LED 친화적인 디밍은 디머에 추가적인 중립 배선을 이용함으로써 가장 잘 달성할 수 있다. 그러기 위해서는 여러 위치에서 배선 변경을 필요로 할 수 있다. 이를 피하기 위해서는 중립 배선을 필요로 하지 않는 2와이어 디머를 개발할 수 있을 것이며, 그러기 위해서는 설계 및 비용 상의 여러 가지 과제들을 해결해야 한다.

트라이액(triac) 기반의 디머를 이용해서 LED 램프를 디밍할 때의 문제점에 대해서 지금까지 많은 논의가 있었다. 그리고 깜빡임이 없는 매끄러운 디밍을 가능케 하는 여러 가지 기법이 제안되었다. 하지만 이러한 모든 기법들이 LED 드라이버에 복잡성을 가중시키고 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 효율을 떨어트린다. 이에 따라, 이 분야에 종사하는 엔지니어들이 이러한 요소들과 요구되는 디밍 성능 사이에 최적의 절충점을 제공할 수 있는 솔루션을 개발하고 있다.
이 문제를 해결할 수 있는 최상의 방법은 아마도 디머 자체를 새롭게 개발함으로써 단순하면서도 효율적인 LED 드라이버 회로를 이용해서 깜빡임이 없는 매끄러운 디밍을 가능하게 하는 것일 것이다. 하지만 현재로서는 LED 램프를 기술적인 이유에서보다는 마케팅 측면의 요인들 때문에 지난 수십 년 동안 이용되고 있는 기존의 디머 기술과 호환이 가능하도록 할 수밖에 없다.



널리 이용되고 있는 트라이액 기반의 페이즈 컷 디머(phase cut dimming)는 원래 저항부하 백열등 램프에 사용하도록 설계된 것으로서 100mA에서 1A 범위의 전류를 소비한다. 단순한 시간지연 트리거 회로에 의해서 트라이액이 점화되고 전류가 유지 전류(holding current) 아래로 떨어질 때까지 계속해서 전도한다. 유지 전류는 AC 라인 사이클의 끝에 가까워졌을 때 일어난다. 점화 각도를 조절함으로써 램프와 광 출력으로 공급되는 RMS 전류를 조절할 수 있다. 이러한 것을 리딩 에지(leading edge) 디밍이라고 한다.
1980년대에 백열등을 대체할 수 있는 CFL 전구가 등장했는데, CFL 전구는 지금의 LED 전구가 그런 것처럼 가격이 비쌌다. 이 전구의 가장 큰 단점은 디밍을 할 수 없으며 디밍을 하려고 하면 CFL이나 디머를 손상시킬 수 있다는 것이다.
디밍이 가능한 CFL 디자인을 개발하려고 다양한 시도들이 이루어졌음에도 불구하고 제한적인 성능만을 달성할 수 있었으며, 그러기 위해서 불가피하게 비용과 효율 측면에서 불리함을 감수해야 했다. LED는 가스 방출 램프보다 디밍이 더 용이하면서도 요구되는 광 출력을 달성하기 위해서 CFL보다 더 낮은 전류를 소비한다. CFL은 많은 경우에 디머로 충분한 부하 전류를 제공하지 못한다. 충분한 전류를 공급하지 못하면 전류가 너무 급하게 트라이액 유지 전류 아래로 떨어지기 때문에 디머가 단일 사이클 동안에 비정상적으로 수시로 점화를 일으킴으로써 심각한 깜빡임을 일으킨다. 이를 방지하기 위해서는 별다른 방법이 없고 단지 안정적인 디머 동작을 유지하기 위해서 “블리딩(bleed)” 회로를 이용해야 하므로 추가적인 전류를 소비해야 한다. 그러면 불가피하게 전력을 낭비하게 된다. 이 문제를 최소화하기 위한 합리적인 기법들을 개발하고 있으나, 이 문제를 완전하게 해결하지는 못하고 있다. 블리딩 회로 손실은 120VAC 시스템에서보다 220VAC 시스템에서 더 높으며, 그러므로 세계 여러 지역의 국가들에서는 불필요하게 전력을 낭비하는 안정화 기법이 실용적이지 않아서 LED 램프의 사용을 유지 전류가 낮은 특정 디머로 제한하고 있다.
각국 정부에서 앞으로 몇 년에 걸쳐 단계적으로 백열등 램프의 사용을 폐지하도록 규제하고 있으므로 새로운 방식의 디머가 기존의 트라이액 기반 제품들을 점차적으로 대체하게 될 것이다. 이러한 규제는 에너지 효율을 따져서 추진하는 것으로서 전력을 낭비하는 블리딩 회로는 명백하게 이러한 취지와는 위배되는 방식이다. LED로 전환하는 것만으로 이미 많은 전력을 절약할 수 있으며 단일 LED 램프가 10 W만을 소비하므로 각각의 램프로 소량의 전력을 낭비하는 것을 허용할 수 있다고 주장하는 이들도 있다.
이러한 주장이 현재로서는 맞을 수 있을지 몰라도 단지 하나의 개별 램프만을 고려하는 것이 아니라 전체적으로 수백만 개의 램프로 이루어진 부하로서의 조명을 고려했을 때 그러한 주장은 설득력이 떨어진다. 원칙적으로 중요한 것은 전력망으로 연결된 전체적인 조명 부하에 대해서 와트당 루멘(광속 효율)을 극대화해야 한다는 것이다. 이러한 이유에서 구시대적인 트라이액 디밍 기술을 대체함으로써 상당한 양의 낭비되는 전력을 절약할 수 있을 것이다.
언뜻 생각하기에는 교체 디머를 설계하는 것이 아주 간단한 작업인 것처럼 생각할 수 있다. 하지만 성능 요구를 충족하면서 낮은 비용으로 회로를 구현하기 위해서는 몇 가지 해결해야 할 과제가 있다. 교체 디머를 설계할 때 가장 큰 문제점은 트라이액 디머가 통상적으로 스위치처럼 2와이어 입력 및 출력 배선만을 필요로 하며 중립 배선(neutral connection)을 제공하지 않는다는 것이다. 트라이액 기반 회로는 저항부하 백열등 램프에 이용할 때는 이 방식으로 작동하기에 매우 적합하지만 대안적인 디자인을 설계할 때는 적합하지 않다. 중립 배선이 문제인데, 이것은 대부분 가정의 기존 조명 스위치 배선이 중립 케이블을 제공하지 않기 때문이다.




