조명 기술의 새로운 패러다임 제시
ETRI 연구진이 지난 2005년 규명한 바 있는 금속 절연체 전이(MIT) 현상으로 스위칭 기술을 활용, 기존 형광등 호환형 발광다이오드(LED) 구동보드보다 훨씬 단순하고 광효율이 높은 LED 구동보드를 개발했다. 본 기술은 MIT 소자를 사용해 광효율이 기존 상용 제품보다 14% 이상 높을 뿐 아니라, LED 램프 구동보드의 소형화 및 단순화가 가능하다. 즉 기존 상용제품 구동보드는 길이 약 30cm, 트랜지스터 등 부품 수가 50여 개인데 비해, 본 기술을 활용한 시험용 구동보드는 최소 3cm 길이에 부품 수는 MIT 트랜지스터 등 8개면 충분하다. 이에 따라 구(球)형이나 LED 램프의 모양 응용도 가능할 뿐만 아니라, 생산 원가를 획기적으로 낮출 수 있어 관련 조명시장의 패러다임을 바꾸는 전환점이 될 것으로 기대된다.
구동보드에 들어가는 핵심 기술은 20~60KHz로 고속 스위칭이 가능한 MIT 트랜지스터 스위칭 기술(NDR 스위칭)이다. ETRI 김현탁 박사가 기존에 개발한 이산화바나듐(VO₂)으로 만든 소자와 실리콘 기반 소자를 합쳐 하나의 칩으로 만든 것이다.
LED 램프에 구동보드가 일체형으로 개발·보급되고 있는 상황에서 본 기술 개발은 보다 저렴한 가격으로 고효율 소형 구동보드를 갖는 LED 램프의 보급 및 확산을 가능하게 만들었다는 데 큰 의의가 있다.
독자적인 연구로 MIT LED 램프 발명
김현탁 박사는 MIT 현상 규명 연구를 수행하는 과정에서 모트의 MIT가 아닌 독자적인 MIT 이론을 만들고, MIT 스위칭을 할 수 있는 Si NDR-MIT 스위칭 트랜지스터를 제안하고 구현했다. 이후 형광등에 MIT 현상이 있음을 발견, 기존 개발된 원리와 기술을 적용하여 새로운 제품이 될 수 있도록 MIT LED 램프를 발명했다. 김현탁 박사는 이 소자와 보드를 이용한 램프를 만들어 ‘김현탁 LED램프’로 명명했다.
기존 형광등을 대체하는 형광등 호환형 LED 램프는 MIT 원리를 이용하는 것이 아닌 일반적인 교류를 직류로 바꾸고 정전류 기능이 가능하도록 해 LED를 구동하는 방식을 채택하고 있다. 이 경우 교류에서 직류(컨버터)로 바뀌고 정전류 기능을 내도록 하는 과정에서 일부 전력손실이 불가피 하다. 반면 김현탁 박사가 개발한 MIT 램프는 컨버터 없이 형광등 안정기에서 나오는 고주파 교류를 그대로 스위칭에 이용해 컨버팅 기능이 필요 없고, 또한 NDR-MIT 원리 자체에서 정전류 기능을 포함해 고효율화가 가능하다. 외부 안정기 용량에 따라 출력의 크기가 변하기 때문에 기존 램프 규격 내의 모든 안정기와 호환 가능하다. 특히 자기식 안정기와도 호환할 수 있다.
세계시장 목표, 경제적 파급효과 기대
이번 MIT LED 램프 개발은 지난 2013년 논문을 통해 실리콘 반도체 소자에서 MIT 현상을 일으키는 원리를 최초 발표한 후, 연구를 통해 실용화가 가능한 응용제품으로 만들었다는 데 큰 의미가 있다. ETRI 연구진은 본 기술 관련 전류가 일정하게 흐르게 하는 ‘정전류 회로기술’과 ‘음의 미분저항인 NDR MIT기술’을 5개국에 특허출원해 현재 미국, 일본에 등록을 완료했다. NDR MIT 기술이란 일정한 전류에서 MIT 현상이 일어날 때 저항감소로 전압이 작아지는 현상을 말한다.
현재 국내에는 호환형 LED 램프에 대한 안전규격이 없으므로 LED 램프의 방식을 제한하지 않는 해외 시장에 먼저 진출하고, 국내에서는 LED 램프 외장형을 만들어 상용화하면서 표준화 작업을 진행할 예정이다.
본 기술은 향후 형광등 호환형 LED 램프 외에도 교류전력을 사용하는 LED 등기구에 응용이 가능하여 호환형 램프가 아닌 등기구로 점차 응용을 확대해 나갈 계획이다. 또, 이전에 MIT 소자를 기술이전한 (주)모브릭에 추가 기술이전을 추진하고 있다. 김현탁 박사는 “MIT 고속 스위칭 기술은 고효율과 소형화에 유리해, 이를 이용해 빛이 있는 곳에 MIT 기술을 접목, 세계에 이를 널리 전파할 것”이라고 말했다. 이번 연구에 사용되는 스위칭 안정기를 포함한 스위칭용 소자에서 시스템까지 세계 시장 규모는 오는 2020년 약 237조원에 이를 것으로 추산되며, 글로벌 LED 조명시장도 약 102조원에 달할 것으로 예측되고 있다. 연구진은 향후 관련기업에 기술이전을 통해 시장공략에 나설 계획이다.
