LED 조명의 성장 동력

상업용 건물을 위한 고휘도 LED 조명 시스템과 결합된 차량용 애플리케이션에서 HB LED의 통합 성장 잠재력은 LED 자체와 LED 드라이버 IC의 현재 도입률로 인해 수요가 대폭 증가하고 있어 높다고 할 수 있다. 다행스럽게도 조명 시스템 설계자들이 선택할 수 있는 수많은 LED뿐만 아니라, 전력을 공급할 수 있는 혁신적인 IC 드라이버 역시 그 수가 많다. 이것만 보더라도 LED 조명의 미래가 밝다는 것을 알 수 있다.

미국 시장 조사 기관인 Strategies Unlimited는 고휘도(HB : High Brightness) LED의 시장 규모가 2012년부터 연평균 30.6%의 성장률을 기록하여 2015년에는 202억 달러 규모에 달할 것으로 예상했다. 이와 같이 중대한 성장 인자를 견인하고 있는 주요 애플리케이션 영역 중 하나는 TFT -LCD(Thin Film Transistor Liquid-Crystal Display)의 백라이트용 LED이다.
애플리케이션 범위는 HD(High Definition) TV와 휴대형 테블릿 PC에서 차량용 디스플레이와 수많은 휴대 단말용 통신기기에 이르기까지 다양하다. 그러나 경이적인 성장률을 유지하기 위해, LED는 신뢰성을 강화시키고 전력소모를 낮추며 보다 콤팩트한 폼 팩터를 제공해야 할 뿐만 아니라 명암비(Contrast Ratio)와 색상 정확도도 개선해야 한다. 또한 차량, 항공전자, 해양 디스플레이 등에서 이 모든 개선사항들이 최적화되어야 하며, 밝은 태양광에서부터 달이 없는 어두운 야간에 이르기까지 다양한 주변광 조건을 수용할 수 있어야만 한다.
이러한 TFT-LCD 애플리케이션은 인포테인먼트 시스템에서부터 계기판, 그리고 여러 가지 계측용 디스플레이에 이르기까지 다양하다. 물론 LED를 이러한 디스플레이의 백라이트로 사용할 경우 여러가지 조명 조건에 대해 디스플레이의 신뢰성을 최적화시키기 위해 몇 가지 독특한 LED 드라이버 IC 설계 관련 기술문제가 발생하게 된다. 이를 위해 LED 드라이버는 매우 다양한 디밍 비율과 고효율 변환 특성을 제공해야 할 뿐만 아니라 엄격한 차량의 전기 및 물리적 환경을 견딜 수 있어야 한다. 이러한 솔루션이 매우 낮은 프로파일과 콤팩트한 풋프린트를 제공하면서도, 그와 동시에 전체적으로 비용 효율이 강화되어야 한다는 것은 말할 필요도 없다.
시장 조사 업체인 LED 인사이드에 따르면, 상업용 고휘도 LED 조명 시스템은 경이적인 성장을 보여 왔으며 이것은 가정용 LED 조명이 대부분의 소비자에게 여전히 너무 고가이기 때문이라고 한다. 또한 이와 같은 장기적인 이점들인 에너지 절감, 환경 친화적인 특성, 관련 세금 절감 효과 등에 힘입어 주차장, 사무공간, 공장 설비, 창고 등과 같은 상업용 시설에서 LED 조명은 지속적으로 사용이 증가할 것으로 예상했다.
그리고 LED 조명은 고압 나트륨 램프, 할로겐 조명, 백열전구뿐만 아니라 일부 영역의 경우 CFL, 형광등 등을 대체할 수 있을 것으로 예측했다.
일반적으로 조명이 상업용 건물 전체 에너지 사용의 25%~40%를 차지한다는 점에서, 상업용 애플리케이션이 LED로의 전환을 주도하고 있다는 사실은 전혀 놀라운 일이 아니다. 이러한 애플리케이션들은 장시간 동안 고강도 조명을 요구하므로 절감된 전력의 경제적인 투자 회수 기간이 상대적으로 짧다.
다음으로 LED 조명 기구의 긴 수명은 전구 대체 비용을 획기적으로 감소시킨다. 이러한 대체 비용에는 전구 자체의 가격뿐만 아니라 물리적으로 대체하기 위한 노동 비용 역시 포함되며, 이것은 하이 베이(High Bay) 조명 등과 같은 특정 애플리케이션에 있어서 상당히 중요하다.
반면에 현재 가정용 범용 LED 조명은 대부분의 소비자들에게 여전히 너무 고가이다. 하지만, 수년 내에 LED 조명 기구의 가격이 하락하고 보다 광범위하게 제공된다면 조명 시장의 주거 부문 역시 대폭 성장하게 될 것이다. 대부분의 전문가들은 시장의 이 세그먼트가 2013년 이후 급성장할 것으로 예상하고 있다.



