2.1 전자파 유해성과 M/W센서의 특성

전자파중 비전리 방사선은 주파수 대역이 0~300㎓으로 전리 방사선에 비해서 강도는 미약하나 장기간 노출 시 비열작용과 유도전류에 의한 대전체 방전으로 인한 쇼크와 화상위험이 있어 전자파의 인체보호기준에 의해 관리되고 있다^[5]. 특히 비전리 방사선 중 마이크로파(300㎒-300㎓)는 조직 온도를 상승시킬 수 있어 인체에 유해하다고 알려져 있다^[6].

본 연구에서 측정한 60W급 거실용 스마트 LED등은 리모컨을 이용하여 조명제어가 가능하다. LED 등기구에 설치된 M/W 센서와 디밍센서를 이용하여 10단계의 디밍조절이 가능하며 센싱모드에서 인체의 움직임이 없을 때 지정시간 후 소등이 되어 에너지 절감이 가능하다. 스마트 LED등에 내장된 M/W 센서는 X-Band 도플러 센서 송수신 모듈로 DR(절연 공진체)와 자체발진기 그리고 Passive diode mixer, Microstrip Patch antenna로 구성된다. 센서의 실효등방성복사전력(Effective Isotropically Radiated Power ; EIRP)은 15dBm이며 3dB 빔폭(E축/H축)은 67도/54도이며 사용주파수는 10.525㎓이다.

그림. 1은 M/W센서에 대한 Block Diagram이다. 동작원리는 먼저 전파가 Tx(송신안테나)를 통해 방사되고 반사전파가 Rx(수신안테나)로 입력되면, 믹서에서 비교를 통해 도플러 효과에 의해 반사되어 수신되는 주파수 신호를 감지하여 On/Off를 판단한다^[7].

안테나 급전방식은 마이크로스트립 급전방식을 사용하였으며, 이는 유전체 기판의 한 면에 방사 패치를, 다른 면에 접지를 결합한 형태로, 패치의 edge와 접지면 사이 발생전계에 의해 전자파를 발생시키며 선형편광(Linear polarization)특성을 갖는다^[8,9].

그림. 2와 같이 센서의 전방 감지거리는 약 5∼7M이며 측방 감지거리는 약 2M로 제작되었다.

그림. 3의 X-Band 안테나의 Beam 패턴을 보면 수평, 수직패턴에서 약간 치우친 비등방성 패턴을 보여주나, 비교적 넓게 전파가 방사되므로 탐지거리내 탐지각 범위에서 감지가 가능하다.

LED등기구용 M/W센서의 인체 유해성을 측정하는 이유는 감지특성상 M/W센서가 인체에 장시간 노출될 수 밖에 없으므로 전자파 강도기준에 적합한지 여부를 조사할 필요가 있다고 보았다.

2.2 전자파 측정 방법 및 대상

전자파인체보호기준에서 전자파의 안전성 평가방법은 전자파 강도와 전자파 흡수율을 규정하고 있으며 전자파 강도는 전기장 강도와 자기장 강도 그리고 이 둘을 곱한 전력밀도로 용어를 정의하고 있다.

전자파 강도는 국내의 전자파 인체보호기준에 따라 M/W 센서의 전력밀도는 2㎓~300㎓ 대역에서 10W/m² 이내로 규제하고 있다^[10].

본 연구에서는 혼 안테나를 이용하여 M/W 센서의 각 지점별 수신감도를 측정한 후 전력밀도로 환산하였다. 이렇게 환산된 전력밀도값이 일반인의 전자파 강도 기준인 10W/m²에 적합한지 분석하였다.

측정대상의 면적(4.15x3.43m²)중 측정불가 영역을 감안하여 3.15x3.15m²로 선정하였다. 측정대상인 거실은 서측으로 창이 있으며 반대편에는 유리창호가 설치되어 있다. 그리고 북측과 남측은 벽이 있다.

그림. 4(a)은 커버가 부착된 상태의 점등상태를 나타내고 있으며 그림. 4(b)는 커버가 분리된 소등상태를 보여주고 있다. LED등기구는 LG 이노텍 5630 G4 5700K 소자를 352개로 배열하여 60W의 출력이 가능하도록 6개 모듈로 구성되며, 중앙 부분에 센서 모듈과 디밍, 원격제어 모듈을 포함하고 있다.

그림. 5는 센서가 부착된 LED등기구의 일부분을 보여주고 있다. M/W센서는 등기구 중앙(점선 내부)에 있으며 실선영역은 송·수신 안테나를 나타낸다.

