차세대 LED 제품군 조명 문제
차후 몇 년 안에, 더 적은 개수의 LED가 필요하고 조명 출력을 최종 용도에 따라 조정할 수 있는 저전력의 조명에서 분명히 더 많은 LED가 지역 조명용으로 채택될 것이다. 이러한 용도인 경우에, 구동 회로는 전기 및 규정 요구 조건에 맞도록 최적화되어야 하고, LED를 다양하게 구성할 수 있고, 저렴한 가격에 널리 사용할 수 있어야 한다.
글│Bernie Weir, Frank Cathell, ON Semiconductor
현재 전세계적으로 에너지 효율이 높은 조명에 상당한 관심이 집중되고 있다. 국제 에너지 기구의 보고서에 따르면, 전기 조명은 전세계에서 생산된 전기의 약 19%를 소비하고 있다. 최근의 뉴스와 정부 발표는 백열등의 낮은 효율에 관심을 가지고 소비자들에게 컴펙트 형광등(CFL, Compact Fluorescent Lamps)과 같이 에너지 효율이 더 높은 램프에 대해 강조하였다.
그리고 휘도가 높은 백색 LED 조명이 발전함에 따라 이것은 에너지 효율이 높은 조명으로 촉망 받는 대체 기술이 되고 있다. US ENERGY STARTM 프로그램은 주거용과 상업용 고체 조명(Solid State Lighting)에 대한 표준을 규정하고 있는 중이다. 이러한 뉴스에서 간과하고 있는 점은 조명용 에너지 소비의 약 70%는 가정 외에 소매점, 산업 생산, 그리고 학교, 병원, 지역 조명과 같은 공공 서비스에 사용한다는 점이다.
여기서 마지막 공공 서비스 영역은 공원과 같은 공공 지역의 조명뿐만 아니라 도로, 인도, 주차 시설과 같은 다양한 장소의 조명을 포함한다. 그리고 개인 부문에서 대규모 지역 조명은 산업용 플랜트, 소매점 및 상업용 시설 주차장에 사용된다. 의심할 바 없이 이러한 공간에서 에너지 효율이 더 높은 조명을 개발할 수 있는 상당한 여지가 존재한다.
넓은 영역의 조명
넓은 영역의 조명은 조명 침해(Light Trespass), 눈부심, 조명 공해를 피하면서 조명 영역을 적절하게 관리하는 임무뿐만 아니라, 공공 안전, 동작 환경, 스타일, 미적인 문제를 고려해야 하기 때문에 단순히 조명을 제공하는 것 이상을 수반한다. 조명 패턴과 조도 요구 조건은 도로 조명에 필수적이고, 거리 유형, 예상 교통량, 규정된 표준에 따라 정해진다.
결과적으로, 지역 조명에는 에너지 사용과 건축 문제뿐만 아니라 실제적인 문제를 처리하는 다른 디자인들이 많이 존재한다. 예를 들면, 2004년 뉴욕 시는 50년 이상 된 조명 디자인을 대체하고 21 세기를 위한 혁신적인 거리를 만들기 위해 새로운 조명 디자인 아이디어를 개발하는 국제 City Lights 설계 공모전을 후원하였다.
지역 조명에서 가장 많이 사용되는 광원은 저압 나트륨 램프와 수은 증기 램프뿐만 아니라 고압 나트륨 램프, 금속 할로겐 화합물 램프와 같은 고밀도 방전 타입(HID)이다. 금속 할로겐 화합물 램프와 같은 고급 HID 램프는 80lm/W가 넘는 양호한 효율과 10,000~15,000 시간의 적절한 수명을 가진다. 이것은 연간 4,000시간(일반적인 북유럽 사용 패턴) 사용하는 경우에 2~4년의 수명에 해당한다.
그러나 불행하게도 접근의 어려움 때문에 거리 조명에서 전등을 교체하는 비용은 유지 관리 시간과 노동 비용 측면에서 비싸다. 접근이 제한되는 곳이거나, 수리하기 위해 차선을 막아야 할 때 교통 체증이 발생할 수 있는 터널과 교량에서 교체 작업은 매우 커다란 문제가 될 수 있다.
그리고 타버린 거리 조명은 공공 안전 문제가 될 수 있고, 일부 지방 자치 단체에서는 교체하는데 엄격한 시간 제한이 있다. 일부 램프 종류에 대한 다른 문제점은 켜는데 보통 5분이 걸릴 수 있고, 정전인 경우 다시 켜는데 최대 20분까지 걸릴 수 있다는 점이다. 에너지 소비 문제 이외에, 대부분의 HID 램프는 수은을 포함하고 있기 때문에 환경 문제가 있으므로, 수은이 생태계로 유입되지 않도록 적절하게 폐기해야 한다.
