인버터 조명기술

컴퓨터 사용이 보편화되면서 시각보호에 대한 소비자의 관심이 증대되고 있다. 기존 형광등의 단점인 빛의 미세한 깜빡거림을 대폭 줄이고 자연빛에서와 같은 높은 색감도를 제공하는 3파장 형광램프를 채용한 인버터스탠드가개발되어 인기를 끌고 있다. 인버터스탠드는 90년대 들어 수요가 매년 30%이상 성장하고 있으며 현재 전체 전기스탠드 수요의 60% 이상을 차지하고 있다.

조명기구로서 형광등은 백열전등에 비해 저전력이고 효율이 높기 때문에많이 사용되고 있다. 하지만 상용전원(50/60)을 사용해 점등 깜박거림이 발생하고 점등시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

이러한 문제해결을 위해 최근 고주파 인버터방식의 전자식 안정기가 채용되고 있다.

인버터 고주파 점등방식을 채용하고 현재의 조명방식 중에서 절전효과가매우 우수하며 색의 재연도가 뛰어난 것이 인버터스탠드다.

수년 전부터 상품화되어 보급이 시작된 인버터스탠드는 눈의 피로를 방지하고 깜박거림이 거의 없고 저소음이며 고효율 등의 장점이 많다. 가격이 고가임에도 불구하고 이러한 장점 때문에 학습용이나 독서용으로 인기를 끌고있다. 인버터스탠드는 대부분 3파장 형광램프, 전자식안정기, 스탠드 본체,보호갓, 반사판 등으로 구성되어 있다. 일반 전기스탠드와는 형광램프의 특성과 안정기의 방식 면에서 큰 차이를 보인다.

형광램프는 유리관의 내벽에 형광체가 도포되어 있고 양단에 전극이 부착된 구조로 설계되어 있다. 유리관내에는 적정량의 수은과 아르곤 등 불화성기체가 봉인되어 있다. 3파장 형광램프는 이 형광체를 청색, 녹색, 적색의 3파장 형광체로 대체하여 연색성을 높이면서 발광효율을 크게 향상시킨 것이다. 기존 형광체에 비해 온도변화에 따른 휘도 변동이 적고 전수명중의 광속유지율이 뛰어나며 형광램프의 세관화 및 콤팩트화가 가능해졌다.

3파장 형광체는 일반 형광체보다 같은 조도하에서 약 40% 정도 더 밝게 느껴질 뿐 아니라 물체의 색상이 더 자연적이고 선명하게 보이는 장점이 있다.

이에 따라 3파장 형광램프는 최근 생산되는 인버터스탠드에 주로 사용되고있으며 에너지 절약 측면에서도 크게 기여하고 있다.

사람의 눈이 감지할 수 있는 가시광선(3백80∼7백60)을 분광 분석하면 청자색부터 적색까지의 빛이 분포되어 있다. 사람의 눈에 녹색파장대의 빛을집중시키면 가장 밝게 느껴진다. 빛의 분포가 한쪽으로 치우칠 경우 연색성(물체색 재현특성)이 저하되며 반대로 연색성을 높이기 위해 빛의 분포를 조절하면 밝기가 저하된다.

색은 대부분 파랑, 초록, 빨강색의 혼합에 의해 만들어진다. 사람의 눈의망막에는 이 각각의 빛을 특히 강하게 지각하는 시세포인 추상체가 있다. 사람의 눈이 가장 밝게 느끼는 빛이 녹색파장대이다. 따라서 색을 가장 강하게지각하는 청색, 녹색, 적색 파장대에 빛을 집중시키면 밝기와 연색성을 동시에 향상시킬 수 있는 것이다.

3파장 형광체는 R, G, B 성분의 배합에 의해 여러가지 광색, 즉 주광색,주백색, 백색 전구색을 얻게 된다. 현재로서는 평균연색 평가지수를 87 이상으로 향상시키기가 어렵고 만일 배합비를 변화시켜 연색성을 개선시킬 경우효율 및 광출력이 떨어지게 된다.

특성면에서 3파장 형광체와 거의 유사하면서 평균연색 평가지수를 높이기위해서 5파장 형광체가 제시되고 있다. 이것은 R, G, B외에 심적(Deep Red)과 청록이라는 성분이 추가되어 연색평가지수와 광출력 및 효율을 동시에 높일 수 있다. 하지만 가격면에서 상당히 고가이기 때문에 실용화에 다소 어려움이 있는 것으로 보인다.

