LED가 간다!
최근 비약적인 기술의 발전과 더불어 LED 관련 기술도 지속적인 발전을 거듭하고 있다. 기술의 발전상을 대변하듯 길거리 어디를 둘러봐도 LED가 사용되지 않은 곳을 찾을 수 없을 정도로 LED의 사용도 보편화되었다.
이 같은 LED의 보편화는 지난 수년간 열방산, 패키지, 절차의 개선을 통해 LED 기술이 휘도 수준 향상, 수명 연장, 비용 절감 등의 비약적인 발전을 이뤄냈고, 기존에 사용하던 백열전구의 문제점으로 지적되던 발열 현상이 존재하지 않아 낮은 온도로 동작하는 장점도 한몫 한 것으로 보인다.
따라서 본 저자는 이러한 LED 시대에 맞춰, 현재 LED 관련 최신 기술 소식을 전하고 기존의 백열전구 대비 LED의 장점과 앞으로의 해결 과제 및 LED 구동 드라이버 IC의 문제점에 대해서 간략히 소개했다.
Tony Armstrong 리니어 테크놀로지
서론
2013년 3월, LED와 관련된 중요한 소식들이 여럿 발표되었다. 이는 단순한 우연의 일치가 아니라 수년간의 집약적인 연구, 시장 수용량의 누적, 그리고 기술 혁신의 결과에 따른 장기적인 시너지 효과가 드러난 것으로 생각된다.
발표된 여러 소식 중 몇 가지를 살펴보면, 첫 번째 뉴스는 고휘도 LED, LED 조명 및 반도체 제품 등으로 잘 알려져 있는 제조업체인 크리(Cree)에서 발표된 소식으로, 내용은 다음과 같다.
크리는 관련 시장의 판도를 바꿀 수 있을만한 LED 전구 시리즈를 소매가격으로 출시했으며, 이 LED 전구로 인해 소비자들의 수요가 많아질 것이라고 예상했다.
크리에 의하면 이 LED 전구 시리즈는 25,000시간 이상 지속될 수 있도록 설계됐으며, 이 중 60W의 주광색 대체 백열전구를 12.97 달러(소매가격)에 제공한다고 밝혔다. 또한 크리의 LED 전구를 사용하면 기존에 사용하던 백열전구 대비 84%의 에너지를 절감할 수 있기 때문에, 만약 가정에서 5개의 조명기구를 크리의 LED 전구로 대체하면 전기료를 매년 611 달러 정도 절감할 수 있다고 강조했다(9.5W LED 전구 60W 제품 기준 : 0.11 달러/kWh, 수명 : 25,000시간).
이와 같은 제품 소개 자체로는 LED 시장 판도를 좌지우지할 수 없을지 모른다. 하지만 크리는 LED 전구 시리즈를 홈디포(The Home Depot)를 통해 독점적으로 제공할 수 있도록 조치함으로써, 많은 사람의 가정에 크리의 LED 전구가 원활하게 공급될 수 있도록 했다.
두 번째는 샌프란시스코 베이 브릿지의 현가 부분(suspension section)에 대한 소식이다.
지난 18개월 동안 브릿지 타워의 꼭대기부터 현가 케이블, 그리고 데크(deck)까지 25,000개의 LED가 1피트 간격으로 설치됐다.
이 베이 브릿지에 대해 잘 모르는 독자들을 위해 간략히 설명하자면, 이 다리는 샌프란시스코에서 샌프란시스코 베이 중앙의 예르바 브에나 아일랜드까지 이어져 있으며, 길이만 약 2마일에 이르는 것으로 알려져 있다.
이 다리에 LED를 설치하는 프로젝트는 LED에 생동감을 주는 변화를 주는 알고리즘을 개발한 베이 라이츠(Bay Lights)에 의해 주도됐다.
베이 라이츠는 생동감을 주기 위해 각각의 전구가 개별적으로 제어되게 함으로써, LED 변화의 한 사이클은 2년의 프로젝트 간 한 번씩만 나타나게 했다. 이러한 조명 시스템은 필립스 컬러 키넥틱스(Philips Color Kinetics)가 개발했으며, 기존의 비-LED 기반 솔루션보다 85% 낮은 에너지를 사용하도록 설계했다.
이 필립스 컬러 키넥틱스의 특수 LED는 4200 켈빈 보정 컬러 온도를 제공하는 eW Flex SLX 제품을 사용했으며, 전체 길이 중 약 4.5마일에 조명을 설치했다.
앞서 설명한 2개의 뉴스는 LED 조명 출력(lm/W로 측정) 기술의 발전상과 조명 설치 기간 동안 연간 에너지 절감 효과로 인한 상업적 수용 가능성을 보여주는 대표적인 사건이다.
LED 백그라운드
지난 수년간 LED 기술이 상당한 발전을 이뤘다는 점에는 의심의 여지가 없다.