최신 램프가 에너지 효율적이기는 하지만, 그 수명이 보통 30년 이상이기 때문에 모든 지역 조명에서 고효율 조명 기술을 채택하는 것은 아니다. EU에서 부분적을 지원하는 지능형 에너지(Intelligent Energy)에 대한 E-Street Initiative에서 제공한 최근 보고서는 전유럽에서 대략 9000만 개의 공공 조명등이 있고, 그 중에서 약 1/3이 에너지 효율이 낮은 고압 수은 증기 램프라고 추산하였다.
E-Street Initiative의 초점은 에너지 소비를 줄이기 위해 네트웍 제어 조명 시스템의 적용에 대해 연구하는 것이다. 예를 들면, 네트웍 조명 인프라를 제어하면 도로에 교통량이 매우 적은 늦은 밤에 조명 출력을 줄여서 에너지를 절감할 수 있다. 새로운 기술로 이러한 문제점들을 처리할 수 있다는 것에 관심을 기울여야 하는 많은 요인들이 있다.
LED의 중요성
여기서 고휘도 "백색" LED가 중요한 이유가 많이 존재한다. 첫 번째 이유는, 적절하게 제조된 LED 시스템의 수명은 70%의 조도를 유지하면서 50,000시간 이상이라는 것이다. 실외 지역 조명인 경우 이러한 LED 시스템의 동작 수명은 12년 이상이 되므로 지속적인 유지 관리 및 교체 비용을 대폭 줄일 수 있다. 두 번째, LED는 성능과 비용 측면에서 빠르게 발전하고 있다. 현재 시중에서 구입할 수 있는 고출력 백색 LED는 램프 당 70~100lm의 출력과 70lm/W의 효율을 가질 수 있다.
최근에 광학 산업 개발자 협회에서 LED 로드맵을 업데이트 했는데, 2009년까지 램프 당 200lm의 출력과 150lm/W의 효율에 도달하여, 현재보다 두 배 이상 성능을 가질 것으로 예상하고 있다. 100W 금속 할로겐 화합물 HID 램프는 8,000~9,000lm을 낼 수 있다. 램프는 여러 방향으로 분산되어 높은 출력을 가지고 있고, 도로에 조명을 주기 위해서 불필요한 손실이 많기 때문에 램프와 LED 출력을 직접 비교하는 것은 무리가 있다.
그러나 LED의 경우에 일정한 방향이 있기 때문에 고효율의 특성을 가질 수 있다. 조명 손실을 고려하지 않으면, 100W 램프의 출력을 대체하는데 약 120개의 LED(70lm/패키지)가 필요하다. 2009 OIDA 목표에 도달하면 이 수치는 절반으로 감소할 것이다. 그리고 노란색을 띤 오렌지색을 가지고, 컬러 렌더링 인덱스가 낮은 고압 나트륨 램프와 비교하면 백색 LED는 향상된 조명 퀄리티를 제공할 수 있다.
LED는 또한 디자이너가 혁신적이고 독특한 어레이 기구물을 디자인할 수 있는 새로운 융통성을 제공한다. 그리고 LED는 저전압 DC 제품이기 때문에, 태양 전지를 충전용 배터리와 결합하는 LED 조명 버스 스톱과 같은 새로운 오프 그리드 조명 개념을 만드는데 용이하다. 이러한 LED 조명 시스템은 이미 런던과 같은 도시에서 채택되었다.
조명 요구 조건
조명 요구 조건이 그 위치의 특정한 조건에 의존하기 때문에 LED 어레이 디자인은 매우 다양하다. 조명되는 영역은 조명의 높이와 간격에 의존한다. 예를 들면, 인도와 자전거 도로는 폭이 비교적 짧고 영역을 조명하는데 LED 어레이에 20개의 LED가 필요하지만, 주거 지역 도로는 100 개 이상의 LED가 필요할 수 있다.
