In this paper, an efficiency grade standard for imaging equipments using electrophotograph printing such as a printer, copier, fax, and MFD (Multi Function Device) is studied. By emphasizing domestic standby power reduction program's problem, and proposing the necessity of efficiency management, the efficiency standard is developed by reliable data registered in domestic standby power reducing program. To find an efficiency indication for grade, correlation analysis is used and as a result, printing speed has the biggest correlation coefficient. By applying the efficiency indication for grade, the proposed certification standard is established in 1st to 5th level products and super-high-efficiency product (energy frontier) which is better than 1st to 5th level products. If these efficiency standards are chosen by government policies, it is expected to save 65 billion won reduction of energy cost per year.
인류가 만물의 영장으로 문명을 만들고 문화를 발전시킬 수 있었던 것은 인쇄기술의 발달에 기인한다. 기원전 4000년 메소포타미아 문명에서 설형문자로 책을 만들던 것을 시작으로 우리나라 흥덕사에서 간행된 직지심체요철(1377년), 구텐베르크의 금속활자(1455년)등 인쇄 기술은 문화와 함께 번성하였다. 근대의 산업혁명기에 들어서는 ‘오프셋’ 인쇄 방식으로 불리는 아날로그 인쇄로 대량 출판이 가능해졌으며, 디지털 시대에 흐름에 발맞추어 인쇄에도 디지털 기술이 적용되어 맞춤형 소량 출판이 가능한 개인 출판의 시대가 열렸다. 최근에는 모바일 및 스마트폰 시장이 활성화되면서 출력기기도 이러한 스마트폰 및 모바일 시장의 출력 형태에 따라 진화하고 있으며, 클라우드 프린팅과 와이파이 및 블루투스를 활용한 스마트폰 프린팅과 같은 기술이 개발되고 있다[1].
프린터, 복사기, 복합기, 팩시밀리 등을 통칭하는 이미징 장치는 인쇄 혁명을 가능하게 만든 장본인으로 컴퓨터와 함께 비즈니스 디지털 기기의 핵심 장비로 자리잡고 있으며 미래에는 3D 프린팅을 비롯한 소형·경량, 고해상도, 고성능 제품의 수요가 늘어나 가정에서도 손쉽게 사용될 것으로 전망된다.
그림 1의 최근 이미징 장치의 연간 판매량은 약 100만대로 지속적으로 늘어나고 있으며, 에너지 소비량은 커져가고 있다. 미국 환경청이 실시하는 에너지저감 프로그램인 에너지 스타의 이미징 장치에 대한 전력소비현황을 소개하는 자료를 보면 미국 빌딩에는 1억 7천만개의 이미징 장치가 있으며 연간 30억 kWh의 에너지를 소비한다. kWh 당 160원으로 환산하면 연간 4800억 원에 해당하는 에너지 비용이 발생하는 것이다. 하지만 2014년도에 개정된 인증 기준에 부합한 이미징 장치 구매 시 40 ~ 55 % 의 에너지를 절감할 수 있어 효율 관리의 필요성을 강조하고 있다[2].
반면, 우리나라는 2008년 이래로 대기전력 1 W 이하를 위해 경고라벨 표시제도 정책을 펴왔다[3]. 하지만 이미징 장치의 성능 향상과 사용자 편이 기능을 다양하게 요구하는 현 시장 상황을 볼 때, 기준을 강화하여 에너지를 절감하는 기존 방식은 에너지 절감이라는 근본 목적을 벗어나 ‘규제’로 인식하고 있다. 최근 규제 개혁을 지향하는 산업부의 ‘법정 인증제도 개선’을 위한 규제 청문회 결과를 보면 “컴퓨터, 모니터 등 사무용 기기의 대기전력 저감을 목적으로 하는 대기전력 저감제도를 효율관리기자재 지정 제도에 통합하고, 대상품목도 프린터·유무선 공유기 등 대기전력저감 필요성이 높은 품목을 중심으로 대폭 줄이는 정책 방향”이 발표되었다[4]. 이러한 정책 동향을 반영하여 그림 2와 같이 이미징 장치를 위한 대기전력에서 효율 관리로의 이행이 필요하다.