천정에 부착된 LED등기구용 M/W센서의 전자파 강도 측정을 위해 아래방향으로 1.5m 이격된 곳에서 혼안테나로 전자파 강도를 측정하였다. ㎓대역 측정을 위하여 직선 편광용 혼안테나를 사용하였으며 Linear polarized Double Ridged Broad band Horn Antenna를 사용하였으며 Spectrum Analyzer (HP8563E)를 연결․측정하였다^[11].

Horn Antenna(SCHWARZBECK BBHA 9120D)의 특성은 다음과 같다.

1) Nominal Frequency Range : 1㎓~18㎓

2) Usable Frequency Range : 800㎒~18㎓

본 연구에서는 혼안테나의 넓은면을 수직으로 0~90도 회전시키며 최대 수신감도를 측정하였으며 측정 주파수(10.525㎓)에서 이득값은 11.66dBi를 적용하였다.

2.3 전력밀도 측정 프로세스

혼안테나로 측정된 데이터 dBm에 안테나 이득과 케이블 손실을 보정하고, 개구면 면적의 보정을 거쳐 전력밀도 W/m²로 환산하여 전자파 강도기준 10W/m²에 적합 여부를 분석하였다. 먼저 전자파 강도를 구하기 위하여 dBm을 구하는 식 (1)을 이용한다.

두 개의 전력 비율 계산식인 dB=10log(P2/P1)을 1mW기준 절대전력 계산식으로 변환하면 다음과 같다.

식 (1)에서 측정값 (P)=$(\mathrm{P})=P_{m, d B m}$를 구하고 식 (2)에서 안테나 이득과 케이블 손실을 보정한다.

$(\mathrm{P})=P_{m, d B m}$ : 측정값 dBm

Ga : 안테나 이득 dBi=11.66dBi(측정값에서 감)

Gc : 케이블 손실 dB=3.5dB(측정값에서 가산)

Cable 손실 보정 = 3.5dB

$(\mathrm{P})=P_{c, d B m}$ : 안테나 이득과 케이블 손실 환산값(dBm)

Pc : 안테나 이득과 케이블 손실 환산값[㎽]

A : 안테나 면적 m²= 개구면 면적 142x245mm²를 m²로 환산한 값(0.03479)를 적용하면 전력밀도 W/m²를 구할 수 있다.

P : 전력밀도 환산값 $\frac{W}{m^{2}}$

2.4 전자파 분포 측정결과

위의 프로세스 중 식 (2)와 식 (4)를 적용하여 혼안테나에서 센서를 바라보는 수직 각도를 증가시키며 안테나 이득 dBi과 케이블 손실 dB, 그리고 안테나 개구면 면적을 적용한 측정값 dBm은 표 2와 같다.

위의 프로세스에 의해 보정된 전력밀도는 표 3과 같이 직하부분에서 최대값 3.23 E-6 W/m²이며 일반인에 대한 전자파 강도기준중 2∼300㎓ 대역의 전력밀도 규제값인 10W/m²와 비교하면 기준값의 백만분의 일 미만임을 알 수 있다.

3.1 측정대상 개요

전력량 평가는 임대아파트에 설치된 스마트 LED등과 일반용 LED등의 비교측정을 통해 다음과 같이 진행하였다. 입주 후 거주생활을 하는 전용면적 46m²인 세대를 각각 100세대씩 각각 A단지(60W급 스마트 LED등 설치)와 B단지(60W급 2-Step(50%, 100%) 점등형 LED등 설치)로 구분하고, 2018년 4월부터 8월까지 월평균 전력량을 각각 비교하였다(세대 전력량에는 전등, 전열, 에어컨 전력량을 포함한다).

A, B단지의 세대원은 2인 이상이며 전력량 조사 시 전유부(세대부)의 원격검침량만 조사하였다.

A단지의 세대수는 1,684세대이며 2017.1월에 입주하였으며 LED 거실등은 6개모듈, COB(Chip On Board)형으로 제작되었다. B단지의 전체 세대수는 906세대이며 2018.2월에 입주하였으며 LED 거실등은 2개 회로로 구분, 각각의 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 통해 점등된다.

측정대상 등기구는 그림. 6과 같다. A단지는 좌측과 같이 스마트 LED등에 센서 및 디밍모듈 그리고 블루투스 모듈을 포함되어 있다. B단지는 우측과 같이 2-Step점등형 LED 등기구를 나타내고 있다.

A단지의 스마트 LED등은 벽부 스위치를 켜야 디밍 및 센싱 회로가 작동하며 디밍 절환 후 10단계 밝기 조절이 가능하다. 센싱 모드시 센서가 작동된 상태에서 움직임이 30초 이상 없을때 소등되며 조절가능 감지시간은 30초, 1분, 2, 5, 10, 20, 30분이다.