차량용 디스플레이에서 LED가 성장하는 이유

차량용 조명 분야에서 성장 잠재력이 경이적인 이유는 무엇일까? 우선 LED는 빛을 생산하는 데 있어서 백열전구보다 10배 효율적이며, CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp)를 포함한 형광램프보다 거의 2배 효율적이기 때문에 해당 광출력량(와트당 루멘으로 측정함)을 제공하는 데 필요한 전력량을 절감할 수 있다. LED는 계속 발전하고 있으므로 능률 또는 전원으로부터 광출력을 생산할 수 있는 성능이 지속적으로 상승하게 될 것이다. 다음으로 환경적인 측면에서 LED 조명은 CCFL 전구에서 일반적으로 사용되는 유독성 수은 증기를 처리, 노출, 폐기할 필요가 없다. 마지막으로 백열전구는 일반적으로 약 1,000시간 사용 후 교체해야 하지만, 형광등은 최대 10,000시간까지 사용할 수 있다. 하지만, 이러한 수치는 LED 조명이 제공하는 10만 시간 이상의 수명과 비교하면 매우 작다고 할 수 있다.
이와 같이 연장된 동작 수명을 통해, LED는 대부분의 애플리케이션에서 최종 애플리케이션에 영구적으로 임베디드될 수 있다. 차량의 동작 수명 기간 동안 교체가 필요하지 않다는 점은, 일반적으로 차량의 대시보드에 내장되는 차량용 계기판, 계기 장치, 인포테인먼트 패널 등의 백라이트로 사용하는 데 있어서 매우 중요하다고 할 수 있다. 뿐만 아니라, LED는 다른 대체품보다 수배 이상 작고 콤팩트하므로 LCD 패널을 초박형으로 제작할 수 있어 차량 내부에서 최소한의 체적 공간만 요구된다. 또한 적색, 녹색, 청색 LED를 구성하여 사용함으로써 무한한 수의 색상을 제공할 수 있다.
이외에도 LED는 디밍 기능을 지원하고 인간의 눈보다 빠르게 온/오프 전환이 가능하기 때문에 LCD 디스플레이의 백라이트를 대폭 개선하는 동시에 획기적인 명암비와 보다 높은 해상도의 이미지를 지원할 수 있다.

차량용 애플리케이션 도입 시 장애 요인

차량용 조명 시스템 설계자들이 직면하고 있는 최대의 장애물 중 하나는, 최신 LED가 제공하는 모든 기능과 이점들을 최적화하는 방법이다. LED는 일반적으로 정확하고 효율적인 전류 소스와 디밍 방법을 요구하기 때문에 다양한 동작 조건 하에서 이러한 요구사항들을 처리할 수 있도록 LED 드라이버 IC를 설계해야 한다. 또한 전력 공급 솔루션은 매우 효율적이면서 강건하고 신뢰할 수 있어야 하며, 콤팩트하고 비용 효율적이어야 한다. 확실한 것은 LED 구동에 있어서 가장 엄격한 애플리케이션 중 하나가 차량용 인포테인먼트 및 계기판 TFT-LCD인데, 엄격한 차량 전기 환경을 준수해야 하고 주변광 조건의 큰 변동을 보상하며 매우 제한된 공간에 적용할 수 있어야 하기 때문이다. 그리고 항상 매력적인 비용 구조를 제공해야 한다.
새로운 차량 설계에서는 운전자 제어를 위한 모든 디스플레이 게이지의 백라이트를 위해 단일 패널을 사용하고 있다.
일반적으로 계기판을 위한 LED 백라이트가 인포테인먼트와 공유되어 가독성이 높은 올인원 제어 패널을 만들어낸다. 마찬가지로 자동차, 열차, 항공기를 포함한 많은 운송 수단 역시 영화, 비디오 게임 등과 같은 뒷좌석 승객의 엔터테인먼트를 제공하는 데 LCD 디스플레이를 사용하고 있다.
과거에는 CCFL 백라이트를 사용했지만, 보다 정밀하고 조정 가능한 백라이트 기능뿐만 아니라 연장된 서비스 수명을 제공할 수 있는 매우 낮은 프로파일의 화이트 LED 어레이를 사용하여 상대적으로 큰 전구 설계를 대체하는 것이 한층 더 일반화되고 있다.