본 논문은 이러한 대내외 정책변화에 능동적으로 대응하기 위해 시장에 가장 많이 보급되어 있는 전자사진 이미징 장치의 소비전력에 영향을 미치는 주요 인자를 명확하게 규명하고 그 수준을 파악하여 효율기준을 제시하고자 한다.
2.1. TEC (Typical Energy Consumption) 측정
전자사진 기술을 이용하는 이미징 장치의 동작 모드에서 소비하는 전력을 측정하기 위해 TEC 측정 방법이 널리 사용되고 있다. TEC 측정 방법은 그림 3과 같이 일반 사무환경에 소비전력 패턴을 조사하고 이를 주 단위로 모델링하여 주간소비전력을 측정하는 방법이다. 2005년 미 환경청에서 개발되었으며, 독일의 환경마크인 Blue-Angel, 중국의 China Energy Label, 우리나라 대기전력저감 프로그램에서도 이 방법을 사용하고 있다.
TEC는 (1)과 같은 산출식에 의해 구해지는데 앞의 항은 주중의 소비전력량을 의미하고 뒤의 항은 주말에 소비하는 전력량을 의미한다. 따라서 단위는 kWh/week 로 표현되며 국내에서는 주간소비전력량이라고 정의하고 있다.
여기서
1일 작업소비량
여기서
TEC 측정을 위한 회로도를 살펴보면 그림 4와 같다. 전원 소스로부터 표 1의 조건을 만족하는 안정된 전원이 들어와 시험 시료에 공급된다. 시험 시료는 공장 출하 당시에 초기조건에서 시험하게 되어 있으며, 만약 출하 당시에 네트워크 기능이 활성화되어 있다면 해당 네트워크를 연결하여 시험을 실시하여야 한다.
TEC 시험조건
시험을 위해 준비된 시료는 그림 5의 프린터 기능이 있는 전자사진 기술의 복합기 제품으로 메모리는 32MB이며 인터페이스로는 USB, Ethernet, WiFi-Direct를 제공한다. WiFi-Direct 기능은 출하 시 오프된 상태였으므로 시험 진행시 오프로 하였으며, Ethernet과 FAX 모뎀 기능은 활성화하였다. 흑백 인쇄 속도는 A4 용지 기준 30 ipm으로 분당 30장을 출력하는지 확인 후 작업표에 따라 작업 당 화상수를 15 장으로 하여 작업 모드 소비전력을 측정하였다.
이미징 장치의 전력 상태를 보면 그림 6과 같이 0.03에서 최대 1100 W까지 넓게 분포한 소비전력 그래프가 측정된다.
위의 전력 분포를 복합기의 표시화면과 비교하여 살펴보면 표 2와 같이 5가지의 전력 레벨을 가지고 있다.
동작 모드별 표시 화면
첫째, 동작모드로서 현상기의 열을 가하고 급지와 배지 모터를 구동 시키므로 가장 많은 에너지를 소비한다.
둘째, 준비모드로서 인쇄를 하지 않는 동작 상태에 있으며 어떠한 슬립모드에도 들어가 있지 않고 최소의 이행 시간으로 온 모드에 들어갈 수 있는 상태이다.
셋째, 슬립모드로서 일정시간 동작이 이루어지지 않은 후 자동적으로 전환되어 실현되는 저 전력 상태이다. 때때로 이 슬립모드는 제조사에 따라 더 낮은 전력레벨로 구현되는데 이것을 딥 슬립모드라고 한다.
마지막은 오프모드로서 전원 스위치를 내려 기기를 사용하지 않도록 하는 상태로 가장 낮은 대기전력을 가지게 된다.
