고효율 방전램프의 디밍시스템(HID Lamp의 Dimming)

[귀한]

서론
고효율방전램프(HID)의 디밍시스템을 구체화하기에는 곤란한 점이 있다. 왜냐하면 램프 제작사에서 만들어진 램프의 사용환경에 있어서 램프의 수명이나 색온도, 출력광량의 관점에 있어서 디밍시스템을 적용시키는데는 문제점을 발생시킨다. 
디밍시스템을 만들려는 제작업자와 램프 제작업자의 입장에서 문제점을 살펴보고 도출된 문제점을 해결하고 또한 HID 램프의 디밍에 관련된 기술을 설명하는데 도움을 주고자 한다. 

HID램프의 디밍의 유용한 점은 무엇인가?
다양한 사용자의 요구에 대한 유용성을 높이고 피크 전력을 완화시키고 에너지 절감에 유용하게 사용하는 것이 디밍시스템의 이점이다. 
에너지를 절감함으로써 램프에서 발생되는 많은 열량을 줄일 수 있고 건물 공조 에어콘의 사용량을 줄일 수 있다. 일부 HID 램프의 디밍시스템은 입력을 줄여서 시스템에 인가되므로 최대소비전력을 줄임으로 인해서 전기를 절약할 수 있을 뿐만 아니라 전기 수전설비와 건물 공조시설 용량을 줄일 수 있어 빌딩 운용면에 있어서 경제성을 살릴 수 있다. HID 램프의 디밍 시스템은 여러 가지 목적으로 사용되는 체육관 운용에 있어서 스포츠의 종류와 이벤트나 집회같은 사회활동 등 행사의 목적에 따라 밝기를 조정함으로써 사용에 있어서의 유연성을 제공할 수 있다. 

HID 램프란 무엇인가? 
HID램프는 고압나트륨, 메탈할라이드와 수은방전등과 같이 방전을 이용한 고효율램프들이다. HID램프는 일반적으로 유리로 봉합된 원형의 튜브와 온도와 눈, 비 같은 외부요인으로부터 이를 보호하기 위한 유리 외형구가 있다. 내부의 원형 튜브는 일반적으로 뇌관이라 부르며 극성을 가진 전류에 의해 이온화 될 때 빛을 방출하는 물질로 채워져있다. 
뇌관에 혼합된 물질들은 여러가지 형태의 HID램프의 특징을 결정 지우는 중요 요소가 포함되어있다. 공기와 접촉하는 외구는 방출된 빛을 산란시키는 목적과 램프의 칼라특성을 개선하기 위한 물질이 안쪽 표면에 도포되어 있는데 형광등의 경우는 램프의 칼라 특성을 증가시키고 빛을 퍼트리는 요소로 작용하는 인이 도포되어 있다. 
HID램프는 램프에 요구되는 스타트 전압을 공급하고 작동중에 규정치의 전류를 공급하기 위해 발라스타가 필요하다. 
HID램프는 크기와 입력전력에서 매우 다양하게 사용된다. 
인테리어용으로는 6인치 35w램프에서부터 시작해서 산업용으로 15인치 1500W 램프, 경관조명용으로 그 이상의 램프사이즈가 사용되고 있다. 단위 W당 빛의 효율은 30에서 150Lm/W의 고효율로 사용된다. 다른 소스의 광원과 비교해보면 백열등의 빛효율인 17Lm/W에 비교해서 굉장히 빛의 효율이 뛰어나고 보통 형광등의 빛효율인 80Lm/W에 비교해서도 뛰어난 효율을 가진다. 
HID램프는 최대치의 빛을 방출하기 위해서는 warm-up 시간이 필요하다. HID램프를 사용중 램프가 off 되었을 경우 재가동시키기 위해서는 램프를 일정 온도 이하로 냉각시켜야만 다시 램프를 점등시킬 수 있다. 이러한 램프의 재가동 시간을 restrike 시간이라고 부른다. 
아래의 도표는 여러가지 HID램프의 재가동 시간과 warm up 시간을 보여준다.

