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LED 조명 백색 튜닝에 폐쇄 루프 제어를 사용해야 하는 이유

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글/톰 그리피스(Tom Griffiths), ams

LED의 킬로루멘당 가격이 빠르게 하락함에 따라 상업용 및 주택용 하이엔드 조명으로 백색 튜닝을 사용하는 것이 경제적으로 타당하게 되었다.
예컨대 일반 사무실에 사용되는 천장 조명은 가격이 19만~39만 원인데, 여기에 사용되는 LED 스트립은 BOM 비용은 5천 원 정도에 불과하다. 이처럼 핵심 부품의 원가와 사용자가 지불하는 가격이 크게 차이가 나기 때문에 제조회사들은 부가 기능을 추가하고, 그럼으로써 저가 및 저품질 제품들과의 가격 경쟁을 피하고자 한다.
색상(색온도) 튜닝은 조명 기기를 차별화할 수 있는 매력적인 방법 중 하나이다. 색상 튜닝이라는 용어는 일반적으로 조명 출력의 백색 상관 색 온도(correlated colour temperature, CCT)를 조절할 수 있는 능력을 말한다. CCT는 가장 차가운 백색일 때 6500K부터 가장 따듯한 백색일 때 2200K까지 이른다. 통상적으로 백색 튜닝이 가능한 조명은 백열등의 2700K부터 사무실 조명용으로 선호되는 5000K까지를 사용한다. 상업용 천장 조명의 경우에는 CCT 값이 2700K~5000K인 두 줄의 LED 스트링과 정교한 제어 회로를 필요로 한다.
색상 튜닝을 사용하면 LED와 전자 장치의 제조 원가가 3만 원 이상으로 높아지지만, 그렇다 하더라도 판매 가격에서 차지하는 비중은 여전히 낮은 수준이다. 또한 색상 튜닝 기능을 사용함으로써 조명 회사는 ‘인간 중심 조명(human-centric lighting, HCL)’이라는 문구를 내세워서 제품을 홍보할 수 있다. HCL은 인체의 자연스러운 생체 주기와 맞는 CCT로 조명을 제공하고자 하는 것이다.
예컨대, 백색 튜닝 가능 시스템은 한낮에는 차가운(청백색) 조명을 제공하다가 점차적으로 색 온도를 따뜻하게 해서 저녁 무렵에는 따뜻한(황백색) 조명을 제공하도록 구성할 수 있다(그림 1). 이렇게 함으로써 밤에 청색 조명의 영향을 완화할 수 있다. 연구에 의하면, 인공 조명의 색상을 이와 같이 조절함으로써 낮에는 생산성과 주의력을 높이고 밤에는 긴장 완화와 숙면을 돕도록 인체의 호르몬 반응을 이끌어낼 수 있다고 한다.
HCL은 형광등이나 그밖에 튜닝을 할 수 없는 다른 조명에 비해 사용자의 쾌적함과 생산성을 높일 뿐만 아니라 건강에도 도움이 될 수 있다. 이러한 이점을 앞세워서 다양한 상업용 및 주택용 조명 제품으로 높은 가격을 책정할 수 있다.
이에 따라 이제 조명 업계의 과제는, 색상 튜닝 기능을 도입할지 말지가 아니라 색상 튜닝을 어떻게 구현하느냐 하는 것이 되었다. 오늘날에는 크게 3가지 색상 튜닝 제어 기법이 사용된다. 이 글에서는 이 3가지 기법들을 소개하고, 그 중의 하나로서 센서 기반 폐쇄 루프 제어(closed-loop control) 기법이 왜 성능이나 비용 면에서 우수한지 설명한다. 그리고 또 조명 기기에 폐쇄 루프 제어 기능을 추가할 때 광학적 설계와 관련한 고려사항들을 살펴본다.

[그림 1] HCL 시스템은 저녁 시간대로 가면서 조명을 차가운 색 온도에서 따뜻한 색 온도로 조절할 수 있다.

