조명을 위한 스마트 시대

2022년 12월 20일

글 / 알리 후세인(Ali Husain), 온세미(onsemi) 기업 마케팅 & 전략

1800년대 후반 이후 필라멘트 재료에 약간의 개선이 있었던 것을 제외하면, 백열전구의 기본 기술은 상대적으로 거의 변화가 없었다. 조셉 스완(Joseph Swan)과 토마스 에디슨(Thomas Edison) 중 백열전구를 발명한 사람이 누구인지에 대한 주장은 안개 속에 쌓여 있으나, 상업적으로 성공한 것은 에디슨이 특허 받은 디자인이다. 참고로 세계 표준이 된 에디슨의 나사 베이스는 당시 유행한 촛대 홀더에 그 크기가 맞춰져 있다.

1900년대에 백열전구는 저비용으로 고품질의 안전한 빛을 제공하여 어둠으로부터 집을 밝혀주었다. 그러나 1940년대에 사무실, 공장과 같은 상업용 건물에서는 형광등 조명의 사용이 더욱 보편화됐다. 하지만 형광등 조명에서 나오는 빛은 상대적으로 매우 강해서 주거용 건물에서 사용된 적은 단 한번도 없었다.

형광등의 기술적 발전은 상대적으로 빨랐다. 이 기간동안 백열전구 기술에 대해 보다 효율적인 대안을 마련하고자 하는 전세계적인 움직임이 있었고, 그 결과 조명 기술자들은 형광전구를 훨씬 작고 더욱 안정적으로 만들었다. 또한 혁신적인 전자공학을 통해 보다 매력적인 색상을 만들었다. 간단히 말하면 형광전구는 백열전구의 영원한 대체재로 판매되게 되었다.

LED가 있는 곳에 빛이 있다

LED 조명은 1960년대부터 존재했다. 이들은 주로 TV 리모컨에 사용되거나 전자 장비에서 스위치의 온/오프 상태를 표시하기 위해 사용됐다. 백색 LED 빛은 1990년대 청색 LED가 개발된 후부터 비로소 사용되기 시작했다.

LED는 백열전구보다 훨씬 오래 지속되는데, 이는 발열이 적은만큼 전력 역시 적게 사용하기 때문이다. 일반적인 LED 전구는 소비하는 전력당 90루멘 이상의 빛 효율(lm/W)을 갖는다. 새로운 LED 전구 중 일부는 200 lm/W 이상의 효율을 갖는 것도 있지만¹, 이에 비해 기존 전구의 효율은 15 lm/W에 불과하다. 또한 LED는 일반적으로 55-60 lm/W 사이의 대부분의 형광체에 비해 적은 전력을 사용하지만, 즉시 최대 밝기에 도달할 수 있다는 엄청난 장점을 가지고 있다.

LED 기술로의 전환을 이끄는 주요 동력은 EU, 미국, 캐나다의 비효율적 조명 금지와 같은 정부 주도의 정책이다. 인도 등의 일부 지역에서는 정부가 현지 제조업체에 대한 세금 및 관세 감면을 통해 LED 조명으로의 전환을 가속화하고 있다. 그러나 제조원가의 감소 및 가격 하락에 따라 정부의 결정이 기존 전구를 단계적으로 없애는 역할을 할 것으로 예상된다. 주거용으로 판매된 LED 전구의 2018년 전세계 판매량은 시장 점유율 40%에 달하는 형광전구의 판매량²을 추월했다. 이제 전기가 느리다는 아이들의 불평은 어느덧 과거의 일이 됐다. 형광등이 일종의 선택의 기술이었던 산업 현장에서도 이제는 LED를 사용하고 있다.

낮은 전력을 소비하는 LED는 주 전력망이 없는 곳에서도 전기로 빛을 비출 수 있다. 아프리카와 아시아의 일부 지역에서는 해가 진 후에 태양광 에너지를 전원으로 하는 LED가 깨끗하고 안전한 조명을 제공하여, 젊은이와 노인 모두의 삶의 질을 높이고 있다.