조명제어 방식은 블루투스(ble) 제어방식을 사용하였으며, 총광속은 A단지 스마트 등이 6,259lm이며 B단지의 일반등은 6,346lm이며 광효율은 각각 101lm/W과 103lm/W이다.

3.2 전력량 측정결과

그림. 7과 같이 원격검침으로 측정한 월평균전력량 비교결과에 의하면 2018년 4월부터 7월까지 A단지에서 전력량이 높게 나타났으며 A단지의 월평균 전력량은 209.6kWh이며 B단지의 월평균 전력량은 204.6kWh으로 A단지가 5kWh가 더 높은 것으로 확인되었다.

스마트 LED 등과 일반 LED 등의 유효전력 비교를 위해 HPM-100A Standby Power Meter를 사용하여 각각 5개의 시료를 3회씩 측정한 결과, 일반 LED등의 대기전력은 0W였으며 그림. 8과 같이 스마트 LED등의 대기전력은 평균 1.82W로 확인되었다.

스마트 LED 등의 유효전력은 디밍레벨에 비례하여 변화하였으며 그림. 9와 같이 역률은 디밍 4단계까지 급격히 증가하나 단계가 높아질수록 증가율이 감소하였다.

3.3 대기전력 측정 및 전력량 보정

미국의 DOE Energy Efficiency Levels VI 요구사항에서는 AC를 DC 변환하여 전원을 공급하는 EPS(외장형 전원공급장치)의 대기전력을 소비전력 49W~250W에서 0.3W이하로 정하고 있으며 미국의 ENERGY STAR의 Program Requirements Product Specification for Luminaires, Eligibility Criteria Version 2.1에서 일체형 모션, 포토 센서 및 스마트 조명의 대기전력을 최대 1W로 정하고 있다^[12].

대기전력은 다음 세 가지 방법으로 측정 및 확인, 검증 절차를 통해 평가하였다.

1) 공가세대 대기전력 측정 : 각 단지에서 10개 공가세대를 선정한 후 2018년 8월분 대기전력을 원격검침으로 다음과 같이 확인하였다.

A단지 8kWh/월, B단지 6kWh/월

2) 대기전력 발생원 확인 : 공가세대의 전등 및 전열을 분리하여 각각 10세대씩 한 달간 측정하여 전열부하에서 대기전력이 발생함을 확인하였으며 전열부하는 난방용 구동기와 가스경기, 렌지후드, 월패드로 구성되며 거주여부를 떠나 항상 전력을 소모하였다.

3) 거주자 기반 대기전력 검증 : 거주자가 있는 상태에서 스마트 LED등의 SMPS를 포함한 센싱 및 디밍 모듈의 대기전력은 1.82W이었으며 1.31kWh/월의 전력량이 소모되었다. 또한 무부하시 무효전력은 9.01Var, 역률(pf)은 0.19이었으며 SMPS의 대기전력은 0.465W로 확인되었다. 2-Step(50%, 100%) 점등하는 일반용 LED등을 사용하는 B단지에서 대기전력이 발생하지 않았다.

스마트 LED등은 벽부스위치를 on한 후 디밍 및 센싱모듈이 작동되므로 스마트 LED등의 소모전력량 1.31kWh/월은 거주환경에서 항상 소모될 수 밖에 없으며 이 값에 A, B단지의 전열부하 대기전력 차이를 감안하면 A단지에서 3.31kWh/월.세대의 전력을 더 소모하는 것으로 나타났다.

3.31kWh/월 = 1.31kWh/월 + 2kWh/월

A, B 단지 전열부 대기전력의 차이 2kWh와 센서모듈의 대기전력 1.31kWh을 제외한 상태에서 보정한 단지별 세대당 월평균 전력량은 그림. 10과 같다.

대기전력을 보정한 후 스마트 LED등과 일반 LED등을 설치한 단지의 월평균 전력량은 각각 199.7kWh와 198.6kWh로 약 1kWh의 근소한 차이가 나타났다.

4.1 조사 및 평가 방법

본 연구에서는 스마트 LED등에 대한 이용자 만족도 평가를 위해 리커트 척도를 이용하여 불만과 매우만족의 정도를 5단계로 구분하여 설문지를 작성하였다. 조사대상은 스마트 LED등을 사용해 본 경험이 3개월 이상인 거주자를 대상으로 하였다. 스마트 LED등은 리모컨을 이용하여 10단계 디밍제어가 가능하며 센싱 모드에서는 인체의 움직임을 감지해 일정시간 동작이 없으면 소등이 가능하다. 배포한 설문지 중 응답자 49인의 결과를 분석하였으며 평가장소는 전용면적 29m², 36m², 46m²로 선정하였다. 설문은 크게 센서모드와 디밍모드의 만족도로 나누어 실시하였다.