3가지 색상 튜닝 제어 기법

백색 튜닝 가능 조명 제어를 위한 기법 중에서 가장 기초적이고 정확도가 떨어지는 기법은, 간단한 룩업 테이블(LUT)을 구현하고 있는 소형 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용해서 따뜻한 색 및 차가운 색 LED 스트링을 제어하는 것이다. 이 LUT를 사용해서 따뜻한 색 및 차가운 색 LED 스트링으로 목표 CCT 값을 달성하는데 필요한 구동 전류 비율을 계산한다. 이 기법은 LED를 신중하게 선택하고 특성분석을 잘 하고 또 정밀한 전원 시스템(LED 드라이버)을 결합하기만 하면, 새 제품을 사용하거나 실험실을 이용하는 조건에서는 목표로 하는 성과를 달성하는 데 문제가 없다. 하지만 시간이 지나고 다양한 동작 조건에 노출될수록 LED 동작의 변동성으로 인해서 LUT의 한계가 드러나기 시작한다.
예컨대 LED의 색(colour point)이나 선속(flux)은 디밍을 했거나, 또는 주변 온도가 제조회사가 명시한 공칭 값과 차이가 있을 때 달라질 수 있다. 이러한 변동성은 시스템의 색 제어 정확도를 크게 떨어트릴 수 있다. 사람의 눈은 수십 분의 일 퍼센트 정도로 아주 미세한 조명 변화에도 민감해 작은 변화까지도 바로 알아차릴 수 있다. 이러한 변동성은 시간이 지나면서 더 심해질 것이다. 노화로 인해 LED의 애초 특성과 실제 성능 사이의 차이가 점점 더 벌어질 것이기 때문이다.
색상 튜닝 시스템에 두 번째로 시도된 방법은, 앞선 첫 번째 방법을 좀더 정교하게 한 것이다. LUT를 기반으로 하면서 보정을 더한 것이다. 이 기법은 동작 온도나 노화로 인해서 LED 동작이 어떻게 변화할지를 예측해서 반영한, 좀더 복잡한 LUT를 사용하는 것이다. 여기에다 LED 드라이버의 전류 변동성을 더 잘 관리하기 위한 전류 피드백 회로를 결합함으로써, 첫 번째 방법보다 더 정확한 색 제어와 더 지속가능한 성능을 달성할 수 있다. 이 기법을 적절히 구현한다면, 조립 라인 상에서 조명 제품 차원에서 교정을 실시함으로써 부품 차원에서의 작은 차이로 인한 영향을 상쇄할 수 있다.
하지만 이 기법 또한 다음과 같은 단점들이 있다:
• 온도 및 전류 보정을 위한 부품 비용 증가
• 고정밀 다채널 LED 드라이버 필요
• LED의 초기 특성과 노화 예측에 따른 종속성: 10년이 넘는 조명 제품 수명 동안, 거의 어떤 예측 모델이든 실제 성능과는 차이가 나타날 것이다. 게다가 LED 시장은 역동적으로 변화하기 때문에, 예측 모델은 구형 부품을 가지고 완성했지만 실제 제품에는 최신 부품을 사용하는 경우도 있을 수 있다. 이 때문에 실제 성능과 차이가 날 수 있다.
• 조명 회사는 처음에 선택한 부품을 고수하게 된다. 부품을 변경하려면 시스템 설계를 변경하고 특성분석을 다시 해야 하기 때문이다.