더욱 저하되는 효율성

LED는 교류(AC) 주전원에서 직접 전원을 공급받을 수 없으며, 대신 훨씬 낮은 직류(DC) 전압이 필요하다. 이는 적절한 드라이버 및 기타 전원 관리 디바이스를 통해 얻어지므로 불가피한 비효율이 발생한다.

LED의 순방향 전압은 전류 및 색상에 따라 2V에서 4.5V까지 달라질 수 있다. 전력 관리에 관한 전문 지식을 통해 신뢰할 수 있고 효율적인 LED 드라이버를 개발함으로써 온세미와 같은 기업들은 LED 채택에 있어 조력자 역할을 해왔다.

그림 1. NCL30082 내부 회로 구조

(출처: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCL30082-D.PDF)

온세미의 NCL30082 LED 드라이버는 주전원 AC 전력을 정전류의 낮은 DC 전압으로 변환한다. 이는 높은 효율과 디밍을 지원하는 PWM 전류 모드 컨트롤러를 포함하고 있다. 또한 드라이버의 새로운 제어 방법은 필요한 외부 부품의 수를 줄여준다. 전력 변환 회로를 완성하기 위해 입력 브리지 정류기와 초접합 MOSFET가 추가되며, 온세미에서도 이 제품들을 제공하고 있다(그림 1 참조).

그러나 이것은 LED 드라이버에 관한 것만은 아니다. 조명 애플리케이션은 다른 부품도 필요하다. 온세미의 NUD4700과 같은 LED 바이패스 분류기는 LED 스트링에서 하나의 LED가 고장 나더라도 해당 LED 스트링의 나머지 LED는 계속해서 켜져 있도록 한다.

그림 2. LED 바이패스 분류기로 장애가 발생한 LED의 영향을 최소화할 수 있다.

(출처: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/BRD8034-D.PDF)

스마트 조명

LED 사용의 효율성을 넘어 자동화 및 사용자 제어를 통해 추가적인 전력 절감을 할 수 있다. 주변 조도를 감지하는 센서를 추가하면 조명의 밝기가 자동으로 조정된다. 모션 센서는 사무실 내 움직임이 감지되면 불을 켜는데, 이것 보다도 아무도 없을 때 불을 끈다는 것이 더욱 중요하다.

조명 기구 엔지니어들 또한 ‘스마트 조명’이라고 불리는 LED를 보다 지능적으로 제어하는 데 능숙해지고 있다. 스마트 조명은 업계 표준 KNX 네트워크와 같은 파워라인 네트워킹(powerline networking) 또는 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등의 무선 기술을 사용하여 작동한다. 예를 들어 낮에는 선명하게, 저녁에는 은은하게 조명을 연출하도록 조정할 수 있다. 온세미의 커넥티드 조명 플랫폼(Connected Lighting Platform)은 엔지니어가 스마트 조명 설계를 사용하여 가동하고 표준 무선 기술과 결합된 다양한 LED 전력 솔루션을 테스트할 수 있도록 도움을 주는 유용한 리소스이다.

제조 비용의 감소로 인해 LED 가격이 하락했을 뿐만 아니라, 위와 같은 네트워킹 기술이 훨씬 더 저렴하다. 이로써 주거용 스마트 LED 전구가 '상당히' 합리적인 가격으로 등장할 수 있게 됐다. LED 기술은 비교적 짧은 생애 동안 기하급수적으로 발전했다. 전력 소비는 줄어들고, 규모의 경제로 가격이 낮아져 보다 친환경적이면서 밝은 미래로 이어질 것이다.

참고자료
1. https://www.philips.com/consumerfiles/newscenter/main/design/resources/pdf/Inside-Innovation-Backgrounder-Lumens-per-Watt.pdf
2. https://www.iea.org/reports/tracking-buildings/lighting#abstract