이미징 장치는 동작 모드별 소비전력 수준이 다르기 때문에 효율 기준 수립이 어려운 기기이나 TEC 모델에 따라 주간 소비전력량을 측정하면 기기의 소비전력을 대변하는 대표 값을 얻을 수 있다. 표 3은 TEC 측정결과를 나타낸다.
TEC 시험 결과
TEC 측정결과의 측정값은 2.096 kWh/week로 에너지 스타 인증 기준인 2.15 kWh/week보다 낮아 인증에 부합됨을 확인할 수 있다.
기준개발 시 가장 좋은 방법은 샘플링을 통한 개발이 아닌 모 집단에 대한 분석을 통한 결과이다. 이는 효율등급기준개발을 위한 기초데이터로 단순히 몇 개의 제품의 샘플링이 아닌 전체 데이터가 필요하다. 하지만 표 4에서 확인할 수 있듯이 2013년 한해에만 399개의 제품이 출시되고 등록된다[6]. 따라서 이 많은 제품들을 일일이 구매하여 측정하여 기준을 개발하는 방법으로는 시간적, 금전적 한계가 있다. 다행히도 국내 대기전력저감 프로그램에 따라 의무적으로 출시 전 제품의 TEC를 측정해야하고 에너지관리공단 홈페이지에 시험결과를 등록하도록 되어있다.
연간 신고 실적
따라서 본 연구에서는 에너지관리공단에 등록된 최근 5개년도의 시험 데이터를 토대로 기준을 개발하였다. 이러한 방법을 통해 최근 출시한 제품을 반영할 수 있으며, 샘플링을 통한 기준개발이 아닌 모집단에 대한 기준 개발을 수행하였다.
소비효율등급 부여지표란 각기 다른 성능의 제품에 효율등급을 공정하게 부여하기 위해 개발되는 상대 값으로 제품의 효율을 대변한다. 본 절에서는 TV의 효율등급부여지표를 예로 들면서 이미징 장치의 효율등급부여지표 개발을 위해 어떠한 성능 지표가 필요한지 알아본다.
TV의 효율등급부여지표 산출식을 살펴보면 식 (3)과 같다[7]. TV의 소비효율등급 부여지표 R을 살펴보면 동작모드 소비전력을 화면면적의 제곱근으로 나누었는데 이는 TV의 소비전력과 관련된 주 성능 지표가 화면면적이라는 점에 기인한다. 화면을 구성하는 LCD패널과 BLU(Back Light Unit)은 전력을 가장 많이 소비하는 부품으로 이는 화면면적이 커질수록 비례하여 소비전력이 커지는 경향이 있기 때문이다.
이미징 장치 역시 TV의 화면면적 제곱근과 같은 성능지표를 찾아낼 필요성이 있다. 다음 절에서는 상관분석 기법을 통해 이미징 장치의 주요성능지표를 찾는다.
3.3. 상관 분석(Correlation Analysis)
상관분석은 변수들 간에 존재하는 선형관련성의 정도를 측정하여 분석하는 방법이다[8]. 이때 선형관련성의 정도를 측정하는 척도로는 상관계수(Correlation Coefficient)를 사용한다. 상관계수는 Pearson의 적률상관계수(𝛾)가 가장 보편적으로 사용되는데 모집단으로부터 추출한 크기
여기서 , 는 각 표본의 평균을 나타내고, 상관계수(γ
① γxy 는 −1.0에서 +1.0 사이의 값을 가진다. −1.0 또는 1.0에 가까울수록 밀접한 상관이 있다. ② 변수와의 방향은 (−)와 (+)로 표현하며, 양의 상관관계일 경우에는 (+)값이 나타나고, 음의 상관관계의 경우에는 (−)값이 나타난다. ③ γxy 값이 0에 가까울수록 변수간의 관련성이 없는 것으로 해석한다.
또한 상관계수의 통계적 유의성 검정을 실시하기 위해 아래와 같은 가설을 정의한다.