모든 디머 디자인은 양방향 스위치를 필요로 한다. 현재는 대부분의 디머가 최대 수 암페어로 작동할 수 있도록 설계되고 있다. 이것은 백열등 램프에 비교적 높은 전류가 요구되기 때문에 필요한 것이다. LED 조명 디머는 이보다 낮은 전류로 동작하도록 설계할 수 있을 것이며, 그럼으로써 대형의 비싼 디바이스들을 필요로 하지 않고 2개의 고전압 MOSFET 디바이스나 하나의 MOSFET 디바이스와 다이오드 브리지를 이용해서 스위칭 회로를 구현하고 전력 손실을 낮게 유지할 수 있다. 동일 패키지로 듀얼 MOSFET을 통합하는 것이 더 저렴한 방법이 될 것이다. 디머에 대한 수요가 대량이라는 점을 고려했을 때 이 애플리케이션에 이용하도록 새로운 실리콘 또는 GaN 양방향 스위치 제품을 개발할 수 있을 것이다.
중립 배선 대신에 접지 배선을 이용함으로써 중립 배선 문제를 피해가는 디머 디자인이 존재하나, 이러한 방법은 좋지 않은 방법으로서 회로에 연결되어 있는 GFI를 트리핑할 수 있는 위험성이 있다. 그러므로 가장 좋은 해결책은 향상된 전력 반도체 디바이스를 이용해서 좀 더 혁신적인 2와이어 디밍 솔루션을 고안하는 것일 것이다.
LED 드라이버나 CFL 같은 반응성 부하에 연결했을 때 트라이액 기반 디머의 비정상적인 점화 문제는 스위치 온 및 스위치 오프를 MOSFET과 같은 방식으로 제어할 수 있는 전력 스위치를 이용해서 해결할 수 있을 것이다. 이와 같은 방법을 이용하는 고성능 디머 제품들이 시장에 나와 있으나 대부분의 제품들이 제어 회로를 작동하기 위해서 필요한 저전압 DC 전원 소스를 제공하기 위해서 추가적인 중립 배선을 필요로 한다. 기본적인 트라이액 디머 회로는 매우 단순해서 DC 전원이 필요하지 않다. 트라이액 스위치 오프를 제어할 수 없기 때문이다. 중립 배선을 이용하지 않으면, 비용을 낮추고 효율을 높게 유지하면서 전체적인 디밍 범위에 걸쳐서 DC 전원을 공급하기가 까다롭다는 것이 문제다. 이러한 요인들 때문에 LED에 사용하기에 적합한 새로운 디머 제품들은 적어도 단기적으로는 기존의 트라이액 제품들보다 가격이 더 비싸게 될 가능성이 높으며 그럼으로써 장기적인 이득을 고려하지 않는 소비자들이 선택하려고 하지 않는 장벽이 될 수도 있다.
백열등 디머와 달리, LED 조명용 디머는 항상 전 전압(full voltage)으로 디밍할 필요가 없다. 이것은 전 범위에 걸쳐서 광 출력을 조절할 수 있도록 할 필요가 없다는 뜻이 아니라, 최대 광 출력이 모든 출력 전압에 가까운 지점에서 일어날 수 있다는 말이다. 이것은 다시 말해 모든 디밍 조건에서 디머 스위칭 소자가 AC 라인 사이클 동안에 어느 시간 간격 동안 개방된다는 뜻이다. 그러므로 개방 스위치 전압으로부터 저전압 DC 전원을 도출하는 것이 가능하다. 이론적으로 이와 같은 방법으로 중립 배선을 필요로 하지 않는 디자인을 달성할 수 있을 것이다. 디머 제어 회로는 밀리암페어 대의 소량의 전류만을 필요로 하도록 하고 상당한 손실을 일으키지 않으면서 이와 같은 수준의 전류를 공급할 수 있어야 할 것이다.
LED 디밍 문제를 해결하기 위한 가장 좋은 방법은 스위칭 제어로 안정적인 페이즈 컷 제어를 달성할 수 있는 새로운 방식의 디머 디자인으로 전환하는 것이다. 이 방법이 LED 조명을 기존의 구시대적인 기술과 호환이 가능하도록 하는 것보다 더 효율적이고 비용을 낮출 수 있는 방법이다. LED 친화적인 디밍은 디머에 추가적인 중립 배선을 이용함으로써 가장 잘 달성할 수 있다. 그러기 위해서는 여러 위치에서 배선 변경을 필요로 할 수 있다. 이를 피하기 위해서는 중립 배선을 필요로 하지 않는 2와이어 디머를 개발할 수 있을 것이며, 그러기 위해서는 설계 및 비용 상의 여러 가지 과제들을 해결해야 한다.

글 | 피터 B. 그린(Peter B. Green)LED 그룹 매니저, 인터내셔날 렉티파이어(International Rectifier)