4.2 평가결과 분석

스마트 LED 등에 대한 만족도 평가결과는그림. 11과 같이 나타났다. 질문 A와 같이 거주자의 거실에 LED등이 설치된 사실의 인지여부를 묻는 질문에 대하여 전체 응답자의 100%가 알고 있다고 응답하였다. 그리고 거주자의 스마트 등에 리모컨을 사용하여 디밍조절형 LED 등이 설치된 사실을 알고 있는지를 묻는 질문에 대하여 질문 B와 같이 전체의 96%가 알고 있는 것으로 나타났다.

질문 C와 같이 리모컨을 이용하여 전등밝기를 조절하는데 느끼는 용이성을 묻는 질문에 대하여 44인이 편리하다고 응답하여 전체의 89.7%가 디밍기능을 편리하게 느끼고 있는 것으로 분석되었다.

질문 D와 같이 리모컨을 이용한 디밍조절의 선호도를 묻는 조사에서 응답자의 38.8%가 디밍값 50%에서 90%를 이용하였고 38.8%는 디밍을 전혀 사용하지 않는 것으로 나타났다. 관리사무실 직원을 대상으로 한 예비조사에서 스마트 LED등의 디밍이용율은 50～60% 수준을 예상하였다.

설문결과에서 디밍기능 만족도는 89%인데 비해 실제 디밍이용율이 38.7%로 나타난 원인은 리모컨을 이용한 100% 점등을 디밍조작으로 인식하는 이용자 인식오류와 50대 이상 높은 연령층으로 갈수록 100% 점등을 하는 사람이 많은 이유로부터 추정할 수 있다. 또한 2단계 방식으로 점등하는 일반용 LED등의 비해 10단계 디밍방식을 택하고 있어 사용이 익숙하지 않아 광량제어를 번거롭게 여긴 점도 고려할 수 있다고 본다.

리모컨을 이용한 센싱모드에 대한 만족도를 묻는 질문에 대하여 응답자의 35인이 편리하다고 응답하여 71.4%가 센싱모드를 편리하게 느끼는 것으로 확인되었다. 이처럼 센싱모드 이용률이 높지않은 이유로는 디밍 및 센싱모드는 우선 벽부형 스위치를 먼저 켜야 리모컨에 의해 사용가능하므로, 이와 같은 조작의 번거로움과 홍보부족을 주요 이유로 볼 수 있다. 센싱모드가 편리하다고 긍정적인 답을 한 사람은 전체의 71.4%였지만 세대구성원이 실제 2~4인으로 구성이 되므로 거실공간에서 빈번한 인체감지로 인해 계속 점등이 되어 센싱모드의 이용률이 높지 않았던 것으로 판단된다.

이와 같이 센싱모드가 다수가 생활하는 공간에 대한 적합하지 여부는 검토가 필요하다고 본다.

또한 유사 면적의 임대아파트임에도 불구하고 단지별 연령 분포 차이가 있음을 그림. 12를 통해 알 수 있다. 동일지역에서 입주시기에 별 차이가 없고 주택규모가 유사하나 거주자의 연령분포를 보면 A단지는 20~30대 거주자 분포가 낮고 B단지는 40~60대 거주자 비중이 낮아, 연령대 차이가 정보화 접근기회에 미치는 영향을 감안하면 스마트 기능에 대한 이용자의 적응도에 차이가 있는 것으로 예상할 수 있다.

또한 그림. 12에 의하면 스마트 등이 설치된 A단지는 40대~60대 연령분포가 B단지에 비해 상대적으로 많아, 거주시간 증가가 전력소모에 영향을 미칠 수 있는 것으로 볼 수 있다. 젊은 층의 연령 분포를 보면 B단지는 20대~30대 거주자가 58.35%인데 비해 A단지 20대~30대 거주자는 44.19%이며, 40대~60대의 경우 B단지에서는 32.99%인데 비해 A단지에서 46.19%로 나타났다. 결국, 상대적으로 나이든 연령층이 많고 젊은 연령층이 적은 스마트단지의 주택 내 체류시간 증가에 따른 전력사용의 차이가 확인되었으나, 연령분포와 전력량간의 구체적인 상관관계 분석은 다음 연구를 통해 다룰 예정이다.

전력량 측정 및 만족도 평가 결과에 의하면 스마트 LED등이 더 많은 전력을 소모하고 디밍이율율이 38.7%로 나타난 결과를 보면 이용자가 불편하게 느끼는 요소가 존재하는 것으로 판단된다.