▲ 원광대학교 박대희 공과대학장(左), 박노준 교수. 원광대학교 박대희 공과대학장(左), 박노준 교수

스마트 그리드의 핵심으로는 가정의 정보가전을 포함한 각종기기를 유무선통신 인프라를 통해 제어하고 관리하는 역할을 담당하는 HAN(Home Area Network)과 함께 사용자에게 전력사용 정보를 제공하고 수요반응을 통한 에너지 효율향상을 도모하는 지능형 전력량계, 즉 스마트 미터를 포함하는 양방향 통신기술인 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 시스템을 들 수 있다.

그 동안 전력분야에서 연구되어온 광소자 기술로는 광섬유에 의한 송변전선의 감시기술을 들 수 있는데, 이것은 양방향 통신이 가능한 전력 인프라에서 power line과 함께 포설되는 광섬유의 위상을 측정하여 고장 예방 및 효율적인 운용 및 변전소급에서의 condition monitoring을 가능하게 한다.

한편, 최근 들어 스마트 그리드의 HAN과 홈 오토메이션을 결합하여 조명 및 가로등을 제어함으로써 소비전력 감소효과를 얻을 수 있는 지능형 광원 기술에 대한 연구가 활발하게 시작되고 있며 이것은 그린파워정책의 목적 달성에 필수불가결한 요소가 된다. 이때, 송전계통의 실시간 감시 시스템에 적용되는 광파이버 센서 기술과는 별도로 다양한 형태의 광전소자 및 LED 응용기술이 요구된다.

광통신, 광원 및 광전소자, 광정밀기기, 광소재, 광정보기기, 광학기기 등으로 분류되는 광산업은 반도체레이저, LED를 이용한 초정밀 계측, 의료기기 등으로 응용분야가 확장되고 있으며, 특히 중국이 대규모 생산투자를 하면서 전통적인 광통신 부품산업이 저부가가치 산업화 되고 있는 현실에서 광소자 기술과 스마트그리드의 결합은 지능형 전력망의 세계 선도국이 되기 위하여 꼭 필요하다.

광과 전자간의 상호작용을 이용한 광소자로는 전기에너지를 광으로 변환시키는 LD(laser diode), LED와 광을 전기신호 또는 에너지로 변환시키는 이미지 센서, solar cell을 등을 들 수 있는데, 그 동안 국내에서는 고휘도 백색 LED와 이미지 센서 분야에 대한 연구가 집중적으로 이루어져 왔다.

이미지 센서의 경우에는 표준 CMOS 공정을 사용하는 COMS 센서가 높은 성장률을 보이고 있고, 현재 휴대폰 keypad, 소형 LCD의 BLU(back light unit), 플래시용 등으로 사용되고 있는 백색 LED는 저전력 소모, 장수명, 빠른 응답속도, 무수은을 사용하는 친환경성을 장점으로 향후 자동차용, 조명용 광원시장으로 영역으로 성장할 것으로 기대되고 있다.

LED는 1960년대~1980년대의 태동기와 90년대 고휘도 LED 성장기를 거쳐 2000년대 들어와 고휘도 LED의 성숙기를 맞이하고 있는데, 2004년에는 70lm/W급 백색 LED 소자가 개발된 바 있고 100lm/W급 백색 LED소자도 이미 개발되어 있다.

현재 건축조명, 환경조명, 간접조명 등 특수한 분야에 사용되고 있는 LED 조명을 일반 조명으로 사용하기 위해서는 휘도 개선을 통한 두 배 이상의 고효율과 보다 저렴한 단가 문제를 해결해야 하고 하나의 LED 패키지에서 나오는 빛의 양을 늘리기 위해서는 칩의 크기를 SMD type에 비하여 5배 이상 대형화하는 기술이 필요하다.

최근 발표되고 있는 일반 조명용 백색 LED 상용제품의 효율은 60~70lm/W 정도인데 100lm/W 이상의 광효율 달성이 예상되는 5년 후에는 형광등의 대체가 가능할 것으로 보이며 Lamp 기준으로 약 10조원의 규모인 세계 조명시장에서 폭발적인 성장이 예상된다.

이를 위한 각국의 노력을 살펴보면, 한국은 2015년까지 조명의 30%를 LED 조명으로 대치하기로 하였고 일본은 일반 조명용 광효율 120lm/W 이상의 LED를 개발 중이며 미국 또한 광효율 향상을 통한 LED 조명 산업 구축에 박차를 가하고 있다.

또한 광효율 향상과 조명기구와의 최적화된 모듈화 기술이 필요한데, 예를 들어 통신기기 등은 20mA에서 구동하지만 조명은 100mA 이상에서 구동된다. 또한 LENS 및 등기구를 포함한 광학 시스템 설계, AC 전원 구동이 가능한 시스템 등도 해결해야 할 과제이다. 이와 더불어 최근의 LED 주요 이슈로는 LED의 방열문제를 들 수 있는데, 방열설계가 제대로 되지 않을 경우 칩 특성에 악영향을 미치기 때문에 LED의 휘도
를 높이기 위해서는 효과적인 열의 방출이 중요하며 이 때문에 LED 패키징과 관련된 연구들이 필요하다.

한편, LED 조명에 지능형 솔루션이 결합되는 스마트 그리드 홈네트워크 사업 외에, 전력선 통신(PLC: Power Line Commucication)에 기반한 지능형 가로등을 채택하는 경우 40%의 에너지 절감 효과, 광해(light pollution) 및 CO2방출 감소 효과, 유지비 감소, 운전자와 보행자의 안전 증대 등의 효과를 얻을 수 있다. 또한 광원을 고효율 LED로 대치하면 상승효과를 기대할 수 있는데 여기에는 등기구, 방열문제 해결 등이 수반된다.

끝으로 적색 LED의 성능을 뛰어넘는 농업용 LED 조명 기술을 들 수 있다. 농업용 LED 조명은 연간 약 120억원의 전기에너지를 절감할 수 있고, 연간 6만8000톤에 달하는 탄소 배출 저감 효과를 가져오는 잠재시장으로 주로 적색 LED 광원을 활용한 조명이 도입되고 있는 실정이다. 최근에는 여기에 신재생에너지를 융합한 하이브리드 기술도 도입되고 있다.

GE, Philips로 양분되고 있는 Major 조명시장 선점을 위해 스마트그리드와 융합된 LED 조명 기술을 집중 육성하기 위해서는 지속적인 광산업 인력양성 지원이 요구되며 대학 및 연구센터에 대한 연구개발비의 투자가 필요하다.