귀무가설(H0) : 두 변수 간에는 상관관계가 존재하지 않는다. H0 : r = 0 대립가설(H1) : 두 변수 간에는 상관관계가 존재한다. H1 : r ≠ 0
그리고 귀무가설(
분석에 앞서 신뢰성 있는 데이터를 확보하기 표 4의 신고된 776 개의 데이터 중 신고 시 기입을 잘못 하거나 기입되어 있지 않은 다음과 같은 불량 데이터를 제외한 총 301개의 복합기 데이터들이 사용되었다.
① 정격소비전력: 200 W 이하의 데이터 ② RAM: 0으로 기입되어 있는 데이터 ③ 해상도: 0으로 기입되어 있는 데이터
분석 프로그램은 IBM사의 SPSS Statistics Version 21을 사용하였다. 이 프로그램은 주로 사회과학의 자료분석을 위해서 만들어진 통계 프로그램 패키지로 본 논문에 필요한 상관분석을 할 수 있는 툴을 포함하고 있다[9].
표 5와 6의 기술통계량과 주요 인자별 상관관계를 살펴보면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다. 흑백속도, 해상도, 정격 소비전력은 유의확률보다 작기 때문에 상관관계가 존재한다고 볼 수 있다. 특히 흑백 인쇄 속도는 Pearson 상관계수가 0.643으로 양의 관계를 가지며, 가장 큰 상관관계를 지니는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 TEC 측정 동안 인쇄 속도가 얼마나 큰 영향을 미치는지 수치적으로 보여주는 결과이다.
기술통계량
TEC와 주요 인자 사이의 상관관계
앞 절의 통계 분석을 통해 흑백 속도가 가장 큰 상관관계를 가지며, 상관분석이 선형관련성의 정도를 측정하는 척도이므로 식 (5)와 같이 TEC 소비전력량을 흑백속도로 나누는 소비효율 등급 부여지표 R을 제안하였다.
여기서, 소숫점 자리에서 정수자리로 등급 부여에 용이하도록 할 수 있도록 상수 1000을 곱하였다. 제안된 효율부여지표를 신고된 데이터를 토대로 가로축의 인쇄 속도, 세로축의 R 값으로 하여 그림 7의 분포표로 나타내었다. 분포된 값을 살펴보면 효율부여지표 R은 이제 주요 성능인자였던 인쇄 속도의 영향을 크게 받지 않아 인쇄 속도가 다른 기기간의 효율 등급의 차이가 발생하지 않음을 볼 수 있다.
이는 TV의 효율등급 부여지표에서 화면면적에 따라 효율 등급이 나뉘는 현상을 방지할 수 있도록 한 것으로 TV의 화면면적과 같은 성능지표가 이미징 장치에서는 인쇄 속도와 같음을 의미한다.
에너지 소비효율 등급 표시제도에 따라 1 ~ 5등급을 구분하고 1등급 보다 더 효율이 좋은 초고효율 제품의 개발 의지를 고취시키고자 에너지 프론티어 등급을 신설한 각 등급별 비율을 표 7에 도시하였다.
등급별 비율 제안
이러한 소비효율등급의 비율은 정부의 정책방향, 기술 수준에 대한 종합적 검토를 통해 결정하는 것이 바람직할 것으로 사료되며 이 과정에서 본 논문에서 제시한 각 등급별 비율 제안이 적절히 활용될 것으로 기대한다.
프린터, 복사기, 복합기, 팩시밀리는 각 제품별 특징 및 동작이 다르므로 개별 제품군에 대한 등급기준이 필요하다. 하지만 표 4에서 살펴 본 것과 같이 복사기, 팩시밀리는 최근 5년 동안 각 18건, 10건으로 신제품 출시가 줄어들고 있는 추세이다. 따라서 본 논문에서는 복사기와 팩시밀리를 제외한 복합기, 프린터의 효율등급 기준만을 제시한다.
