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조명 응용 제품에서의 LED 깜박임 특성 및 최소화

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글/Steven Keeping, Electronic Products

기존의 백열 조명을 효율적이고 세련된 긴 수명의 LED로 교체하는 것이 좋다. 하지만 모든 좋은 아이디어가 그렇듯이, 실제로 구현하는 것은 처음에 생각했던 것보다는 좀 어렵다.
LED 조명을 기존의 국내 AC 전원 공급 장치에 연결할 수 있도록 하는 구동기 회로망과 함께 제공할 수 있지만 공급 장치의 출력에서 전압 리플의 결과로 발생할 수 있는 깜박임의 위험이 있다. 깜박임은 대부분의 조명에서 발생하며 일부 소비자는 깜박임으로 인한 불편함이나 고통이 있다고 호소한다.
무접점 조명이 깜박임과 관련하여 과분하다 싶을 정도로 좋은 평판을 얻고 있다면 소비자가 기존의 조명을 사용하지 않도록 납득시키는 것이 더 어려워지기 때문에 LED와 조명 기구 제조업체는 문제의 원인을 찾기 위해 촉각을 곤두세우고 있다.
이 기사에서는 깜박임의 원인을 조사하고 특별히 LED에서 문제가 되는 이유에 대해 기술하며 엔지니어링 관리 및 표준 설정 기관이 테스트 하우스를 비롯하여 LED, 구동기 칩 및 조명 기구 제조업체를 위해 깜박임 현상을 수량화하는 방법에 대해 설명한다. 또한 깜박임 없는 LED 조명을 비용 효율적으로 구현하는 방법을 제공한다고 주장하는 몇몇 주요 실리콘 공급업체의 최근 제품을 소개한다.

깜박임 효과

연구에 따르면 4,000명 중 한 명은 3Hz~70Hz 범위에서 순환하는 플래시 조명에 매우 예민하다. 이러한 지나친 깜박임은 심각하게는 간질 발작과 같은 질환을 일으킬 수 있다. 많이 알려진 사실은 아니지만 더 높은 주파수(의도적이 아닌) 깜박임(70Hz~160Hz 범위)에 장기간 노출되면 불안감, 두통 및 시각 장애를 일으킬 수도 있다고 한다.
유감스럽게도, 사람은 자연 일광 내에 있지 않는 한, 이러한 높은 주파수 깜박임에 노출되기 쉽다. 주요 광원인 백열, 할로겐, 형광, LED 등이 모두 깜박거리기 때문이다. 전원 공급 장치의 AC 부품이 문제의 원인이며 깜박임 주파수는 일반적으로 본선 주파수(보통 50Hz 또는 60Hz)와 같거나 본선 주파수의 두 배이다.
테스트를 통해 인간은 이러한 높은 주파수에서 조명의 깜박임을 직접 감지하기 어렵다는 것을 알지만 이것은 거의 문제가 되지 않는 것 같다. 과학자들은 연구를 통해 사람의 망막은 100Hz~150Hz에서 조명 깜박임을 극복할 수 있으므로 사람 자신은 인식하지 못하지만 두뇌는 매우 잘 반응할 수도 있다는 결론을 내렸다.
소위 100Hz~150Hz 범위의 미세한 깜박임이 오래 지속됨으로 해서 생기는 영향은 단지 주파수만의 문제가 아니며 신체적, 생리적 요인 또한 중요한 역할을 한다. 예를 들면, 밝은 빛은 어두운 것보다 좋지 않은 영향을 미치며 조명 패턴의 ‘밝음’ 및 ‘어두움’ 간의 차이가 중요하다(조명 주기의 ‘off’ 단계에서 완전히 어두워지는 빛은 부분적으로 어두운 것보다 좋지 않은 영향을 미친다). 빨간색 조명이나 빨간색과 파란색을 번갈아 사용하는 빛은 특히 문제가 많으며 중심에서 감지된 빛이 주변에 떨어지는 빛보다 더 해로우므로 망막에서 광원의 위치가 중요하다.
일부 연구원들은 망막은 최대 200Hz까지 깜박임을 감지할 수 있다고 주장하지만 테스트 결과, 160Hz 이상에서는 깜박임이 건강에 미치는 영향이 미미한 수준이라는 것이 밝혀졌다.

깜박임 정의

조명 엔지니어들은 최근까지 미세한 깜박임의 영향에 대해 비교적 무관심했다. 하지만 건강 및 안전 규정이 엄격해지고, 관련 연구가 더욱 활발해지고, 일반적인 형광 조명 아래에서 일하는 직원들의 불만이 증가함에 따라 적극적인 조치가 필요하게 되었다.
하지만 깜박임에 대한 정의 없이는 특정 광원이 다른 광원보다 낫다고 단언할 수 없다. 북미 조명 엔지니어 협회(IESNA)는 이 문제에 주목하고 IESNA 조명 핸드북의 9번째 에디션에 ‘깜박임 비율’ 및 ‘깜박임 지수’에 대해 정의했다. 그림 1은 메트릭이 어떻게 정의되어 있는지 보여준다.
깜박임 비율은 광원 출력의 주기적인 변동에 대한 상대적 측정값이다(즉, 변조율). 경우에 따라 깜박임 비율 대신 ‘변조 지수’라는 용어를 사용하기도 한다. 그림에서 깜박임 비율은 100 x (A - B)/(A + B)이다.
깜박임 지수는 ‘주어진 전력 주파수의 다양한 광원 출력에서 주기적 변동에 대한 신뢰할 수 있는 상대 측정값으로, 조명 출력의 파형뿐만 아니라 진폭도 고려한다’라고 핸드북에 명시되어 있다. 깜박임 지수는 0~1.0까지의 값으로 가정하며 안정된 조명 출력을 0으로 표시한다. 값이 클수록 조명의 깜박임이 두드러지고 스트로보 효과의 가능성이 증가함을 나타낸다. 그림에서 깜박임 지수는 Area 1/Area 1 + Area 2이다.
LED의 문제
LED의 물리적 특성으로 인해 다른 광원과는 다른 방식으로 구동해야 한다.
LED는 이름에서 알 수 있듯이 다이오드의 한 종류이다. 정상 작동 시, 장치가 전도 영역 내에서 작동할 정도의 크기(통상 저항기를 갖춘 계열의 LED)를 가진 일정한 순방향 전압이 적용된다. 상업용 고휘도 장치에 대한 순방향 전압은 통상 3V~4.5V 범위이다. 전류는 LED의 상대적 광속(본질적으로 휘도)을 결정하기 때문에 순방향 전압(VF)과 순방향 전류(IF) 간의 관계가 중요하다...(중략)