휘도 수준 향상, 효율 향상, 수명 연장, 비용 절감 등의 발전은 LED 기술의 열방산, 패키지, 절차의 개선을 통해 이루어진 것이다. 또한 이러한 발전은 백열전구와 달리 LED는 발열 현상이 있는 필라멘트를 사용하지 않기 때문에 낮은 온도로 동작하는 장점도 한몫한 것으로 보인다.
한편 현재 LED의 장점을 살펴보면 고전력 또는 고휘도(HB, High Bri-ghtness)의 광출력은 이미 100lm/W의 마일스톤(중요한 단계)을 넘어섰으며, 일부 제조업체들은 연구단계에서 이미 230lm/W이상의 효율을 달성했다고 주장하고 있다.
또 다른 장점으로는 LED 전구의 수명을 들 수 있다. 계산 방법에 따라 달라질 수 있지만, 백색 LED 전구는 최소 50,000시간의 수명을 제공하는 반면 백열전구의 수명은 약 1,000∼2,000시간밖에 되지 않는다.
이처럼 LED 조명의 성장률이 높은 주요 원인 중 하나로 기존의 조명(예, 백열전구) 대비 LED 조명이 제공하는 낮은 전력소모량을 들 수 있다.
백열전구와 비교해 LED는 동일한 수준의 광(루멘 단위)을 제공하는 데 20% 이하의 전력만을 요구한다. 표 1에서 알 수 있듯이 LED 조명은 기존의 조명에 비해 많은 이점을 제공하지만, 앞으로 개선되어야 할 기술적 과제도 다수 존재하는 것을 알 수 있다.
표 1을 살펴보면 LED의 장점 중 하나는 백열전구보다 수명이 수 배 높아 대체 비용을 대폭 절감한다는 것이다. 
또한 기존에 설치된 TRIAC Dimma-ble 기반을 통해 LED의 밝기를 조정할 수 있다는 것은 특히 주거용 레트로피트(retrofit) 애플리케이션에서의 주요한 이점이라고 할 수 있다.
이 외에 장점들을 살펴보면 순간적인 턴-온 기능은 CFL과 관련된 준비(warm-up) 기간을 생략할 수 있게 했고, CFL 동작 시 사용하던 독성이 있는 수은 가스도 LED에서는 포함하고 있지 않으며 다른 기술들이 현재까지 제공하지 못하던 매우 낮은 프로파일의 폼 팩터를 지원하는 등의 기능을 꼽을 수 있다.
결과적으로 앞서 말한 많은 장점을 갖고 있기 때문에 LED 조명은 공장용 하이 베이(High Bay) 조명, 교각 및 건물에 배치되는 옥외용 건물 조명, 스포츠 스타디움 및 기타 대형 행사장에서 사용하는 조명 등 현재 많은 곳에서 사용되고 있는 것이다.
LED와 LED 구동 드라이버 IC의 문제점
전기적인 측면에서 보면 LED는 다이오드와 거의 동일한 구조로 이루어져 있다. 그런 의미에서 LED는 전류 구동 디바이스로 분류할 수 있다.
여기에서 LED의 문제점이 드러나는데 첫 번째로 정량의 전류를 LED에 제공하면, lm/W 단위의 광출력을 얻을 수 있다. 하지만 만약 이보다 낮은 전류를 공급한다면, LED가 최대로 제공할 수 있는 광출력 양을 얻을 수 없는 문제가 발생한다.
두 번째 문제점은 단일 LED의 경우에 저전류의 공급이 큰 문제가 된다는 것이다.
하지만 직렬 스트링(string)에 많은 LED가 모여 있는 상태에서 균일한 전류를 공급하지 못한다면, 광출력의 밝기가 모두 다르게 출력되어 육안으로도 구분할 수 있게 된다.
세 번째 문제점은 사용하는 LED의 형태와 LED가 들어간 최종 장치의 구성에 따라 달라질 수 있는 고유한 포워드 전압 강하 문제이다.
백색 LED의 경우에 이 포워드 전압 강하가 일반적으로 약 3.5V이지만 온도가 급상승하는 경우에는 3.5V에서 다소 상승할 수 있다. 결과적으로 입력 전원에 따라서 다양한 변환 토폴러지가 필요할 수 있다는 것이다.
이 문제는 직렬연결(포워드 전압 강하 추가), 병렬연결(LED 전류 추가), 병렬 스트링의 직렬연결(LED 포워드 전압 및 전류 추가) 등 LED의 스트링 구성이 달라짐에 따라 한층 더 복잡해질 수도 있다.
결론
상용 가격대 대비 LED의 효율을 고려하면 많은 조명 애플리케이션에서 수용될 수 있는 변곡점은 지났다는 사실은 확실하다.
이 글의 서두에서 제시한 두 가지 사례는 현재 전 세계에서 진행되고 있는 수많은 전개 사례 중 극히 일부분일 뿐이다.
이러한 사례들을 볼 때 현재 LED의 시대가 도래했다는 것을 알 수 있다. 그래서 본 저자는 “LED가 간다(Go LEDs GO!)"라고 말하고 싶다.
