LED 조명기구 및 LED 백라이트 설계에서 최적의 성능을 내기 위해서는 서로 균형을 맞춰야 하는 요소가 많다. 이때 LED의 전력 전송이 어떻게 이루어지는지 이해하면 비용과 전력소비량, 중량을 고려하여 현명하게 선택할 수 있다. 또한 전력을 최대한 절약하려면 해당 애플리케이션에서 가장 일반적인 작동 모드로 LED의 동작점을 맞추는 데 중점을 둬야 한다.
대부분의 LED 데이터시트에는 결정에 필요한 관련 데이터가 공개돼 있지만, 선택한 애플리케이션에 데이터를 바로 적용할 수 없는 경우도 있다. 최적의 성능을 위해서는 제조사의 LED 데이터시트에서 해당 정보를 찾고, 데이터를 구한 다음에 형태 변환 및 분석하는 방법도 이용해야 한다.
가로와 세로 비율이 16 : 9인 전형적인 10인치 디스플레이의 태블릿 LCD 백라이트에 대한 연구도 관련 사례 연구에 포함된다. 여기서는 백라이트 구동을 위한 LED로 Nichia NNSW208CT[1]를 선택했다.
요즘 나오는 모바일 기기에 사용하는 전형적인 디스플레이는 최대 밝기로 구동했을 때 약 650nits의 빛을 방출한다.
LED 광 대부분이 디스플레이에 통합된 물리적인 요소(산광부, 편광자, RGB 색상 필터, 터치패널 ITO 등)를 통과하면서 상실된다. 요즘 디스플레이는 LED에서 만들어진 빛 중 약 95%가 소실된다. 이 디바이스는 이번 연구에서 25mA의 권장 연속 전류를 흘렸을 때 10.398루멘을 방출했다. 아래쪽에 있는 식 (1)을 이용하여 LED 최소 개수를 계산한다.
변환 상수 K＝1550.0031과 위에 나타낸 설계 요건을 이용해 계산한 최소 LED 개수는 35개다. LED 5개씩 7줄이면 설계 요건을 만족하지만, 시판되고 있는 LED 드라이버 IC는 대부분 6줄 LED만 구동하도록 되어 있다. LED의 수를 36개로 조정하면 표준 규격 LED 드라이버를 실현할 수 있다. 드라이버 효율이 100%라고 가정했을 때, 36개의 LED를 최대 밝기로 켜면 전력 소비량은 2.56W이다.
LED 효율, 색상 분리, 열 특성이 주요 데이터 매트릭스이다. 효율 대 순방향 전류가 나와 있는 LED 데이터시트는 거의 없다. 표로 정리해 놓은 효율 데이터가 나와 있는 규격도 찾기 힘들다. IF 대 VF 및 광도 대 IF 곡선을 이용하면 이 핵심 매트릭스를 비교적 쉽게 계산할 수 있다. 또한 정해진 어떤 IF에서의 대표적인 루멘 출력도 알아야 한다(IF＝20mA에서 8.4루멘). 필요한 데이터는 모두 제조사 데이터시트에서 쉽게 찾을 수 있다.
그림 1. 최적의 LED 동작점 유도를 위한 기본 그래프
미리 정한 LED 전류 증가분을 이용해 데이터시트 그래프(그림 1)를 스프레드시트로 가져오거나 디지털화하는 것부터 시작한다. 무료 소프트웨어 툴을 이용하면 처리 속도를 높일 수 있고, 지정한 X 증가분에 맞춰 Y 데이터를[2] 전자동으로 입력할 경우 효율 산출에 필요한 값을 계산할 수 있다.
표 1. 백라이트 설계 비교 연구
디지털 디바이스에 입력하여 표로 만든 LED 플럭스 출력(ФV), LED 전력 소비량(PLED), 효율(η)을 LED 순방향 전류(IF)에 대해 계산한다(그림 2). 상대적으로 낮은 순방향 전류에서 피크 효율에 도달하여 순방향 전류가 최대 정격 수치에 근접할수록 일정한 비율로 수치가 떨어진다.