Lamp Type	Power(watts)	Initial System Efficacy (LPW)	Lumen Depreciation(%)	Average Rated Life(houps)	Warm-up Time(minutes)	Restrike Time(minutes)
High-pressure sodium	35-1,000	51-130	9-10	7,500-24,000+	3-4	0.5-1
Mercury vapor	40-1,250	24-60	11-25	12,000-24,000+	5-7	3-6
Metal halide	70-1,500	69-115	20-23	5,000-20,000+	2-5	10-20

위 도표에 나타나듯이 긴 warm up 시간과 restrike 시간은 HID램프의 사용 및 응용에 여러가지로 제한적인 요소로 작용한다. HID램프는 백열등이나 형광등에 비교해서 뛰어난 램프효율과 강력한 광출력을 나타낸다. HID램프는 뛰어난 빛의 효율을 가지기 때문에 에너지가 열로 변환되는 것보다는 빛으로 변환되는 율이 형광등이나 백열등에 비교해서 높으므로 라이트를 만들때 다른 램프 소스에 비교해서 소형으로 만들 수 있다. 그리고 HID램프의 광출력은 주위 온도에 영향을 받지 않는다. 

HID램프의 밝기를 조절하기 위한 기술은 무엇인가?
최근에는 HID램프는 2단계 밝기로 또는 연속적인 방법으로 밝기를 조절할 수 있다. 2단계 dimming은 연속적인 디밍보다 기술적으로 간단하고 저렴하게 실현할 수 있다. 대부분의 2단계 디밍시스템은 고정소비전력 트랜스포머 발라스터를 사용한다. 디밍을 실현하기 위해서는 부가적인 콘덴서를 포함한 별도의 회로가 있어야 하고 그 결과 소비전력이나 빛의 밝기에서 다른 레벨을 나타낸다. 
HID램픔를 연속적으로 디밍을 실현할 수 있는 방법에는 3가지 방법이 있다. 
첫 번째는 발라스터에 공급되는 일차전원의 전압을 변화시키는 방법으로 변압기를 사용하여 램프 규정치 전력의 약60% 범위까지 디밍을 할 수 있다. 
두 번째 방법은 전압을 변화시키지 않고 램프에 부가되는 전류를 변화시키기 위한 회로를 사용하는 방법이다. 이 방법은 비교적 규정치의 30%의 넓은 범위까지 램프와 발라스터의 상태에 따라 디밍을 조절할 수 있다. 
세 번째 방법은 입력 발라스터에서 공급되는 전류와 전압의 파형을 변화시키기 위해 사용되는 SSR 또는 SCR 소자를 이용한 방법이다. 이 방법은 규정치의 약 50%의 범위를 디밍할 수 있다.   
일반적으로 HID발라스터를 이용하지만 HID램프를 디밍하기 위한 시스템으로는 특별하게 제작된 디밍발라스터가 필요하다. 
일반적으로 마그네틱 발라스터가 사용된다. 일부 제작사에서는 전자 발라스터로 HID램프의 디밍에 사용하는데 이것은 더 뛰어난 디밍 기능을 수행함과 동시에 에너지 절감과 기구의 무게와 부피도 현저하게 줄이는 데 기여하고 있다. 
위에서 살펴본 3가지의 디밍 시스템은 수동뿐만 아니라 자동으로 (포토셀이나 감지센서를 이용) 또는 시간적인 프로그램에 의한 제어가 가능하다. 이러한 시스템은 일부 구역을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 여러가지 목적으로 밝기를 조절하는 시스템으로 사용하여 유용성을 높일 수 있다. 

디밍이 시스템 입력전력과 빛의 밝기에 어떻게 작동하는가?
시스템에서 입력을 감소시킴에 따라 같은 비율로 빛의 밝기가 줄어들지 않는다. 
HID램프를 디밍으로 사용했을 때 빛의 밝기의 감소비율은 시스템 입력전력 감소보다 크게 나타난다. 아래의 그래프는 400W 메탈할라이드램프의 연속적인 디밍 사용시 소모전력 대비 빛의 출력을 나타낸 것이다. 