그리고 거리 조명은 그 목적이 거리에 있는 집 앞을 비추지 않고 도로를 조명하는 것이기 때문에 특정한 조명 패턴을 요구하므로, 좀더 복잡한 광학적인 디자인이 필요한 설치 유형에 따라 충족해야 하는 특정한 패턴이 존재한다. 또한 사용하는 LED의 개수와 전류 간의 균형이 필요하다. 더 높은 전류로 더 적은 LED를 켜는 것이 실용적으로 보이지만, 높은 전류와 전력은 열 관리 문제를 매우 복잡하게 할 수 있다.
그리고, LED 효율은 전류와 접합부 온도가 증가함에 따라 떨어진다. 물론, 정격 LED 수명을 채우려면 접합부 정격 온도를 고려해야 한다. 분산된 열이 LED 패키지에 집중되어야 하고 어레이 기구물에서 열이 없어야 하기 때문에 발열문제는 LED 조명에서 중요한 인자이다.
LED는 AC 메인 파워를 LED용 전류로 변환하는 전자 제어 장치와 하나 이상의 LED 어레이로 구성된다. 지역 조명 조건이 다른 밝기를 요구하기 때문에, 고려하는 한 가지 방법은 LED 스트링과 구동 회로로 구성되는 모듈러 디자인이다. 여기서 필요한 조명 출력에 따라 많은 스트립을 사용한다.
이러한 개념의 장점은 어레이를 추가하여 동일한 전기 디자인을 다른 조명 조건에 재사용할 수 있다는 점이다. 그리고 많은 어레이를 조명에 사용하기 때문에, 하나의 LED에 전류가 끊길 경우에 단 하나의 LED 스트립만 동작을 중지하므로 조명은 감소하긴 해도 유지된다. 그리고 전기 제어는 산업 및 국제 표준을 준수해야 한다. EU에서 이러한 종류의 제품은 파워 펙터(Power Factor)에 대한 IEC61000-3-2 규정의 제한을 적용 받는다.
표준을 사용하지 않는 미국과 같은 지역에서도, 전기 공기업체들은 계량기로 재지 않은 지역 조명에서 보통 0.90을 넘는 최소 파워 펙터를 요구한다. 이에 대해 대용량 메인 주파수(50/60Hz) 인덕터와 캐패시터를 사용하는 수동적인 방법이 있지만, 발라스트를 사용하는 액티브 스위치 모드 방법이 많이 사용된다. 액티브 스위치 모드 방법에서 부스트 타입 PFC 컨버터를 메인 컨버터 앞에 사용하여 파워 펙터를 수정한다.
추가적인 고려 사항
여기서 추가적인 고려 사항은 첫 번째로 안전을 위해 전기를 분리해야 하는지 여부이다. 접근이 제한된 지역 조명에서 전기가 분리되지 않은 디자인이 드문 것은 아니다. 분리되지 않은 디자인의 주요한 장점은 부피가 큰 변압기를 비용이 더 낮은 인덕터로 교체할 수 있다는 점이다.
두 번째, LED를 구동하는데 실제적인 요구 조건을 고려하는 것이 중요하다. LED가 일정한 전류를 요구하지만, 전류는 순수한 DC일 필요는 없고 전류의 평균치와 최대치가 LED의 정격 전류를 준수하면 진동하는 DC가 될 수도 있다. 세 번째, RMS 전류 출력은 조절해야 하지만, 전원의 과도 특성이 문제가 되지 않도록 LED는 전원에 일정한 부하를 주어야 한다.
결과적으로, 전원 단계에서 파워 MOSFET, 인덕터, 몇 개의 추가 수동 소자와 함께 ON Semiconductor의 NCP1216 컨트롤 IC를 사용하면 간단하지만 효율적인 PFC와 일정한 전류를 가진 컨버터를 만들 수 있다. 출력은 보통 100/120Hz 라인 주파수 성분의 필터링을 필요로 하지 않기 때문에, 크기를 줄일 뿐만 아니라 전체 전원 신뢰도를 향상시키기도 하는 회로에서 대용량 전해질 캐패시터는 필요하지 않다. 그림 1은 회로의 도면이다.
NCP1216 컨트롤 IC
그림 1 도면에서 가장 기본적인 분리되지 않은 컨버터 회로를 보여준다. 파워 전환 기술에 숙련된 사람은 이 회로를 ac 메인 전압을 정류한 후(D1에서 D2까지를 통해) 인덕터 L1, MOSFET 스위치 Q1, 출력 캐패시터 C4, 컨트롤러로 구성된 버크 회로에 의해 더 낮은 전압으로 변환하는 간단한 버크 컨버터로 간주한다. 90에서 135Vac 입력을 위한 이러한 회로는 병렬 전류 탐지 저항 R4, 집적 네트웍 R6와 C6, 옵토커플러(Optocoupler)로 구성된 간단한 피드백 회로를 통해 전류가 일정한 출력 모드로 동작할 수 있다.
