MIT 스위칭 기술, 조명의 패러다임 바꾼다
MIT 스위칭 기술, 조명의 패러다임 바꾼다
  • 김수아 기자
  • 승인 2016.06.22 18:14
  • 댓글 0
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ETRI, 조명산업에 날개다는 MIT(금속절연체전이) 기술개발
기존 형광등 호환형 LED 구동보드 보다 훨씬 단순하고 광효율이 높은 LED 구동보드 개발(사진:ETRI)

국내 연구진이 기존 형광등을 발광다이오드(LED) 램프로 전환하는 구동보드에 혁신적인 소자를 사용, 고효율 및 소형화에 성공했다. 이로써 보드의 생산단가를 크게 낮춰 관련 조명시장의 패러다임이 바뀔 전망이다.

참조> MIT(Metal-Insulator Transition, 모트(Mott) 금속-절연체(부도체) 전이현상 : 구조상전이를 겪지 않으면서 부도체가 금속으로 혹은 금속이 부도체로 불연속적으로 바뀌는 현상)

ETRI(한국전자통신연구원)는 지난 2005년 규명한 바 있는 금속 절연체 전이(MIT) 현상으로 스위칭 기술을 활용, 기존 형광등 호환형 LED 구동보드 보다 훨씬 단순하고 광효율이 높은 LED 구동보드를 개발했다고 21일 밝혔다. 

ETRI는 본 기술의 특징으로 MIT소자를 사용하여 광효율이 기존 상용제품 대비 14%이상 상승했을 뿐 아니라, LED 램프 구동보드의 소형화 및 단순화가 가능해졌다. 이에 따라 생산 원가의 획기적인 절감이 가능할 것으로 보인다. 

개발 램프와 상용 램프를 측정한 비교 데이터 표

아울러 기존 상용제품 구동보드 길이가 약 30cm에 달하고 부품수도 트랜지스터 등 약 50여개나 됐는데 MIT기술을 활용한 시험용 구동보드는 최소 3cm길이에 부품 수는 MIT 트랜지스터 등 8개에 불과하다. 이에 따라 구(球)형이나 LED 램프의 모양 응용도 가능케 되었다. 

이젠 LED 램프에 구동보드가 일체형으로 개발, 보급되고 있는 상황에서 ETRI의 기술개발로 보다 저렴한 가격으로 고효율 소형 구동보드를 갖는 LED 램프의 보급 확산이 가능케 되는 길을 열게 되었다.

ETRI는 구동보드에 들어가는 핵심기술이 20~60KHz로 고속 스위칭이 가능한 MIT 트랜지스터 스위칭 기술(NDR 스위칭)이라고 밝혔다. 기존 김현탁 박사가 개발한 바 있는 이산화바나듐(VO2)으로 만든 소자와 실리콘 기반 소자를 합쳐 하나의 칩으로 만들었다고 연구진은 설명했다. 

참조>NDR-MIT 스위칭 : NDR은 Negative Differential Resistance의 약어이며 부성미분저항이라고 부른다. MIT 현상이 일어나서 저항이 급격하게 감소할 때 일정한 전류에서 전압이 급격하게 줄어드는 현상.

이처럼 이번 MIT LED 램프의 개발은 실리콘 반도체 소자에서 MIT 현상을 일으키는 원리를 지난 2013년 논문에서 최초 발표 후 연구하고, 실용화가 가능한 응용제품으로 만든 것에 큰 의미가 있다고 ETRI는 밝혔다.

또한 연구진은 본 기술 관련 핵심특허 2건을 출원했다고 밝혔다. 핵심특허로는 전류가 일정하게 흐르게 하는'정전류 회로기술'과 '음의 미분저항인 NDR MIT기술'이라고 밝혔다. NDR MIT 기술이란 일정한 전류에서 MIT 현상이 일어날 때 저항감소로 전압이 작아지는 현상을 말한다. 본 기술은 5개국에 특허출원하여 현재 미국, 일본에 등록 완료 되었다. 

ETRI 김현탁 박사(사진:ETRI)

ETRI 김현탁 박사는 MIT 기술을 활용 화재감지기를 비롯, 지난해 전자개폐기 및 차단기를 개발, 상용화를 진행 중이다. 두 기술은 MIT 현상의 지속적 현상을 이용했다면 이번 기술은 MIT의 고속 스위칭 성능을 이용한 셈이다. 지난 4월에 김박사는 MIT 소자 대량생산용 8인치 웨이퍼 제작기술 개발에도 성공한 바 있다.

ETRI 김현탁 박사는"MIT 고속 스위칭기술은 고효율과 소형화에 유리하다. 이를 이용하여 빛이 있는 곳에 MIT 기술을 접목하여 세계에 이를 널리 전파할 것이다"고 말했다.

본 기술은 오는 22일부터 일산 킨텍스에서 나흘간 개최되는『국제 LED & OLED 엑스포 2016』에 MIT 소자 전문 생산업체 ㈜모브릭과 함께 MIT 소자 및 응용 기술을 전시, 일반에 처음으로 공개한다.

한편 본 기술은 지난 15일, 원내서 기술품평회를 갖고 관련자들로부터 큰 관심과 호응을 얻었다고 ETRI는 밝혔다. 본 기술의 상용화는 기술 품질인증 등을 받고 금년 내로 할 예정이다. 