폐쇄 루프 제어 기법

세 번째 방법은 조명 장치 내에 교정된 컬러 센서를 사용해서 혼합된 조명 출력을 계속해서 측정하고 폐쇄 루프 피드백 제어 시스템을 제어하는 것이다. 이 방식은 혼합된 조명 출력을 목표한 CCT 값으로 유지하기 위해, 마이크로프로세서와 알고리즘이 각각의 LED 스트링에 공급되는 구동 전류를 지속적으로 조정한다. 제어 루프는 계속해서 조명 출력을 검출하고 목표한 색 온도를 유지하도록 계속해서 전원 입력을 조절한다. 따라서 온도 변화, 노화, 디밍 동작 등으로 인해 발생하는 색 변화를 계속해서 보상할 수 있다.
이 피드백 시스템은 제어해야 할 LED에 대해서는 전혀 몰라도 된다. 공칭 색 온도마저도 알 필요가 없다. 시간이나 온도에 대한 LED 동작 예측 모델도 필요 없다. LED를 정해진 오차 이내에서 엄격하게 선택할 필요가 없다. 또한 사전 교정한 센싱 소자를 사용하기 때문에 생산 라인에서 교정을 할 필요가 없다.
그 대신, 조명 회사는 더 다양한 LED 선택권을 가질 수 있으며, 시간이 지나더라도 색상 튜닝 제어 시스템의 CCT 성능에 영향을 미치지 않는다. 제어 루프를 구동하는 컬러 센싱 소자가 수명을 다할 때까지 교정 상태를 유지하기만 한다면, 생산 라인에서 추가적인 교정 작업이 필요 없다.
폐쇄 루프 시스템의 성능은 새 제품일 때도 앞서 설명한 두 기법보다 더 우수하다. 특정 조건에 대해 조명 출력이 어떻게 달라질 것인가라는 예측 모델이 아니라, 동작 조건에 상관 없이 실제 조명 출력을 측정해서 제어 루프가 동작하기 때문이다. 간단히 말해, 예측식 방법이 아니라 적응형 기법인 것이다.
이 같은 특징은 시간이 지날수록 더욱 빛을 발한다. 폐쇄 루프 기법은 시간이 지나더라도 새 제품일 때와 마찬가지로 잘 작동하기 때문이다. 이와 달리 앞서 설명한 두 가지 기법은 시간이 지나면서 성능이 떨어질 수밖에 없다.
세 번째 기법은 비용도 더 낮출 수 있다. LED 사양과 전원 시스템에 대한 요구가 덜 엄격하기 때문이다. LED 선택 폭이 넓기 때문에 조명 회사는 CCT 범위의 왼쪽으로든 오른쪽으로든 더 저렴한 가격대의 제품이나 또는 보다 손쉽게 구매할 수 있는 제품 중에서 선택할 수 있다. 따라서 공급사슬 상의 위험성을 낮출 수 있다. 재고 관리를 간소화하고, 비용도 절감할 수 있다. 또한 생산 라인 상에서 교정 작업이 불필요한 만큼 최종 제품의 제조 시간과 비용까지 절감할 수 있다.
또한 조명 회사는 보드 설계를 수정하고 구형 LED를 최신 제품으로 교체해서 보다 향상된 제품을 내놓을 수 있다. 게다가 이를 위해 최신 LED 제품에 대한 특성 분석을 새로 하고 새로운 LUT 개발을 위해 많은 시간과 비용을 들일 필요가 없다.

폐쇄 루프 센싱용 통합 솔루션

백색 튜닝 가능 조명용 폐쇄 루프 제어 시스템을 구현하기 위해서는 몇 개의 부품만 있으면 된다. 고품질 컬러 센서, MCU, 그리고 센서 측정을 위해 LED로 공급되는 구동 전류를 조절하기 위한 알고리즘이다.
하지만 이 소프트웨어를 개발하는 것은 복잡하고도 어려운 일이다. 이를 위해서는 디밍/튜닝 방법론(매끄러운 튜닝 효과), 임베디드 프로그래밍, 광학적 설계, 광학 시스템 특성 분석, 발진이나 동기화 문제를 방지하는 폐쇄 루프 방법론 같은 다양한 측면에서의 전문성이 요구된다. 다른 전자 시스템을 설계할 때와 마찬가지로, 색상 튜닝 폐쇄 루프 제어용 통합 시스템온칩(SoC) 솔루션을 사용하면 공간과 비용을 절약할 수 있으며 시스템 설계자가 더 빠르고 쉽게 제품을 개발할 수 있다.
ams는 스마트폰 및 계측기용 고성능 컬러 센서를 공급하는 회사로서, 바로 그러한 통합 솔루션을 제공한다. ams가 제공하는 색상 튜닝 SoC 제품은 스마트 라이팅 매니저(Smart Lighting Manager)와 스마트 라이팅 디렉터(Smart Lighting Director) 두 가지이다. 매니저 타입 제품인 AS7221은 4.5mm x 4.7mm x 2.5mm 크기의 패키지에 소형 프로세서 코어와 XYZ 컬러 센서를 통합하고 있다(그림 2). XYZ 센서는 사람의 눈을 모방한 색 응답 곡선을 사용한다. 또한 CMOS 공정의 일부로서 웨이퍼 상에 제조된 지극히 견고한 간섭 필터는 온도와 시간에 대해서 매우 안정적인 특성을 나타낸다.

