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스마트 LED, 에너지 효율성 위한 차세대 조명 솔루션

빛, 즉 조명은 우리 삶의 많은 부분을 차지한다. 미국 에너지정보국(Energy Information Administration) 추산에 따르면, 가정 내 조명에 사용되는 에너지량은 총 에너지 소비량의 9%인 1,290억 kWh로, 이는 의류를 세탁 및 건조하고, 컴퓨터와 조리기구를 사용하는데 소모되는 에너지량과 동일하다.

하지만 소비전력의 단 5%만 빛으로 이용되고 나머지 95%는 열로 방출되는 백열등은 에너지 효율이 매우 떨어져 에너지 대부분이 낭비되고 있다. 

반면 LED 조명은 일반 조명의 50%의 전력으로 같은 수준의 빛을 발산해 효율이 매우 높게 나타난다. 이러한 LED 조명 기술을 기반으로 보다 효율적인 솔루션을 구현할 경우, 2030년에는 조명에 사용되는 전력이 약 40%까지 감소할 것으로 예상된다. 

스마트 LED 조명은 에너지 소비를 줄이는 것은 물론 조명 설비와 구성이 사무실, 공장 및 공공 건물의 중-고전력 애플리케이션에 대한 실질적 요구사항을 충족시킨다.  

최근 LED 가격의 하락으로 LED 조명 수요가 빠르게 확산되고 있는 반면, 전통적인 조명의 비효율성과 낭비성이 초래하는 환경적 영향에 대한 인식이 높아지면서 대기 전력과 조명 효율성에 대한 정부의 규제 또한 갈수록 엄격해 지고 있다. 

LED 조명은 백열등과 달리 전력 소모가 적고, 전력을 열이 아닌 빛으로 출력하기 때문에 보다 근본적인 개선책을 제공한다. 허나 규제요건을 충족시키고 디밍(Dimming)과 같은 효과적인 전력 관리 및 기능을 제공하기 위해서는 ‘솔리드 스테이트 라이팅(Solid State Lighting)’ 기술과 혁신적인 드라이버 솔루션을 결합시키는 것이 중요하다.

source: GE.com


◆LED 조명 시장 
건설 산업의 성장은 LED 조명의 성장에 중요한 동인으로 작용하고 있다. 시장조사업체 리서치앤마켓(Research and Markets)의 연구 결과에 따르면 건설 부문이 LED 조명 시장에서 주된 비중을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 

더불어 리트로핏(retrofit, 성능개선공사) 역시 LED 조명 시장 성장에 상당한 기여를 하고 있다. 리서치앤마켓은 2023년까지 LED 조명 시장에서 가장 높은 성장세를 보일 분야로 리트로핏을 꼽기도 했다. 

주택과 사무실, 공장, 공공시설 등에 설치되는 실내조명은 LED 조명 시장에서 가장 큰 매출을 내는 분야다. 실외조명 부문 역시 정부 차원에서 가로등 조명을 개선하는 등 가시성을 높이는 동시에 비용을 절감할 수 있는 방안을 모색함에 따라 급속도로 성장할 것으로 보인다. 

트렌드포스(TrendForce)의 LED 전문 사업부인 LED인사이드(LEDinside)는 2017년 LED 조명 시장의 규모는 미화 331억 달러, LED 조명 보급률은 52%에 달하는 것으로 추산했다. 

특히 유럽의 LED 조명 사용률이 전체의 23%로 가장 높았으며 미국과 중국이 각각 2위, 3위로 뒤를 이었다. 아시아태평양 지역은 다양한 인프라 프로젝트에 힘입어 LED 조명 시장의 성장세가 가장 높은 곳으로 나타났다. 

그림 1: LED 조명 시장은 전 세계적으로 빠르게 성장하고 있다.


◆조명 효율을 위한 스마트 솔루션 
주전원에만 연결될 수 있는 백열등과 달리, LED는 정전압(CV) 또는 정전류(CC) 전원을 제공 할 수 있는 전원 공급 장치가 필요한 저전압 장치이다. 이 전원 공급 장치는 조명 솔루션의 전반적인 효율에 지대한 영향을 미치기 때문에, LED 자체는 물론 대기 전력에 대한 면밀한 조사가 이뤄진다. 

