필요가 없기 때문에 에너지가 열로 낭비되는 비율을 크게 줄일 수 있습니다. 즉 백열전구는 전기를 먼저 열로 바꾼 뒤 일부를 빛으로 전환하지만, LED는 전기에너지를 비교적 직접적으로 빛으로 바꾸는 구조이므로 효율이 높은 것입니다.

다만 LED도 열이 전혀 발생하지 않는 것은 아닌데요, 전기에너지 중 빛으로 전환되지 못한 일부는 열로 바뀌며, 전류를 조절하는 전원 장치에서도 열이 발생합니다. 그래서 LED 조명에는 금속 방열판과 같은 구조가 사용됩니다. LED 내부에 열이 지나치게 쌓이면 밝기가 떨어지거나 수명이 짧아질 수 있으므로 열을 외부로 방출하는 과정도 중요합니다. 따라서 LED는 빛을 만들기 위해 불필요하게 발생하는 열이 적은 조명이라고 보시면 될 것 같습니다. 감사합니다.