조명 응용 제품에서의 LED 깜박임 특성 및 최소화

기존의 백열 조명을 효율적이고 세련된 긴 수명의 LED로 교체하는 것이 좋습니다. 하지만 모든 좋은 아이디어가 그렇듯이, 실제로 구현하는 것은 처음에 생각했던 것보다는 좀 어렵습니다.

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 있습니다. 깜박임은 대부분의 조명에서 발생하며 일부 소비자는 깜박임으로 인한 불편함이나 고통이 있다고 호소합니다. 

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 있습니다. 

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 설명합니다. 또한 깜박임 없는 LED 조명을 비용 효율적으로 구현하는 방법을 제공한다고 주장하는 몇몇 주요 실리콘 공급업체의 최근 제품을 소개합니다.

깜박임 효과

연구에 따르면 4,000명 중 한 명은 3Hz ~ 70Hz 범위에서 순환하는 플래시 조명에 매우 예민합니다. 이러한 지나친 깜박임은 심각하게는 간질 발작과 같은 질환을 일으킬 수 있습니다. 많이 알려진 사실은 아니지만 더 높은 주파수(의도적이 아닌) 깜박임(70Hz ~ 160Hz 범위)에 장기간 노출되면 불안감, 두통 및 시각 장애를 일으킬 수도 있다고 합니다.

유감스럽게도, 사람은 자연 일광 내에 있지 않는 한, 이러한 높은 주파수 깜박임에 노출되기 쉽습니다. 주요 광원인 백열, 할로겐, 형광, LED 등이 모두 깜박거리기 때문입니다. 전원 공급 장치의 AC 부품이 문제의 원인이며 깜박임 주파수는 일반적으로 본선 주파수(보통 50Hz 또는 60 Hz)와 같거나 본선 주파수의 두 배입니다.

테스트를 통해 인간은 이러한 높은 주파수에서 조명의 깜박임을 직접 감지하기 어렵다는 것을 알지만 이것은 거의 문제가 되지 않는 것 같습니다. 과학자들은 연구를 통해 사람의 망막은 100Hz ~ 150Hz에서 조명 깜박임을 극복할 수 있으므로 사람 자신은 인식하지 못하지만 두뇌는 매우 잘 반응할 수도 있다는 결론을 내렸습니다.

소위 100Hz ~ 150Hz 범위의 미세한 깜박임이 오래 지속됨으로 해서 생기는 영향은 단지 주파수만의 문제가 아니며 신체적, 생리적 요인 또한 중요한 역할을 합니다. 예를 들면, 밝은 빛은 어두운 것보다 좋지 않은 영향을 미치며 조명 패턴의 '밝음' 및 '어두움' 간의 차이가 중요합니다(조명 주기의 'off' 단계에서 완전히 어두워지는 빛은 부분적으로 어두운 것보다 좋지 않은 영향을 미칩니다). 빨간색 조명이나 빨간색과 파란색을 번갈아 사용하는 빛은 특히 문제가 많으며 중심에서 감지된 빛이 주변에 떨어지는 빛보다 더 해로우므로 망막에서 광원의 위치가 중요합니다.

일부 연구원들은 망막은 최대 200Hz까지 깜박임을 감지할 수 있다고 주장하지만 테스트 결과, 160Hz 이상에서는 깜박임이 건강에 미치는 영향이 미미한 수준이라는 것이 밝혀졌습니다.¹

깜박임 정의

조명 엔지니어들은 최근까지 미세한 깜박임의 영향에 대해 비교적 무관심했습니다. 하지만 건강 및 안전 규정이 엄격해지고, 관련 연구가 더욱 활발해지고, 일반적인 형광 조명 아래에서 일하는 직원들의 불만이 증가함에 따라 적극적인 조치가 필요하게 되었습니다.

하지만 깜박임에 대한 정의 없이는 특정 광원이 다른 광원보다 낫다고 단언할 수 없습니다. 북미 조명 엔지니어 협회(IESNA)는 이 문제에 주목하고 IESNA 조명 핸드북의 9번째 에디션에 '깜박임 비율' 및 '깜박임 지수'에 대해 정의했습니다. 그림 1은 메트릭이 어떻게 정의되어 있는지 보여줍니다. 

깜박임 비율은 광원 출력의 주기적인 변동에 대한 상대적 측정값입니다(즉, 변조율). 경우에 따라 깜박임 비율 대신 '변조 지수'라는 용어를 사용하기도 합니다.

그림에서 깜박임 비율은 100 x (A – B)/(A + B)입니다. 

깜박임 지수는 "주어진 전력 주파수의 다양한 광원 출력에서 주기적 변동에 대한 신뢰할 수 있는 상대 측정값으로, 조명 출력의 파형뿐만 아니라 진폭도 고려합니다"라고 핸드북에 명시되어 있습니다. 깜박임 지수는 0 ~ 1.0까지의 값으로 가정하며 안정된 조명 출력을 0으로 표시합니다. 값이 클수록 조명의 깜박임이 두드러지고 스트로보 효과의 가능성이 증가함을 나타냅니다.