한편 램프는 구동 주파수에 따라 그 특성이 크게 달라진다. 광원의 특성을나타내는 척도인 광속(luminous flux)은 단위가 1umen(1m)이고 단위시간당통과하는 광량을 나타낸다. 같은 광속(1m)을 얻기 위해 얼마 만한 전기적 에너지(watts)가 램프에 공급되었는가, 즉 램프에 공급하는 전력과 발생되는광속의 비율인 발광효율(1m/watt)로 전등의 효율을 나타낸다.

일반적으로 형광램프를 60로 사용할 때보다 수십로 램프를 구동시키면 발광효율이 증가한다는 사실은 실험으로도 입증되었다. 또 램프 구동을 수십이상으로 구동시킬 경우 안정기의 소형화 경량화가 가능해진다.

형광램프를 포함한 모든 방전등은 램프전류가 증가하면 램프전압이 오히려감소한다. 이러한 부저항 특성에 의해 점등이 불안해지거나 그 자체로 램프가 파손될 수 있으므로 점등시에는 전류제한 특성이 필요하다. 바로 이러한과전류로 인해 램프가 파손되지 않도록 전원과 램프간에 삽입하는 전류제한장치가 필요하다.

종래의 형광등 스탠드는 자기식 전류제한장치가 주류였다. 그러나 최근 반도체 소자의 급속한 발전에 힘입어 고주파 인버터를 채용한 전자식 전류제한장치가 많이 사용되고 있다.

조명에 쓰이는 형광램프는 백열등과 달리 전원에 직접 접속하면 ARC 방전후 부성저항 특성을 나타내므로 램프전류가 급속히 증가하게 된다. 이 과전류를 방지하기 위해 전원과 램프간에 전류제한장치가 필요하다.

이 방식의 단점은 상용전원(50/60)에서 동작되므로 부품의 부피가 커지고무거울 뿐 아니라 빛의 깜빡임(Flicker) 및 가청잡음(Acoustic noise)이 있고 또한 효율이 80% 미만이라는 점이다. 이 단점을 해결하기 위해 조명기기분야에서 램프를 고주파로 구동시켜 기존의 특성을 개선시키려는 연구가 상당히 진행되어 왔다. 그 결과 고주파 전자식 전류제한장치가 출현하게 된 것이다.

대부분의 형광램프는 고주파 구동이 가능하다. 주파수가 높아질수록 전류제한장치의 크기는 작아지고 가벼워지며 효율이 높아진다. 이 동작 주파수는광효율을 높이고 전류제한장치의 소음을 가청대역 밖으로 보낼 수 있도록 충분히 높이도록 해야 하는데 최근에는 40∼60가 많이 사용된다.

스탠드용 인버터 회로의 동작원리는 상용교류전압을 정류평활해 직류전압으로 전환한다. 이를 IC제어 또는 발진회로에 의해 고주파전압을 발생시킨후 시동 및 안정화회로로 형광램프의 점등을 유지한다.

인버터를 채용한 전류제한장치 방식은 크게 자려식과 타려식으로 구분된다. 자려식은 DIAC 등을 이용, 초기 시동을 시킨 후 궤환트랜스포머를 통해회로를 구동시키는 방법으로 회로구성이 쉽고 효율이 높아 국내 전류제한장치업체에서 가장 널리 사용되고 있는 방식이다. 자려식 발진방식은 다시 회로구성에 따라 정전류 푸시플, 해프브리지, 1석식 2석식 등으로 구분된다.

반면 타려식 발진방식은 제어용 IC및 그 주변 부품이 부가되어 가격이 상승하지만 조광기능을 구현하기가 용이하고 안정성이 우수해 채용이 확산될것으로 전망된다.

타려식 방식의 회로에는 해프브리지 방식 또는 시리즈 인버터방식이 주종을 이루고 있으며 스위칭 소자로는 MOSFET가 드라이브 손실과 스위칭 손실이적어 주로 사용된다.

고주파 점등회로의 실용화가 급속히 진전되고 고기능, 다기능화가 진행됨에 따라 제어회로도 갈수록 복잡화되고 있다. 이에따라 제어회로도 IC화하여소형화, 고기능화 및 고신뢰성을 구축하는 방안으로 검토되고 있다.

인버터방식이 얻어지는 장점은 첫째 효율이 높다는 점이다. 고주파 점등시에는 램프의 전리에너지 손실이 적어 램프의 발광효율이 증가하며 기존 전류제한장치에 비해 동일램프 전력하에서 약 15% 이상 개선할 수 있다.

