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LED 교통신호등 기술현황 및 국내보급 방안

LED 교통신호등 기술현황 및 국내보급 방안

  1999. 12. 3

 한국에너지기술연구소

 정봉만 박사

 

Ⅰ. LED 교통신호등 특징

 

 1. 국내 교통신호등 실태

 

 가. 신호등용 램프

 

   ◆ 전량 해외에서 수입되는 백열구

   ◆ 낮은 발광 효율 (10 lm/W), 큰 빛 손실(50∼90%)

   ◆ 짧은 수명 (약 4,000 시간)

 

 나. 전력소비 특성

 

   ◆ 365일 24시간 점등

   ◆ 큰 에너지 소비 (낭비)

   ◆ 첨두부하 증가의 원인 (수요관리 불가)

 

 다. 환경특성

 

   ◆ 잦은 유지보수 : 관리비용 증가,교통장애

   ◆ 나쁜 시감 특성 (역광,안개 등)

 

 2. LED 램프

 

 가. 발광특성

 

    ◆ 특정 파장대의 단색광 발광

    ◆ 매우 작은 발열,저 전력 소비

 

 나. 점등특성

                                                               

    ◆ 장 수명(백열전구 대비 10배 이상)

    ◆ 양호한 반복 점등 ,충격 특성

    ♣ 주위 온도 변화에 따른 동 특성 변화

 

    ▣ LED는

 

    ▷ 옥외에 노출되고,

    ▷ 점등시간이 길며,

    ▷ 점 소등 횟수가 많고,

    ▷ 단색광을 필요로 하는 교통신호용 광원 으로 적합

 

 3. LED 교통 신호등

 

   가. 전력소비 특성

 

     ◆ 낮은 발열에 의한 발광효율 향상(20∼30 lm/W)

     ◆ 단색광 발광에 의한 빛 손실 경감

     ◆ 대폭적 에너지 절약 : 백열전구 대비 70∼90% 절전 (150W⇒20W)

 

    나. 교통환경 특성

 

     ◆ 유지보수 감소, 시인성 향상

     ◆ 교통사고 유발 감소

     ♣ 초기투자비 상승 다. 구조적 특성

  

    다. 구조적 특성

 

항목

전구식

LED

렌즈

착색

투명/착색

반사경

×

광원

백열전구

LED Array

소켓

×

구동회로

×

외함

대형

소형

 

 

Ⅱ. 외국의 기술개발/보급현황

 

 1. 고휘도 LED 기술

 

 가. 기술개발동향

 

  나.  주요 기술 보유국/회사

 

   ◆ 미국/HP,일본/Nichia사 기술선도

   ◆ 경쟁적 기술개발,응용분야 확대 및 신규참여 (Toshiba,Simens/Osram 등)

 

2. 미국의 LED 신호등 기술 및 보급 현황

  

 가.관련 규격

 

   ◆ 백열전구 신호등에 기초한 ITE 잠정구매 규격(‘96.98’)

   ◆ 일부 자체규격(CALTRANS, New York City, Connecticut, New Jersey,

        Massachusetts)

   ♣ 유럽보다 2∼6 배 높은 광도 규격,지속적 보완연구 수행

 

 나. 보급 현황

 

   ◆ 에너지절약,환경개선 목적

   ◆ Utility Efficiency Program으로 설치 지원

   ◆ 에너지절약 잠재량,초기 투자비용 등을 고려한 적색 신호등 위주 보급,

        녹색은 보급초기 단계

   ◆ 적색 Retrofit 신호등 년 4%교체 (현재 약 10%교체)

   ◆ 주요 교체 지역 : 필라델피아시, 뉴욕시, 덴버시, 산호세, 미네소타주,

                       오레곤, 펜실바니아, 캘리포니아주

   ♣ 미 전역 900만개 신호등 교체시 년 30억 KWH절전

 

 다. The Philadelphia Story

       (Traffic Technology International Aug/Sept'97)

 

   ◆ 1992년 : 240개의 적색 LED교통신호등 시범설치 20개월간의 실증시험

   ◆ 1995년 : PTI Technology Achivement Award Winners수상 (에너지부분)

   ◆ 1996.12 : 시 전역의 28.000개 적색신호등 교체 계획수립

   ◆ 1977. 4 : 교체 계약

               ○ 계 약 사 : Precision Solar Inc.