그림에서 깜박임 지수는 Area 1/Area 1 + Area 2입니다.

LED의 문제

LED의 물리적 특성으로 인해 다른 광원과는 다른 방식으로 구동해야 합니다. TechZone 기사 '고휘도 LED에서 페이딩이 발생하는 원인에 대한 이해(영문)'를 참조하세요.

LED는 이름에서 알 수 있듯이 다이오드의 한 종류입니다. 정상 작동 시, 장치가 전도 영역 내에서 작동할 정도의 크기(통상 저항기를 갖춘 계열의 LED)를 가진 일정한 순방향 전압이 적용됩니다. 상업용 고휘도 장치에 대한 순방향 전압은 통상 3V ~ 4.5V 범위입니다. 전류는 LED의 상대적 광속(본질적으로 휘도)을 결정하기 때문에 순방향 전압(VF)과 순방향 전류(IF) 간의 관계가 중요합니다.

장치 제조업체는 LED의 엄격한 작동 범위를 권장하는데, 일반적으로 휘도와 효율을 적절하게 조정한 중간 범위에 해당합니다.

그림 2a 및 2b는 Cree XLamp ML-B LED에 대한 전압 대 전류, 전류 대 상대 광속을 보여줍니다. 순방향 전압의 변동은 순방향 전류 및 광속에 영향을 줍니다.

AC 소스에서 LED 칩을 구동하려면 조정기의 본선 전원 공급을 대다수 국가에서 사용하는 110V ~ 115V 또는 230V ~ 240V, 50Hz 또는 60Hz에서 LED의 전압 및 전류 요구 사항에 맞게 조정해야 합니다. 조명 기구는 일반적으로 기구당 6개 ~ 8개의 LED 칩을 사용하기 때문에 각 장치의 전력 요구 사항이 단일 LED보다 높을 수 있습니다.

기본적인 LED 구동기는 LED 스트링에 전파장 정류기가 연결되어 있고(그림3) 저항기를 사용하여 전류를 제한합니다. 이 방법은 AC 주파수의 두 배에 해당하는 범위(즉, 100Hz ~ 120Hz)에서 LED를 조절합니다. 광도는 전류에 비례하기 때문에 LED는 이 비율로 깜박입니다(그림 4).

AC 본선으로부터 전력을 공급받는 조명원은 깜박임이 발생할 수 있습니다. LED의 경우, 기존 광원보다 깜박임 지수(또는 변조도)가 일반적으로 더 나쁘기 때문에 특히 문제가 됩니다. 

LED는 전류 변동에 특히 빠르게 반응하기 때문입니다. 120Hz에서 LED 자체와 LED의 흰색 발광 다이오드 인광은 파형의 'off' 단계에서 광자를 생성하는 것을 완전히 중지할 수 있는 충분한 시간이 있습니다. 반대로 기존의 광원, 특히 백열 및 할로겐 유형은 '관성'을 가집니다. 즉, 이러한 조명은 조명 주기의 'off' 단계에서도 일부 광자를 여전히 방출합니다. 

표 1은 DC 및 AC 소스² 모두에서 구동되는 LED를 포함한 다양한 광원의 깜박임 비율 및 깜박임 지수를 요약합니다('최소', '최대' 및 '평균' 열은 각 소스의 상대 강도를 나타냄).

위에서 언급한 바와 같이, 주파수와 함께 깜박임 지수는 조명이 사람의 기분을 어떻게 느끼게 하는지에 상당한 영향을 줍니다. 깜박임 지수가 높을수록 깜박임이 더 두드러지기 때문에 잠재적으로 더 해롭습니다. 

	최대	최소	평균	깜박임 비율	깜박임 지수
백열	12.180	10.745	11.460	6.2594	0.0194
100W MH	9.1472	3.2066	6.5147	48.088	0.1398
T12 자기	9.6281	4.6256	7.1565	35.096	0.0897
T5HO 전기	10.52	9.960	10.20	2.734	0.0036
LED(DC 기준)	43.4	41.0	42.2	2.84	0.0037
LED(깜박임)	15.996	0.0555	6.3026	99.309	0.4498

향상된 LED 구동기

대부분의 최신 LED 구동기는 그림 3에 제공된 간단한 예제보다 좀 더 복잡하며 효율성 때문에 고주파 스위칭 전원 공급 장치를 주로 사용합니다. 스위칭 공급 장치에 의해 활용되는 입력 및 출력 필터링은 출력에서 본선 공급 장치의 AC 부품을 크게 감소시키지만 일부 리플은 불가피합니다. 장치마다 성능에 차이가 있기 때문에 엔지니어는 LED 구동기를 신중히 선택하는 것이 좋습니다.