상업용 건물 조명을 위한 LED 드라이버

LED 조명이 높은 성장률을 보이고 있는 주요 원인 중 하나로, 전통적인 조명에 비해 LED 조명이 제공하는 전력소모가 극적으로 적다는 것을 들 수 있다. 백열전구와 비교했을 때 LED는 동일한 수준의 광량(루멘 단위)을 제공하는 데 20% 이하의 전력만 필요하다.
표 1에서 알 수 있듯이, LED 조명은 추가적인 이점들을 제공할 뿐만 아니라 추가적인 기술적 과제도 제공한다. LED의 장점은 백열전구보다 몇 배 높은 수명을 제공하여 대체 비용을 극적으로 절감한다는 것이다.



이전에 설치된 TRIAC 디머 기반을 통해 LED의 밝기를 조정할 수 있다는 것은, 특히 주거용 레트로피트 애플리케이션에서 주요한 이점 중 하나이다. 순간 턴 온 기능은 CFL과 관련된 준비(Warm-up) 기간을 없애며, LED는 CFL 대응 제품과 달리 전력 주기에 민감하지 않다.
이외에도 LED 조명 장치는 관리 및 폐기에 필요한 독성 물질을 포함하고 있지 않지만, CFL을 동작시키는 데에는 독성이 있는 수은 가스를 사용한다. 마지막으로 LED는 다른 기술들이 제공할 수 없는 매우 낮은 프로파일의 폼팩터를 지원한다.