Changes in efficacy for a 400-watt, coated metal halide lamp

System Input Power (watts)	Relative Efficacy (%)
439	100
393	91
354	82
302	79
260	67
247	59

위의 표는 90%, 80%, 70%, 60%, 55%의 전력으로 연속적으로 dim을 실행했을 경우 시스템의 상대적인 효율을 나타낸 것이다. 
미국 조명기 정보프로그램에서 2레벨 디밍시스템으로 400w 고압나트륨램프를 작동시켜 효율적인 측면을 조사했는데 고레벨 세트(100% 전력) 시스템으로 작동하다가 저레벨(30%전력) 시스템으로 변환시켰을 때 저레벨에서 램프가 안정된(warm up) 후의 빛의 효율은 고레벨에서 작동시의 10% 였었고 전력 소비에 비추어 결론적인 효율은 고레벨세팅의 39%를 나타내었다.
일부 디밍시스템 제조업자에 따르면 HID램프를 디밍 시스템의 방식이 변경되었을 때 빛의 밝기가 즉시 변화가 나타나지 않는 시스템에 적용시켰다. 
이들 시스템은 최대전력에서 최소전력까지 전구간에서 dim을 실현시킬 수 있다. 방출되는 빛의 전체변화의 반 정도는 몇 초내에 발생한다. 또 빛의 출력이 안정화되기 위해서 3~10분 정도의 시간이 필요하다. 일부 디밍시스템에서는 입력의 작은 변화에도 즉시 램프가 반응을 나타낸다. 
일부램프제작 회사에 따르면 메탈할라이드나 수은방전램프의 광속저하는 램프가 디밍되는 과정에서 증가하는데 규정치에 미달된 전력으로 램프 작동시 전극의 분산 작용으로 전구표면에 흑화현상이 증가한다. 이러한 광속의 지나친 떨어짐을 막기위해 램프 제조업자들은 규정된 전력의 50%이하에서는 디밍을 사용하지 않을 것을 권고한다. 
이것은 앞장에서 논의된 빛의 색온도와 램프 수명을 위해서도 중요한 충고이다. 램프 제작사는 고압나트륨램프의 광속의 저하는 디밍에 영향을 받지 않는다고 말한다. 

디밍은 색온도에 영향을 끼치는가?
3가지의 대표적인 HID 램프형태 중에서 메탈하라이드 램프가 디밍에서 칼라특성이 가장 예민하게 변화하는 것으로 알려져 있다. 디밍은 램프 튜브의 온도를 떨어뜨리고 일부 요소들이 이온화 할 수 없는 온도 지점까지 내려가면 이온화 되지 못한 성분들은 정상적인 라이트 스펙트럼에서 빠진 관계로 빛의 칼라가 변화한다. 
일부 제작업자에 따르면 메탈할라이드 램프가 규정치의 80% 정도의 디밍을 사용했을 때는 색온도의 변화는 작다. 그러나 60% 이하로 디밍했을 경우 CCT의 증가는 상당히 커져서 칼라가 훨씬 더 푸른색으로 변화한다. 
디밍을 했을 때 CCT의 변화와 칼라 랜더링 지수의 변화는 투명 램프에서의 변화보다 형광으로 도포된 메탈 할라이드 램프에서의 변화가 훨씬 적다. 투명할라이드 램프를 규정 전력의 50%값으로 디밍했을 경우 칼라 랜더링 지수는 65에서 45로 떨어지며 색온도는 1500K가 증가하였다. 코팅된 메탈할라이드 램프의 경우 칼라 랜더링 지수가 70에서 60으로 떨어지며 칼라 색온도는 투명 할라이드 램프보다 훨씬 작은 400K만 증가 할 뿐이다. 아래 그림은 두 종류의 메탈할라이드 램프의 디밍을 실시했을 경우 칼라색 온도와 칼라 랜더링지수의 변화를 나타낸 것이다.  

<좌: 400W 메탈할라이드 램프색 온도/ 우: 400W 메탈할라이드 램프의 칼라랜더링 지수>

칼라의 변화를 최소화 하기 위해 램프 제작업체에서는 메탈할라이트 램프의 규정치 전력에 가깝게 작동시키기를 권고한다. 그리고 규정치 전력의 50%이하의 전력으로 디밍을 작동시키지 않아야 한다. 
고압나트륨 램프의 빛의 색온도는 50% 디밍을 실시했을 경우 색온도의 변화가 200K만 줄어든다. 그 결과 빛의 색온도는 정상치보다 조금 더 노란색으로 보인다. 칼라 랜더링 지수는 아주 작은 범위에서 변화된다. 수은등의 칼라특성은 램프를 디밍해도 눈에 뛸 만큼 변화가 발생하지 않는다. 