표 8은 복합기 제품의 등급별 비율에 따른 소비효율등급부여지표이다. 표 7에서 목표하는 각 등급별 20 %의 비율을 유지하고 있음을 볼 수 있다.
복합기의 효율 등급 기준(안)
에너지 프론티어의 경우 제조업체의 에너지효율 향상 기술개발을 촉진을 고취시키고자 0 %로 설정하였다. 그림 8은 대기전력저감 프로그램에 등록된 복합기 제품에 기준안을 반영한 결과로 인쇄 속도에 관계없이 효율 등급이 고르게 분포한다.
표 9는 프린터 제품의 등급별 비율에 따른 소비효율등급부여지표이다. 1등급을 제외하고 표 7에서 목표하는 각 등급별 20%의 비율을 유지하고 있음을 볼 수 있다. 프린터의 경우 복합기에 비해 12 ~ 261의 다소 좁은 범위의 소비효율등급부여지표를 가지므로 복합기와 별도 관리를 해야 하는 필요성을 나타낸다.
프린터의 효율 등급 기준(안)
그림 9는 대기전력저감 프로그램에 등록된 프린터 제품에 기준안을 반영한 결과로 효율 등급이 인쇄 속도에 관계없이 등급별 분포가 고르게 분포한다. 이러한 분포도는 향후 산업통상자원부와 에너지관리공단의 정책결정에 따라 등급별 비율과 그에 따른 소비효율등급 부여지표 범위를 재설정하는데 있어 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
프린터, 복합기의 기기 한 대당 TEC 평균은 3.82 kWh로 연간 약 2 억 kWh의 엄청난 전기를 소모한다. 이에 대한 산출결과를 표 10에 나타내었다. 이는 미국의 1/15에 해당하는 전기량으로 kWh 당 160원 계산 시 연간 320억에 해당하는 에너지 비용이다. 효율 등급제를 실시하게 되면 구매자에게 소비전력에 관하여 직접적인 정보제공을 할 수 있어 제조업체간 기술개발의 경쟁을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 초고효율 제품의 인센티브를 부여하는 정책을 통해 기술 개발 의지를 고취시킬 수 있는 장점이 있다. 이러한 성과를 통해 미국의 Energy Star와 같이 50 % 의 에너지를 절감할 수 있다고 한다면 연간 약 160억에 해당하는 비용을 절감할 수 있을 것이다. 이러한 고효율 기기의 보급이 늘어나 2013년 가구당 프린터, 팩스, 복합기 보급대수인 414만대의 이미징 장치가 고효율 제품으로 대체된다면 약 4년 후 연간 약 650억 원의 에너지 비용을 지속적으로 절감 가능할 것으로 기대한다[10].
효율제도 시행 후 절감효과
본 논문에서는 전자사진 기술을 이용하는 프린터, 복사기, 팩시밀리, 복합기 등과 같은 이미징 장치의 효율등급기준에 대한 연구를 수행하였다. 이미징 장치의 소비전력 특성을 규명하고 이를 하나의 대표값으로 표현하는 TEC를 도입하였으며, 국내 대기전력저감 프로그램에 등록된 실증된 TEC 데이터를 활용하였다. 합리적이고 공정한 효율 부여지표 설정을 위해 상관분석이라는 통계적 기법을 활용하였으며, 인쇄 속도가 가장 큰 상관계수(Correlation Coefficient)를 가짐을 확인하였다. 이를 적용한 복합기, 프린터에 대한 1~5 등급의 효율등급 기준과 에너지 프론티어 기준을 도출하였으며, 가구 당 총 보급대수의 통계 자료를 적용하여 정책반영 시 연간 약 650 억 원의 에너지 비용을 절감할 것으로 기대한다. 앞으로 정부의 미래 정책방향이 환경과 에너지를 중시하고 있기 때문에 이미징 장치의 효율 등급화는 조만간 이루어질 것으로 사려되며, 본 논문은 이미징 장치의 효율 등급 기준 연구에 의의가 있다.