오프라인 LED 구동 통고

오프라인 전원으로 LED를 구동하게 될 경우 애플리케이션이 기하급수적으로 성장할 수 있는데, 이러한 형태의 전력은 상업시설 및 주택에서 모두 이미 이용 가능하기 때문이다. 최종 사용자가 구현하는 데에는 LED 대체 조명기구가 상대적으로 간단하지만, LED 드라이버 IC에 부여되는 새로운 요구사항들이 극적으로 증가한다.
LED는 일정한 수준의 광 출력을 제공하기 위해 안정적으로 레귤레이션된 정전류 소스를 요구하기 때문에 AC 입력 소스를 이용하여 전력을 공급하기 위해서는 매우 특수한 설계 요구사항을 가진 몇 가지 전문 설계 기법들이 필요하다.
지역에 따라 달라지므로 오프라인 전력 범위는 90VAC에서 265VAC 사이이며, 주파수 범위는 50Hz에서 65Hz 사이이다. 그러므로 전세계 시장을 겨냥하여 LED 조명 기구를 제조하기 위해서는 조정 없이 전세계 어디에서나 사용될 수 있도록 단일 회로 설계를 사용하는 것이 이상적이다. 이를 위해서는 넓은 범위의 입력 전압과 라인 주파수를 처리할 수 있는 단일 LED 드라이버 IC가 필요하다.
뿐만 아니라, 많은 오프라인 LED 애플리케이션들은 드라이브 회로와 LED의 전기 절연을 요구한다. 이것은 주로 안전성 요인들로 인해 발생하며 다양한 규격 기관들에 의해 요구되고 있다. 전기 절연은 일반적으로 절연 플라이백 LED 드라이버 토폴로지에 의해 제공되며, 이것은 드라이브 회로의 1차 측과 2차 측을 분리시키는 트랜스포머를 활용한다.
LED 조명 도입의 성장 동력은 지정된 광량을 제공하는 데 요구되는 전력의 극적인 절감이므로 LED 드라이버 IC는 반드시 최고 수준의 효율을 제공해야 한다. LED 드라이버 회로는 고전압 AC 전력을 상대적으로 낮은 전압의, 안정적으로 레귤레이션된 LED 전류로 변환하므로 LED 드라이버 IC를 80% 이상의 효율을 제공할 수 있도록 설계하여 전력을 낭비하지 않도록 해야 한다.
무엇보다도 LED 레트로피트 램프를 주거용 애플리케이션에서 일반적으로 사용되는 TRIAC 디머(Dimmer)의 방대한 설치 기반과 함께 활용하려면 LED 드라이버 IC가 이러한 디머들과 효율적으로 동작할 수 있어야 한다.
TRIAC 디머는 완벽한 저항성 로드 백열전구 및 할로겐 램프와 잘 동작할 수 있도록 설계되어 있다. 하지만, LED 드라이버 회로는 일반적으로 비선형적이며, 완전 저항성 로드는 아니다. 이것의 입력 브리지 렉티파이어는 AC 입력 전압이 양극 및 음극 최고값에 있을 경우에 일반적으로 높은 강도의 최고 전류를 소모한다.
그러므로 LED 드라이버 IC를 완전 저항성 로드처럼 동작할 수 있도록 설계하여 LED가 가시적인 깜박임 현상 없이 적절히 동작하고 TRIAC을 통해 적절한 디밍 기능을 제공할 수 있도록 보장해야 한다.
역률(PF : Power Factor)은 LED 조명의 중요한 규격이다. 간단히 말해서 소모되는 전력이 입력 전압과 비례하여 동상일 경우 PFC(Power Factor Correction)가 달성되어야 한다. 백열전구는 완벽한 저항성 로드이므로 입력 전류와 전압이 동상이며 PF는 1이다. PF는 로컬 전력공급기가 요구하는 전기량과 관련이 있기 때문에 특히 중요하다.
예를 들어, 전송된 동일한 가용 전력에 대해서 낮은 PF 특성을 가진 로드가 높은 역률 특성을 가진 로드보다 많은 전류를 소모하는 전력 시스템이 있다고 가정하자. 요구되는 전류가 높을수록 분전 시스템에서 손실되는 에너지가 증가하며, 다시 말해 더 긴 배선과 다른 전송 장비가 필요하게 된다. 대형 장비와 에너지 낭비로 인한 비용 때문에 전력 공급 회사는 일반적으로 PF 특성이 낮은 산업 또는 상업 고객들에게 보다 많은 비용을 청구하게 된다. 여전히 LED 애플리케이션을 위한 국제 표준이 개발되고 있지만, 대부분의 전문가들은 LED 조명 애플리케이션에 대해 PF ＞ 0.90이 요구될 것으로 믿고 있다.
LED 드라이버 회로(다수의 다이오드, 트랜스포머, 커패시터를 포함하고 있음)는 완전한 저항성 로드처럼 동작하지 않으므로 최소 0.5의 PF 특성을 제공할 수 있다. 0.9 이상으로 PF 특성을 증가시키기 위해 능동 또는 수동 PFC 회로를 LED 드라이버 회로에 설계해야 한다. 또한 많은 수의 LED 조명 어레이를 활용하는 애플리케이션에서는 높은 PF 특성이 특히 중요하다는 사실에 주의해야 한다. 예를 들어, 수백 개 이상의 50W LED 조명 기구를 사용하는 주차장에서 높은 PF 특성(＞ 0.95)의 LED 드라이버 설계가 유용할 수 있다.
높은 PF 특성뿐만 아니라 LED 조명 기구의 고조파 왜곡 수준을 최소화하는 것 역시 중요하다. 국제전기표준회의(IEC : International Electrote-chnical Commission)는 신형 LED 조명 기구가 이와 같이 낮은 왜곡 요구사항들을 충족시키도록 보장하기 위해 IEC 61000-3-2, 클래스 C 조명 장비 고조파 규격(IEC 61000-3-2, Class C Lighting Equipment Harmonics)을 제정했다.
조명 애플리케이션에서는 라인 전압, 출력 전압, 온도 등 매우 넓은 변동에 대한 정확한 LED 전류 레귤레이션 기능이 중요한데, 이것은 LED 휘도 변화가 사람의 육안으로 인지되기 때문이다. 이와 마찬가지로 LED의 최장 동작 수명을 보장하기 위해 최대 정격 이상의 전류로 이를 구동하지 않는 것 역시 중요하다. 절연 플라이백 애플리케이션의 LED 전류 레귤레이션 기능이 항상 단순한 것은 아니며, 일반적으로 필요한 피드백 루프를 완성시키기 위해 옵토 커플러를 필요로 하거나 추가적인 변환 단을 추가할 수도 있다. 하지만, 이 2가지 방법 모두 복잡성과 신뢰성 문제를 안고 있다. 다행스럽게도 일부 LED IC 드라이버 설계들이 이러한 추가적인 부품 또는 설계 복잡성 없이 정확한 LED 전류 레귤레이션 기능을 제공하는 새로운 설계 기법들을 통합하고 있다.



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