그림 2. LED 플럭스 출력, 전력 소비량, 효율 계산 및 그래프 산출
배터리 애플리케이션을 사용할 경우 이러한 요구량이 감소하여 이득을 볼 수 있다. 순방향 전류를 낮춘 상태에서 더 많은 수의 LED를 켜면 해당 고정 광출력에 대한 순전력이 감소한다. 표 1에서는 원래 애플리케이션 요건을 요약하고 3종류의 LED 구성을 비교했다.
비용과 물리적인 부피 제한으로 최종 구성에 제한을 받을 수도 있으나 LED 수를 2배로 늘리면 전력을 160mW 절약할 수 있다. 이는 순전력이 6.3% 감소하는 효과와 동일하다. 또한 주변 광 조건(실외/주광) 때문에 이미지를 더 밝게 해야 할 경우, 더 밝은 곳에서도 백라이트를 사용할 수 있다(전력 소비량은 증가한다).
그림 3. LED 전력 분석 결과, LED 개수가 많아질수록 전력은 감소한다
그림 3은 LED 개수 데이터 점에 대한 전력 절약 증가 추이를 나타낸 것이다. LED 노브(knob)는 어느 방향으로든 돌아간다는 점을 참고한다. 각 LED의 구동량을 늘리면 필요한 총 개수가 감소하여 덜 비싼 디스플레이 모듈을 제작할 수 있으므로 특히 비용이 중요한 결정 인자일 때 유용하다.
광도가 낮은 곳에서 LED를 사용하려면 사용률이 100%이면서도 전류는 줄여야 한다. 전통적인 펄스 폭 변조(PWM) 아키텍처를 이용해 LED 전류를 최대로 하여 LED를 구동하면 성능은 전혀 개선되지 않는다.
그림 4. 백색점 이동과 LED 전류
백라이트에서 전류를 낮췄을 때 백색점 이동이라는 문제가 나타난다는 것은 익히 알려진 사실이다. 현대식 LED는 색상 분리 현상이 아주 적거나 인식할 수 없을 정도로 미미하다. LED의 색상 분리 매개변수(그림 4)를 디지털화하고 MacAdam 타원을 작동 범위 중앙에 겹쳐 놓으면 이 점이 강조된다. 순방향 전류 범위 5∼25mA 사이에서 작동하면 한 번의 MacAdam 타원 작업으로 모든 LED 색상을 포함시킬 수 있다. 이 MacAdam 타원 안에 있는 색상은 평균적인 관측자가 보는 것과 동일하다고 본다.
그림 5. LP8555는 매개변수가 더 큰 LED에도 동력을 공급할 수 있다
LP8555와 같은 LED 드라이버를 사용하면 더 큰 LED 어레이에 전력을 공급하는 것도 비교적 쉽게 실행할 수 있다
(그림 5). 이 디바이스는 최대 96개의 LED를 구동할 수 있어 가장 큰 모바일 디스플레이에 적합하며, 앞서 말한 모든 구성을 구동할 수 있다. 이미지 품질을 일정하게 유지하려면 스트링 간 일치도를 2%로 맞추는 게 가장 중요하다.
그 중에서 부스트 아키텍처가 전기 효율을 가장 높이면서도 연결된 유도자의 물리적 높이는 최대한 줄여준다. 또한 이 디바이스는 12개의 전류 싱크 입력이 있어 LED 직렬 스트링 길이를 더 짧게 만들 수 있다. 따라서 부스트 컨버터는 훨씬 효율적인 동작점에서 LED로 전력을 공급할 수 있다.
조절식 조광 기능과 콘텐츠에 따라 조절 가능한 백라이트 컨트롤(CABC) 등의 핵심 기능은 모든 작동 모드에서 전기 효율을 더욱 더 낮춰준다.
참고문헌
1. Nichia NNSW208CT 데이터시트. 웹사이트 : www.nichia.co.jp/en
2. 도널드 셸(Donald Schelle), 마크 브라우어(Mark Brouwer), “쉽고 정확하게 그래픽 데이터 디지털화 하기”, EDN,
Donald Schelle _ Texas Instruments Inc.