본 연구에 사용되는 스위칭 안정기를 포함하는 스위칭용 소자에서 시스템까지 세계시장 규모는 오는 2020년 약 237.2조원으로 보고되고 있으며 글로벌 LED 조명시장도 약 102조원 정도로 예측되고 있다.

연구진은 본 기술을 관련기업에 기술이전을 통해 시장공략에 나선다고 밝혔다. 김현탁 박사의 논문은 현재 4,600회 이상 전 세계적으로 인용되고 있다. 김박사가 2002년부터 게재한 MIT 관련 논문은 85편, 출원한 특허만도 국내 74개, 국제 193개에 달한다. 

 

참조)개발자인 김현탁 박사는 MIT 현상 규명(Mechanism) 연구를 독자적으로 수행하는 과정에서 모트의 MIT가 아닌 독자적인 MIT 이론을 만들고 MIT 스위칭을 할 수 있는 Si NDR-MIT 스위칭 트랜지스터를 제안하고 구현하였다 (논문: Appl. Phys. Lett. 103, 173501 (2013)).

MIT LED 램프 시연(사진:ETRI)

이 과정에서 NDR-MIT 스위칭(금속-절연체 스위칭) 기술도 개발하였다(특허). 그 후 형광등에 MIT 현상이 있음을 알고 기 개발된 원리와 기술을 적용하여 새로운 혁신적인 제품이 될 수 있는 MIT LED 램프를 발명하였다.

기존의 형광등을 대체하는 형광등 호환형 LED 램프는 MIT 원리를 이용하는 것이 아니고 일반적인 교류를 직류로 바꾸고 정전류 기능이 되도록 하여 LED를 구동하는 방식을 채택하고 있다.

이것은 교류에서 직류(컨버터)로 바뀌고 정전류 기능을 내도록 하는 과정에서 일부 전력손실이 불가피하게 존재한다. 반면, MIT 램프는 컨버터 없이 형광등 안정기(그림3 참조)에서 나오는 고주파 교류를 그대로 스위칭에 이용하므로 컨버팅 기능이 없고, 또한 NDR-MIT 원리 자체에서 정전류 기능을 포함하므로 보다 더 고효율이 가능하며, 외부 안정기 용량에 따라 출력의 크기가 변하기 때문에 기존의 램프 규격내의 모든 안정기와 호환을 갖는 것이 특징이다.

특히 자기식 안정기와도 호환이 가능하다. 이 램프는 MIT 램프의 구동원리를 개발하고 독자적으로 기술을 개발한 발명자의 이름을 딴 ‘김현탁 LED 램프’라고 이름을 붙였다.

좌측은 우측의 NDR(Negative Differential Resistance) 현상을 측정하는 도식도이다. MIT 소자에 전류 펄스를 가하고 동시에 MIT 소자에서 전압을 측정하는 것이다. 우측은 측정된 NDR 현상이다. 아래쪽 Square wave(초록)는 소자에 가해준 전류 펄스이며 위쪽은 전류펄스가 가파르게 올라갈 때, Peak에서 전압이 감소한다. 이것은 일정한 전류가 가해졌을 때(전류펄스) MIT가 일어나서 저항이 감소(Negative Resistance)해서 전압이 줄어든 것이다. 이것을 NDR 이라고 한다. 그림에서 금속영역(Peak 이 후 전압이 줄어든 곳)에서 큰 전류가 일정하게 흐른다 (전류펄스가 일정함).

이 새로운 램프는 현재 형광등 호환형 LED 램프 국내 안전규격이 없기 때문에 국내에서는 먼저 LED 램프 외장형을 만들어 상용화하면서 표준화(국내 형광등 호환형 LED 램프 안전규격은 컨버터 내장형임) 작업을 진행할 예정이다. 그러나 해외표준은 LED 램프의 방식을 제한하지 않기 때문에 해외 안전인증이 가능하다. 그래서 국내보다 큰 해외시장을 먼저 진출할 계획이다.

본 기술은 향후 형광등 호환형 LED 램프 외에도 교류전력을 사용하는 LED 등기구에 응용이 가능하여 호환형 램프가 아닌 등기구로 점차적으로 확대해 나갈 계획이다.

본 개발의 램프에는 NDR-MIT 스위칭 원리가 적용뿐만 아니라 MIT 트랜지스터인 HTR을 사용하고 있다. 김현탁 램프는 이전에 MIT 소자를 기술이전 받은 ㈜모브릭에서 추가 기술이전을 할 예정이다.

Yole Development Co. 에서 조사한 파워 전자공학의 시장규모다. NDR-MIT 스위칭은 파워 전자공학에서 핵심 기술이다. 따라서 위 시장규모는 MIT 전자공학의 시장규모로 간주될 수 있다. 파워 전자공학 시장에 포함되는 2007년(과거자료) 형광등 안정기 국내시장규모는 1,200억원 정도로 공개되었다.

본 개발에 사용되는 스위칭 안정기(전자식 안정기)를 포함하는 스위칭 파워 Electronics는 스위칭용 소자에서 시스템까지 세계시장 규모는 2020년 약 237.2조원 ($237.2B, B는 Billion)으로 보고되고 있다.

2007년 자료(과거자료)에 의하면 국내 형광등 안정기 시장규모는 1200억원으로 공개되었다. 지금은 더 증가된 것으로 예측한다. 글러벌 LED 조명시장은 2020년 약 USD 102 billion (약 102조원 정도) (source: Fuji Keizai).

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