LED 시장의 상당 부분은 전통적인 조명을 보완하거나 대체하는 수준이지만 LED가 가진 다양한 기능과 작은 크기는 백열등 설치가 어려운 장소에 사용될 수 있다는 이점을 제공한다. 하지만 이처럼 작고 좁은 공간에 LED와 관련 전원 공급 장치를 설치하기 위해서는 매우 효율적이며 작은 전원 공급 장치 설계를 필요로 한다.

난점은 우수한 밝기를 유지하면서 밝기 범위 전체에 디밍 기능을 제공하는 것이다. 현재 많은 LED 솔루션은 감지용 카메라를 사용하는 공장 및 차량 내 환경에서 문제를 일으킬 수 있는 플리커(Flicker, 빛 깜빡임) 현상을 피하지 못하고 있다.

설계자들은 고도로 효율적이며 폭넓은 디밍이 가능한 동시에 크기는 작고 빛 깜박임이 없는 조명 솔루션을 개발하기 위해 고심하고 있다. 또 소비자와 설치 업체들은 현재 사용하는 LED 제품만큼의 전력 효율을 제공하면서도 가격은 보다 저렴한 제품을 기대하고 있다.

25W에서 100W 사이가 LED 조명 솔루션에 가장 흔히 사용되는 콘센트 규격이다. 여기서 일반적인 접근법은 일정한 전압과 제어신호를 마이크로컨트롤러(MCU)에 전달하는 PFC(Power Factor Correction) 단계를 사용해 주 전압의 감소 및 조정이 이뤄지는 2단계 변환을 이용하는 것이다. 

그림 2: 2단계 변환은 중전력 조명 솔루션에서 가장 일반적으로 사용되는 방식이다.

두 번째 단계는 MCU의 모든 디밍 요건을 고려해 조정된 전압을 LED에 공급되는 전류로 변환하는 것이다. 허나 현재 LED 조명에 사용되는 비교적 복잡한 요건을 충족시키기 위해서는 혁신적인 반도체 제어 솔루션이 요구된다. 

온세미컨덕터는 에너지 효율적인 전력 솔루션을 개발하는데 대한 폭넓은 지식을 활용해 시장의 니즈를 만족시킬 수 있는 효율적인 조명 솔루션을 구현하는 IC를 제공하고 있다. 

온세미컨덕터의 FL7740(PSR 및 PFC)와 FL7760(DC-DC Buck)은 축소된 BOM을 통해 단순화된 토폴로지를 제공하며, 크기와 비용을 감소시킨다. 이 두개를 함께 사용하면 정밀한 CV/CC 레귤레이션이 가능하며 아날로그 및 PWM 디밍을 모두 지원한다. 

FL7740은 대기 모드에서 외부 구성요소를 거의 필요로 하지 않으며 소모 전력은 0.15W 미만이다. 이는 스마트 조명에 있어 매우 필수적인 사양으로, 에너지 스타(Energy Star)와 같은 규제요건을 쉽게 충족시킬 수 있는 여건을 제공한다. 

최소 5%에서 최대 100%에 이르는 광범위한 아날로그 디밍 범위를 제공하는 FL7760는 솔리드 스테이트 조명 설계자들이 사용할 수 있는 아날로그 디밍 옵션을 제공하는 최초의 솔루션이다. 

0~100%의 PWM 디밍을 지원하지만, 깜박임이나 가청 소음과 같은 고유의 문제로 인해 그 효용이 반감되기도 한다. 그러나, FL7760은 깜빡임이나 가청 소음 없이 0~100% 범위를 커버하도록 아날로그 및 PWM 디밍을 완벽하게 결합하는 독보적인 솔루션이다. 

이러한 선진화된 반도체 기술은 LED 기반 스마트 조명을 구현할 뿐만 아니라, 보다 효율적이며 작고 저렴한 솔루션으로 작업 및 생활환경을 개선하는 동시에, 가까운 미래에 수백억 KWh의 전력량을 절감할 수 있는 가능성을 제공한다. 


글: 제임스 리(James Lee), 온세미컨덕터 조명 부문 마케팅 매니저

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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