디밍이 HID램프의 수명에 얼마나 영향을 끼치는가?
실제로 full전력과 half전력 2단계 디밍 기법을 사용해 온 실례에서 눈에 띄일 만한 램프 수명의 차이는 없다고 보고 되고 있다. 그럼에도 불구하고 램프 제작업체들은 램프에 인가되는 전력이 매우 낮은 상태에서 연속적으로 램프를 작동시키면 램프의 수명을 단축시킬 뿐만아니라 현저한 광속저하를 초래한다고 경고한다. 수은방전 램프의 경우 규정치의 50%이하의 전원으로 작동시키면 수명이 50% 줄어들고 고압나트륨 램프와 메탈할라이드램프의 경우는 수명이 90% 줄어든다고 주장한다. 그리고 램프제작업체는 HID램프를 작동시킨 후 디밍을 실시하기 전에 규정치 전력으로 10분에서 15분 동안 램프를 작동시킨 후에 디밍하기를 권고한다. 또한 메탈할라이드 램프 제작자들은 램프 수명의 감소를 막기 위해 램프가 위로 향하는 정상적인 위치에서 작동시킬 것을 권고한다. 
디밍이 작동되는 동안 미국표준협회에서 제정한 최소 open-circuit 전압을 유지해야 한다. 만약 전압이 너무 낮으면 전원이 순간적으로 불안정할 경우 램프의 재점등이 어려울 수도 있다. 

HID램프의 디밍에 최적의 적용은 무엇인가?
2단계 디밍시스템은 특히 주차장 구역의 조명에 유용하게 사용된다. 
사용이 많은 시간에는 full전력을 인가하여 전체적으로 밝게 사용하며, 사용이 뜸한 심야에는 램프에 인가되는 소비전력을 디밍하여 방범용도의 라이트로 사용된다.
주차장에서 이러한 2단계 디밍 방법의 또 다른 장점은 인접하는 건물이나 주거 환경에 원치 않는 빛을 줄여준다. 2단계 디밍 방법의 또 다른 장점은 인접하는 건물이나 주거 환경에 원치 않는 빛을 줄여준다. 2단계 디밍의 실내의 응용으로는 창고형 할인매점이나 대형상품 판매점과 같은 장소에서 타이머나 센서를 이용하여 효과적으로 이용할 수 있다. 많은 사람들이 이용하는 시간에는 full전력을 사용하고 일과 후 청소나 유지, 보수 또는 재고 정리와 같은 작업시에는 에너지를 줄이는 목적으로 디밍시스템으로 사용한다. 
2단계 디밍시스템은 일반 시스템의 on/off 사용이 빈번한 곳은 램프가 off 상태에서 재점등하기 위해서는 warm up 시간이 필요하므로 2단계 디밍 방식을 자동화 시스템으로 사용하여 램프를 완전히 off시키지 않고 밝기만 2단계로 반복할 수 있다.
연속적인 디밍은 여러가지 목적으로 라이트를 사용할 경우 밝기 조절의 유연성이 필요한 장소에 적당하다. 광원의 밝기의 조절이 필요한 공항이나 공장, 큰 건물의 로비, 교실, 체육관, 아이스링크 등의 스포츠 시설과 강당 등의 장소에서 필요하다. 이러한 목적으로 사용되는 시스템은 광센서를 사용하여 낮시간대에는 디밍을 사용하여 유용하게 사용하는 것 뿐만 아니라 저녁시간에는 full전력을 사용하여 어느 시간대에서나  밝기의 차이를 완화시키는데 사용하고 있다. 
고압나트륨램프는 공장 작업이나 창고형 매장, 주차장과 같은 장소에 많이 사용된다. 
메탈할라이드 램프는 칼라의 색온도가 고압 나트륨 등보다 중요시되는 지역 즉 슈퍼마켓, 체육관과 같은 스포츠시설물이 많이 사용된다. 