보통 옵토커플러(Optocoupler)는 분리되지 않은 디자인에서 필요하지 않지만, 이 경우에 LED 스트링의 상단에 있는 전류 탐지 신호의 레벨을 변경하는데 사용된다. 이러한 특별한 회로를 통해 일정한 전류뿐만 아니라 높은 파워 펙터를 제공할 수 있다. 일명 "벌크" 캐패시터라 하는 버크 입력 캐패시터 C2는 입력 브리지 정류기 회로에서 제공하는 120Hz전파 정류 파형(Full-Wave Rectified Waveform)에 대해 높은 저항을 가져야 하고, 그렇지 않으면 캐패시터 입력 필터에서 일반적인 것과 같이 파워 펙터는 대폭 떨어진다. 이러한 캐패시터의 일반적인 캐패시터 용량은 회로의 원하는 출력 파워 레벨에 따라 0.1uF에서 0.47uF까지 범위 안에 있다.
인덕터 L1은 그 인덕턴스가 충분히 낮아서 버크 컨버터가 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode)로 동작하도록 설계되었다. 이러한 조건은 위의 회로에서 높은 파워 펙터를 위해 중요하다. 이것은 스위치 오프 동안 인덕터에 저장된 에너지는 0이 되고, 인덕터 전류는 다음 스위칭 사이클을 위해 Q1을 켜기 전에 흐르지 않는다는 것을 의미한다. Q1이 꺼지고 인덕터 전류가 0이 아닐 때, 프리휠링 다이오드 D6가 항상 전도체가 되도록 버크 컨버터를 연속 전도 모드로 동작하는 것이 훨씬 일반적이다.
연속 전도 모드에서 L1에 더 높은 인덕턴스가 필요하지만 초크에서 전류 리플 성분은 매우 작을 수 있으므로, 이 모드는 C4를 통한 출력에서 최소 캐패시터 필터링(Minimal Capacitive Filtering)을 촉진시킨다. 여기서 전류 파형의 고주파 전환 성분만 필터링할 필요가 있기 때문에, 불연속 모드에서 C4의 값은 매우 작을 수 있다.
LED 부하에 존재하는 출력 리플 파형 프로파일은 버크 컨버터의 입력에 존재하는 120Hz 진동DC의 축소된 버전이다. C4의 일반적인 값은 1uF에서 5uF까지 이고, 낮은 ESR 필름(폴리프로필렌) 캐패시터를 사용해야 한다.
NCP1216 컨트롤러에서 MOSFET의 듀티 사이클 또는 펄스 폭은 옵토커플러(Optocoupler)의 핀 2에 있는 피드백 신호에 의해 제어된다. 저항 R3는 전류 모드와 반대되는 전형적인 PWM 모드로 돌아가도록 특별히 컨트롤러를 셋업한다. 피드백 신호는 120Hz 파형의 평균 DC 값이 피드백 신호로 사용되도록 R6/C6의 R/C 네트웍에 의해 집적된다.
이러한 네트웍은 옵토커플러(Opto-coupler)가 출력 리플의 120Hz 엔벨로프에 반응하지 않도록 약 10Hz에서 저주파 폴(Low Frequency Pole)을 형성한다. 그 최종 결과는 전환 사이클 동안 MOSFET에 대해 일정한 온타임(Constant On-Time)이다. 높은 파워 펙터에는 낮은 대역폭, 폐쇄된 루프도 필요하다.
위에서 설명한 회로 동작의 결과, 버크 컨버터의 입력 임피던스는 순수한 저항(Purely Resistive)이고, 그 결과 입력 메인 전류 엔벨로프(Envelope)는 입력 전압 엔벨로프와 같고, 파워 펙터는 1에 접근한다. 동시에 컨트롤러는 라인 전압 또는 LED 포워드 전압 강하(LED Forward Voltage Drop)에 관계 없이 평균 출력 전류를 유지하므로, LED 부하에 일정하게 조절된 평균 전류를 제공한다. 전류 회로의 이득은 옵토커플러(Optocoupler) 전류 전송 함수 기울기의 함수이고, 일정한 전류로 동작하는 LED 부하에 적당하다.