               ○ 교체기간 : 1997.4.∼ 1988.12

               ○ 계약금액 : $2,600,000

               ○ 년간 예상이득

                - 전기요금절감   : $930,000/년

                - 유지보수비 절감: $230,000/년

                - 기    타       : $40,000/년

                - 합    계       : $1,200,000/년

               ♣ 투자비 회수기간 : 약 26 개월

 

  3. 유럽의 LED 신호등 기술 및 보급 현황 

 

  가. 기술 동향 및 관련 규격

 

   ◆ LED신호등에대한 통일규격 준비중 (2000년)

   ◆ 자체규격(영국) 및 기존 신호등규격 적용 시범사업

   ◆ 대부분 200mm 신호등 대상 (차량 및 보행등)

   ◆ 낮은 광도규격 (삼색 동일)

 

 나. 보급 현황

 

   ◆ 에너지절약,환경개선 목적

   ◆ 에너지 관련 부처, 전력회사 지원

   ◆ IEA/DSM 시범사업 추진 (Stockholm)

   ◆ 삼색 Retrofit 신호등, 낮은 경제성

   ◆ 에너지 비,유지보수 비 85%절약,내구 년한 10년

   ♣ 시범설치 : 스웨덴, 네덜란드, 오스트리아, 독일, 스페인, 스위스, 영국,

                 핀란드, 러시아등

 

다. IEA DSM Programme / Stockholm 시범사업

 

  ◆ 사업배경

 

   (1) Stockholm LED Project 자료(1996)

 

    ○ 큰 에너지 절약 잠재력(70W⇒10W),긴 수명 (예상 수명 12년)

    ○ 전력 88%,전기요금 71%,유지비용75% 절감 (4.8⇒0.6GWH)

 

   (2) IEA DSM 시범 사업 선정 (총 5개 분야,1998)

 

      ① 건조기 ② 조명기기 ③ 전동기 ④ 복사기 ⑤ LED신호등

 

  ◆ 사업실적

 

     ○ 1998년 : 4,254등두, 11,085램프, 총 M$2.80($660/개)

     ○ 1999년 : 3,450등두,  9,000램프, 총 M$1.91($461/개)

     ○ 2000년 : 2,797등두,  6,915램프, 총 M$1.29($461/개)

    

     ♣ 경제성 : 총 비용 M$5.0년 절감액 $713.900 회수기간 8.4년

                 (년 에너지비$470,900,유보수비$243,000절감)

     ♣ 녹색을 포함한 3색 200mm신호등 교체⇒낮은경제성

                 (높은 초기비용,작은 절전량,싼 전력요금/보수비용)

 

  4. 일본의 LED 신호등 기술 및 보급 현황

 

   가. 기술 동향 및 관련 규격

 

     ◆ 기존 전구식 규격에 기초한 시범사업

     ◆ 낮은 광도 규격,삼색 동일

 

   나. 보급 현황

 

     ◆ 시인성 향상,교통환경 개선(교통사고 저감) 목적

     ◆ 설치현황 : 도쿠시마,오사카 등 500기,철도용 5,000기

 

   다. 효과분석

 

     ◆ 교통사고 감소율 : 25%(주간 17.6%야간 38.1%)

     ◆ 일본 내 150만 신호기 교체시

          ⇒ 년 6억 kWH절감, CO2 680,000Ton절감

 

 

 Ⅲ. 국내 보급환경 및 기술현황

 

  1. LED 교통신호등 보급 환경

   

   가. 신호등용 LED 기술

   

     ◆ 범용LED 세계적인 생산국

     ◆ 신호등용 고휘도 LED 개발 초기 단계 (적색,황색)

          수요창출시 단기간 내 국산화 개발 가능

   

   나. 주변기술

 

     ◆ 구동 및 광 출력 안정화 기술

     ◆ 내외함 설계 기술, LED Array

          기술 개발 잠재력 보유

 

   다. LED 신호등 규격 미비

 

    ◆ 기존 신호등 규격의 직접 적용 한계(시험 내용 및 시험방법 상이)

    ◆ 현실적 국내 보급 불가 (규격 및 안정성 검증 미비 )