[그림 2] 컴팩트한 AS7221은 다운라이트 조명이나 그밖에 공간제약적인 다양한 제품 설계에 손쉽게 통합할 수 있다.

경제적인 가격대의 스마트 라이팅 매니저 제품은 다채널 출력을 제공하며, LED 드라이버로 표준 0 ~ 10V 신호나 PWM 디밍 신호를 제공해서 밝기 값을 결정한다. 또한, 다른 2개의 PWM 채널을 사용해서 따뜻한 색과 차가운 색 LED 스트링의 맨 밑에 있는 스위칭 트랜지스터를 제어한다. 이를 통해 상보성 듀티 사이클을 사용해서 전류를 제어해 2개 LED 스트링의 혼합적인 목표 CCT를 달성한다.
스마트 라이팅 디렉터 제품인 AS7225 역시 고성능 XYZ 컬러 센서와 디지털 로직을 통합하여 LED 스트링의 필요한 비율을 계속해서 계산한다. 이 계산 결과를 조명 장치 내의 애플리케이션 프로세서에 전달해서 각각의 스트링을 정해진 퍼센트 값으로 조절한다. 그 다음은 애플리케이션 프로세서가 알아서 처리한다. 또한 애플리케이션 프로세서는 DALI나 그밖에 다른 네트워크 신호 관리 작업도 처리한다.
AS7221 같은 스마트 라이팅 매니저 제품을 사용하면 폐쇄 루프 제어 시스템을 쉽고 빠르게 구현할 수 있으며 다른 제어 소자를 사용할 필요가 없다. 또한 ams의 스마트 라이팅 매니저는 주광절약(daylight harvesting) 기능을 추가하기 위한 주변광 센서나 온도, 습도, VOC 기반 공기 질 센서 같은 환경 센서를 비롯한 많은 추가적인 센서들을 지원할 수 있다.
AS7225 같은 스마트 라이팅 디렉터 제품은 이미 MCU를 포함하고 있는 스마트 조명 제품 설계에 사용하기에 적합하며, MCU로 제어하는 다양한 센서들을 유연하게 추가할 수 있게 해준다.

광학적 설계와 관련한 고려 사항

폐쇄 루프 제어 시스템에서는 센서가 LED 스트링으로부터 방사되는 혼합된 조명 출력을 검출해야 한다. 이를 위해 LED 보드 상에 센서를 장착할 때에는, 조명기기의 반사기나 하우징 가장자리에 설치된 광 가이드(light guide)를 고려해서 탑재해야 한다(그림 3).

[그림 3] 광 가이드가 다운라이트 반사기 가장자리에서 LED 보드 상의 컬러 센서로 빛을 보낸다.

ams의 센서 제품은 45˚의 시야각으로 제공되는데, 구성 제어를 사용해서 시야각이나 혼합 체임버 특성을 변경할 수 있다.

맺음말

직접 튜닝이 가능한 조명 시스템이든, 조명 기기의 제품 수명 동안 단일 CCT나 루멘 출력 목표 값을 유지하기 위해 센서 루프를 사용하는 시스템이든, 두 가지 시스템 모두 LED 조명에 폐쇄 루프 센싱을 추가함으로써 제조 원가를 낮출 수 있다. 튜닝이 가능한 조명 시스템은 폐쇄 루프 시스템을 사용함으로써 LED 제품 선택의 폭을 넓힐 수 있으며 그러면서도 더 정밀한 색상(색온도) 튜닝을 할 수 있다.
조명 회사들은 색상 튜닝 같은 고부가 기능을 사용해서 제품의 경쟁력과 가격대를 높이고자 한다. 생체 주기에 맞는 또는 ‘인간 중심 조명(HCL)’ 애플리케이션을 사용해서 업무 생산성과 사용자 만족도를 높일 수 있다.