이러한 회로 구성에는 일부 제한이 있다. 최대 직렬 LED 포워드 전압(Vf max)은 NCP1216의 최소 ac 입력 전압, 출력 캐패시터 용량(C4), 최대 듀티 사이클의 함수이다. Vf max 값은 다음과 같은 간단한 관계로 근사할 수 있다: Vf max(dc) = 0.55Vac min. 따라서, 90에서 135Vac 입력에 대해 브라운아웃 상태(Brownout Condition)까지 일정한 조명 출력을 원하는 경우, 위 관계는 Vf max = 0.55 x 90 = 49.5Vdc가 된다. Vf가 이 Vf max 보다 훨씬 더 크면, 출력 전류는 감소하기 시작한다.
그리고, 앞에서 설명한 대로 양호한 파워 펙터를 달성하려면, 인덕터를 통한 전류는 불연속이어야 하므로 LED 개수에 하한 값을 정해준다. 최적 인덕터 값은 라인 전압과 LED 램프 스트링의 전체 직렬 Vf에 따라 변한다. 일반적인 라인 변화를 가정하고 LED Vf를 Vf max의 최대에서 약 50%로 가정하면, 테스트로부터 다음과 같은 인덕턴스 값이 대부분의 오프라인 장치에서 적당하다는 것을 보여주었다. 90~135Vac의 입력 범위에서 평균 350mA LED 전류의 인덕터 값의 범위는 220~250uH이다. 190~ 285Vac의 입력 범위에서 평균 350mA LED 전류의 인덕터 값의 범위는 PWM 컨트롤러의 100kHz 전환 주파수에 기반하여 390~470uH이다. 그림 2와 그림 3은 정규 동작 조건에서 파워 펙터와 전류 조절 성능에 대해 설명한다.
앞에서 설명했듯이, 파워 펙터가 높은 싱글 스테이지 LED 드라이버 회로가 LED 어레이를 구동하는데 최적화되도록 개발되었다. 위의 예는 115Vac에서 회로 작동을 보여주지만, 230Vac 또는 277Vac인 경우 불연속 동작을 보장하기 위해 동작 전압을 올리고 인덕터 값을 변경함으로써 구성 요소에 작은 변화를 주어 회로를 수정할 수 있다. 230Vac 동작인 경우, 이 회로가 구동할 수 있는 LED의 개수는 두 배가 되어 더 많은 LED가 단일 드라이버로부터 전력을 공급 받을 수 있다.
결론
지역 조명에서 LED 어레이는 전세계에서 관심을 끌어들여 많이 사용하기 시작하고 있고, 이미 소규모로 채택하고 있다. 많은 정부에서 교통 신호에 널리 채택하는 바와 같이 이미 LED 기술의 이점에 대해 잘 알고 있으므로, 많은 유지 보수 비용이 들지 않는 수명이 긴 제품의 가치에 대해 인식하고 있다. 여기에는 규정과 배급 문제뿐만 아니라 전체 비용에 대해 해결해야 하는 문제가 존재한다.
예를 들면, 대부분의 공공 지역 램프는 계량기로 재지 않고, 관리 방법에 따라 지역 유틸리티 업체는 사용하는 램프의 개수와 종류에 기초하여 시가 부담하는 요금 시스템을 가지고 있다. 그리고, 유지 보수와 보존은 아웃소싱되거나 시에서 관리할 수 있다. 그 결과 경제적인 분석과 의사 결정 과정은 매우 복잡해질 수 있다. 현재, LED 지역 조명의 경제적인 이점과 전력 절감은 교체하는 조명의 종류와 최종 용도에 크게 의존한다.
예를 들면, 노스 캐롤라이나 주의 레일리히 시는 최근에 주차 시설의 120W 고압 나트륨 램프 140 개를 LED 조명으로 교체하였는데, 에너지 소비를 40% 줄이면서 연간 유지 보수 비용을 거의 없앨 수 있었다. LED 성능이 조명 출력, 효율, 비용 측면에서 계속 향상됨에 따라 이러한 점은 더 매력적으로 될 것이다.
차후 몇 년 안에, 더 적은 개수의 LED가 필요하고 조명 출력을 최종 용도에 따라 조정할 수 있는 저전력의 조명에서 분명히 더 많은 LED가 지역 조명용으로 채택될 것이다. 이러한 용도인 경우에, 구동 회로는 전기 및 규정 요구 조건에 맞도록 최적화되어야 하고, LED를 다양하게 구성할 수 있고, 저렴한 가격에 널리 사용할 수 있어야 한다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 11월호>