         한국형 LED교통신호등 규격제정 및 구조 표준화 필요

    ●  국내 교통 환경 및 기후 특성 등 고려

    ●  정부 주도 규격연구 및 시범사업 추진 바람직

 

   2. 국내 기술 개발 현황

 

   가. LED 교통신호등 보급 타당성 연구 (1997)

 

    ◆  국내 최초,한국에너지기술연구소

    ◆  LED 교통신호등 기술형황 분석, 시제품 제작/평가, 효과분석

          (절전율 78∼86%입증)

 

   나. 규격 및 표준 시스템 연구 (1998∼2000)

 

    ◆  한국에너지기술연구소, 도로교통안전관리공단

    ◆  한국형 Retrofit LED 신호등 / LED 전용 신호등 규격

    ◆  국내 보급 기반 구축을 위한 시범 운전,평가 및 제도화

 

   다. 1차년도 연구 내용 및 결과

 

    ◆  국내외 기존 및  LED 교통신호등 규격 분석

          나라별 신호등 구조 및 규격이 상이, 잠정규격 적용

    ◆  Retrorfit LED 신호등 구조 및 규격이 상이,잠정규격 적용

    ◆  도로 시험설치 운전 및 설문조사 (서울,대전 11개소)

    ◆  Retrofit LED 교통신호등 (잠정)규격 제안 ( 99.11 )

 

  라. 설문조사 결과

 

 단위 : 명(%)

 

             구         분

          주  간

           야  간

 

밝기

 

밞음

92(91.1)

96(95.0)

같음

8(7.9)

5(5.0)

어두움

1(1.0)

0(0.0)

 

색상

 

진함

81(80.2)

90(89.1)

같음

12(11.9)

10(9.9)

옅음

8(7.9)

                  1(1.0)

 

눈부심

 

심함

14(13.9)

20(19.8)

같음

23(22.8)

23(22.8)

없음

64(63.4)

58(57.4)

 

썬팬텀

 

심함

0(0.0)

 

같음

11(10.9)

 

없음

90(89.1)

 

 

 

Ⅳ. 기대효과 및 활용방안

 

가. 국내 LED 신호등 보급 기반 구축 및 기술 확보

 

   ◆ 한국형 LED 교통신호등 규격 개발 및 표준화 설계기준 구축

   ◆ LED 교통신호등 국산화 기술 개발 촉진

   ◆ 국제 기술 경쟁력 확보

 

나. 에너지절약 및 환경 개선

 

   ◆ 에너지절약 및 전력수요관리 : 약 6,000만 kWH/년

   ◆ 환경개선 (CO2 저감) : 약 7만 ton/년

 

다. 교통환경 개선

 

  ◆ 시인성 향상 따른 교통사고 예방 및 감소

  ◆ NO Phanton Effect,주 야간 조광 제어 용이

  ◆ 장 수명 : 유지 보수비 및 교통장애 감소

 

라. 기술이전 및 응용분야 확대

 

  ◆ 기술 이전 및 민간 (기업) 주도대량 보급 추진

  ◆ 비상구, 자동차 후미등,철도용,태양전지 신호등

 

Ⅴ. 국내 보급 방안

 

 1 단계 : LED신호등 보급 기반 구축

 

  ◆ 국내 교통환경 특성을 고려한 규격 개발,제도화 및 설계 표준화

  ◆ 정부주도 (관련 연구기관 참여)

       신호등 규격/표준 시스템 개발, 시험 평가/성능 검증, 시험평가

       설비 구축/시험절차 개발

 

 2 단계 : 시범화 사업 추진

 

  ◆ (가칭) "LED 교통신호등 보급 추진 그룹" 조직,운영

       산자부,경찰청,지자체, 관련 연구소(에기연,교과연), 학계,전력회사(한전),

       관련기업 등 참여

  ◆ 보급 우선순위,지원대책 수립 (ECDT사업 등)

  ◆ 시범 사업 및 평가 (에너지절약,안전성,경제성 등)

 

 3 단계 : 대량 보급

 

  ◆ 기술이전 및 확대보급 방안 수립

       고효율 기자재 지정 ,Redate제 도입 등

  ◆ 민간(기업)주도의 대량 보급 사업 추진

  ◆ 규격의 국제화 추진

 

 ※ 참조 : 신기술 소개/기술자료 : 한국형 LED교통신호등 잠정규격(안) 참조