HID램프의 디밍과정에서의 전력 스펙트럼 분배
다음의 그림은 가시광선 파장영역에서 메탈할라이드 램프와 고압나트륨 램프에서 방출되는 스펙트럼을 나타낸 것인데 2단계 디밍시스템으로 이들 HID램프에 full전력과 50%의 전력으로 작동시켰을 때 라이트 색온도와 스펙트럼의 변화를 측정해서 나타낸 것이다. 
규정치의 100% 전력으로 가동시키는 스펙트럼과 50%로 작동시키는 스펙트럼을 비교하면 50%로 작동되는 램프에서는 거의 모든 파장에서 현격하게 줄어든 것을 알 수 있다. 메탈할라이드 램프의 색온도는 3850K에서 4310K로 변화되었고, 고압나트륨 램프도 비슷한 결과를 나타내며 칼라 색온도는 변화가 크게 나타나지 않는 2270K에서 1990K로 변화를 나타냈다. 



* 칼라랜더링 지수(CRI)
발광체에 의해 방출되는 빛은 고유의 빛의 특성을 가지는데 물체에 빛을 가했을 때 가시광선 파장 영역에서 물체 고유의 칼라를 재현할 수 있는 정도를 수치로 나타낸다. 
칼라랜더링 지수가 100이면 최고치를 나타내고 지수가 낮으면 전파장대에서 물체의 고유색채표현에 부적당하다는 것을 표시한다. 칼라랜더링 지수가 85이상이면 카메라를 이용한 영상물로는 취급할 수 있는 단계이고 그 이하이면 방송용으로는 부족하여 산업현장이나 가로등이나 경관용으로 사용된다. 

* 고정전력트랜서
HID램프에 가장 일반적으로 사용되는 발라스터로 입력 전압의 변동이 심한 경우에도 항상 일정한 전력을 램프에 공부하기 위한 목적으로 사용된다. 

* CCT(corrected color temperature)
광원의 칼라를 수치화 한 것으로 이상적인 물체인 흑체에 열을 가해 온도가 올라갈 때 나타나는 빛을 K로 표현한 것응로 낮은 온도에서는 붉은 빛을 방출하고 높은 색 온도에서는 푸른 빛을 방출한다.
고압나트륨은 2300K, 메탈할라이드는 5600K의 색온도를 나타내고 스튜디오에서 많이 사용하는 할로겐은 3200K, HMI는 5600K를 나타낸다. 

* 효율
투입되는 입력 전력에 대한 방출되는 빛의 비율을 나타낸 것이다. 1W당 방출되는 광속 lumen의 단위로 나타내고 효율이 높을 수록 전기 에너지가 열보다는 빛으로 변환되는 율이 높고 효율이 낮은 경우에는 전기에너지가 빛으로 변화되는 비율이 낮은 것이다.
HID 램프는 할로겐에 비교해서 효율이 높은데, 같은 전기 에너지에서 할로겐 램프보다 빛으로 변화되는 비율이 높기 때문에 HID램프로 조명기구를 만들 경우 할로겐라이트보다 열에 대한 대비책을 세우기 쉽기 때문에 기구를 소형으로 만들 수 있다. 

* 고압나트륨
고압나트륨 램프는 2000K 부근의 색온도를 가지며 칼라 랜더링 지수는 22정도이다. CCT가 낮기때문에 방송용이나 실제 생활에는 사용하기가 어려우나 가장 높은 효율을(150lm/w) 가지기 때문에 가로등이나 산업용으로 사용된다. 

* 수은램프
발광체로 수은을 사용하는 고밀도 방전 램프로 CCT가 3000K~7000K로 칼라랜더링 지수가 15~25정도 되나 튜브외구에 인을 도포하면 칼라랜더링 지수가 40~55 정도로 높아진다. 다른 종류의 HID램프보다 효율은 떨어진다. 보통 30~65lm/w의 효율을 나타내나 램프의 수명이 훨씬길다.

* 메탈할라이드 램프
발광체로 수은과 여러가지 할라이드 첨가물을 사용한 고밀도 방전램프이다. 여러가지 HID램프 중에서 가장 CCT가 높은데 이것은 여러가지 할라이드 첨가물이 가시광선 영역의 빛을 방출하고 스펙트럼의 형태도 다른 광원에 비교해 평탄하다. 
메탈할라이드 램프의 CCT는 2300K~5400K 정도이며 칼라 랜더링 지수는 60~93을 나타낸다. 효율은 75~125lm/w 정도이다.

자료제공 : 조명정보 NO.9