둘째 플리커가 없다. 점등주파수가 높아지므로 램프 광출력의 깜박거림을느낄 수 없는 것이다.

셋째 램프점등 대기시간이 현저히 줄어든다.

스타터 기능도 전자화됨에 따라 약 1초의 예열시간후 확실하게 점등된다.

이 시간의 예열시간은 램프의 수명을 확보하는 데도 중요하다.

넷째 점등 주파수가 높으므로 사용 전원의 잡음이 발생하지 않아 조용하다.

다섯째 안정기의 전자화로 대폭적인 경량화가 실현된다.

여섯째 고기능화에 유리하다.

인버터 제어회로의 활용으로 전발광에서 조광까지의 기능을 수행하기가 비교적 수월해진다.

조명기구의 기술동향을 보면 형광램프는 반경의 세관화에 따른 절전화, 3파장, 형광체를 적용한 고효율화 및 고연색성화 동적 특성개선에 의한 장수명화를 위해 노력하고 있다. 전류제한장치는 고주파 점등회로의 채용으로 종합적인 효율개선을 도모함은 물론 장시간 사용에 따른 눈의 피로도를 줄이고시력을 보호하기 위한 기술개발이 추진되고 있다. 이에따라 단순히 밝기 위주의 조명만이 아닌 인간의 감성을 만족시킬 수 있도록 개성화, 다양화, 고성능화를 위한 기술개발이 활발히 추진되고 있다.

특히 고주파 스위칭을 위한 전력용 반도체소자(Power Semiconductor)의 급속한 발달로 기존 자기식 전류제한장치에 비해 양질의 광원을 제공하고 에너지 절약이 가능한 전자식 전류제한장치의 보급이 확산되고 있다.

이러한 전자식 전류제한장치는 단순히 고주파 인버터 시스템만 구성한다고해서 얻어지는 것은 아니다. 형광램프를 포함하는 방전램프의 고유한 부하특성, 즉 비선형성 구성저항 특성을 충분히 고려하고 방전초기(저온)와 노화등의 각 상태의 변화에 따른 전기적 동특성에 대한 상시 감지기능 등을 구비한 염가의 반도체(Custom IC)가 필요할 것으로 생각된다.

최근에는 시력보호 및 장시간 학습 또는 작업시 눈의 피로를 줄이기 위해조도센서 및 마이크로프로세서 제어기능을 구비하여 주변조명 및 조명대상의반사광을 감지한 후 시력 저하의 요인인 눈부심을 제거할 수 있도록 자동으로 밝기를 조절하는 기술이 개발되고 상품화되고 있다.

조명기술을 연구할 때 인간의 시각특성을 감안하여 설계돼야 할 것이다.

이것은 인버터스탠드의 조도를 설정하거나 밝기조절 기능을 부가할 때 우선검토되어야 할 사항이다.

보통 독서를 하는 정도의 시각작업에서는 눈의 피로를 줄이기 위해서 5백룩스(LX) 이상의 조도를 갖출 필요가 있다. 이때 눈이 부시는 현상(Glare;글래어)도 눈의 피로를 촉진시키기 때문에 주의해야 한다. 대체로 밝을수록 시력이 높아지기 때문에 일의 능률이 올라가며 눈의 피로가 적게 온다고 볼 수있으나 어느정도 이상 밝기를 증가시키면 도리어 능률이 떨어지므로 적정량으로 제한하는 것이 좋다.

물체가 잘보이는 정도는 우선 밝기가 필요하고 물체의 크기, 즉 보는 거리에 의해 결정되는 시각, 보고자 하는 물체의 색과 그 배경색과의 대비 및 물체의 움직임에 따라 눈에 포착되는 시간 등이 관계되며 향후 조명기술은 이러한 관계요소들에 대하여 적절하게 대응이 되고 이에 따른 눈의 피로를 최소화하는 방향으로 기술개발이 추진되어야 하며 인간의 시각 특성에 관한 광범위한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

임무생(林茂生)

. 1973년 한양대 공대 기계공학과 졸업

. 1978년 수출진흥 발전과 수출시장개척 유공자(대통령 표창). 1992년 과학기술 진흥과 산업발전 유공자(석탑산업훈장). 1994년 서울대 공대 최고산업전략과정 수료

. 현재 대우전자(주) 생활가전사업부 이사