스위칭 LED 전원 공급 장치는 출력의 AC 부품을 약화시켜 깜박임 지수를 줄일 수 있게 하지만 본선 주파수 두 배 범위의 깜박임 주파수에는 영향을 미치지 못하고 인간에게 문제가 되는 것으로 연구가들이 인식한 범위에 그대로 남아 있습니다.

영향력 있는 미국 환경 보호 협회(EPA)는 LED에 대한 작동 주파수를 150Hz까지 늘리도록 권장하여 문제를 해결하려고 시도해 왔습니다. 이 조직의 ENERGY STAR 사양(각 제조업체가 상업적으로 유리한 ENERGY STAR 사양을 갖추기 위해 필요함)에는 깜박임에 대한 규정이 포함되어 있습니다. 

2009년에는 깜박임에 대한 사양이 변경되어 최소 LED 작동 주파수를 기존 사양의 120Hz에서 150Hz로 규정했습니다. LED 및 반도체 제조업체는 새로운 주파수에 맞는 제품으로 변경하기 위해 많은 비용이 필요했기 때문에 이 사양에 크게 협조하지 않았습니다.

2010년 3월 날짜로 관계자에게 발송된 서신에 의하면 EPA는 이 사양을 원래의 120Hz로 되돌려 변경했으며 현재까지도 이 사양을 유지하고 있습니다. 

이것은 아직도 본선 공급 장치에 직접 연결된 시중의 많은 LED 구동기가 '깜박임 없는' 전력을 생산하고 있음을 의미합니다. 예를 들어, Cirrus Logic은 CS161x LED 구동기 제품군(CS1610-FSZ, CS1611-FSZ)을 최근에 출시했습니다. 이 칩은 100VAC ~ 120VAC 및 220VAC ~ 240VAC 라인 전압으로 사용하는 데 적합하며 기존의 조광 스위치(깜박임 지수를 절충하는 LED 구동기에 복잡성 부여)와 사용할 때도 깜박임이 없는 성능을 유지하는 추가적 이점이 있다고 강조합니다.

또한 CUI Inc.는 전체 휘도 및 V-Infinity VLED15라고 하는 기존의 조광 스위치와 함께 사용할 때 깜박임 없는 성능을 제공하는 정전류 구동기를 제공합니다(그림 5). 이 모듈은 115VAC용 입력과 230VAC용 입력의 두 개 버전으로 제공됩니다.

또 다른 옵션은 ROHM Semiconductor의 BP5843A입니다. 이 제품은 11핀 SIP 모듈이며 113VAC ~ 170VAC 공급 장치에서 직렬 또는 병렬로 된 다양한 고휘도 LED를 구동하는 데 사용할 수 있습니다. 이 모듈은 낮은 피크 대 피크 출력 전압 리플이 특징이며 깜박임 없는 LED 전력을 제공할 수 있게 합니다.

요약 

LED 조명을 설계하는 조명 엔지니어는 효율성, 긴 수명 및 내구성과 같은 광원에 대한 다양한 이점을 강조할 수 있습니다. 하지만 엔지니어들은 소비자들이 무접점 조명 아래에서 불편함을 느끼는 경우 제품에 대한 부정적인 반응이 발생할 수 있음을 인식할 필요가 있습니다. 

미세한 깜박임도 문제가 될 수 있습니다. 예를 들면, 깜박이는 형광등을 사용하는 사무실에 있는 작업자들은 다른 환경에 있는 사람들에 비해 훨씬 더 높은 비율로 '빌딩 질환 증후군'을 호소해 왔습니다. 깜박임이 불쾌감을 주는 원인이라는 직접적인 증거는 없지만 최근 연구에 따르면 깜박임이 원인 중에 하나일 가능성은 높습니다. 

따라서 깜박임 감소를 염두에 두고 LED 조명을 설계하는 것이 좋습니다. 우수한 품질의 고주파 스위칭 LED 구동기를 선택하면 전압의 AC 부품과 출력의 전류 리플을 최소화하고 이로 인해 LED 깜박임의 변조도가 제한됩니다. 그리고 이 제안을 뒷받침하기 위해 더 많은 연구가 필요하지만 출력 리플에서 AC 부품을 150Hz 또는 그 이상으로 변환하는 LED 구동기를 계속 찾는 것이 좋습니다. 이 주파수에서의 깜박임은 건강에 거의 영향을 미치지 않기 때문입니다.  

참조:

1. 'A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED Lighting May Introduce Flicker', IEEE 표준 P1789, 2010년 2월.
2. 'The Evaluation of Flicker in LED Luminaires', Michael Grather, Luminaire Testing Laboratory, Inc.의 부사장.
3. ENERGY STAR의 조명 프로그램 관리자, Alex Baker의 공개 서신, 2010년 3월 22일.