[초급] PWM은 빠르게 깜빡일 뿐인데, 어떻게 LED 밝기가 조절될까?

[초급] PWM은 빠르게 깜빡일 뿐인데, 어떻게 LED 밝기가 조절될까?

MCU 핀은 ‘켜짐’(이 글에선 3.3V)과 ‘꺼짐’(0V) 두 가지만 낼 수 있어서, 거기 연결된 LED도 켜졌다 꺼졌다만 해요. 눈이 따라가지 못할 만큼 빠르게 깜빡이면 눈은 그 평균만 느끼고, 그래서 한 번 깜빡일 때 켜져 있는 시간의 비율, 즉 듀티가 곧 평균 빛의 양이 돼요. 다만 눈은 평균을 정직하게 느끼지 않아서, 듀티 50%는 반 밝기가 아니라 약 76%로 느껴져요.

먼저 알아둘 용어

용어	원래 이름	쉽게 말하면
PWM	Pulse Width Modulation (펄스 폭 변조)	켜 두는 ‘시간 길이’로 세기를 조절하는 방법. 수도꼭지를 틀었다 잠갔다 하는 박자
듀티	Duty Cycle (듀티 사이클)	한 번 깜빡일 때 켜져 있는 시간의 비율(%). 컵에 물을 채운 비율
주기	Period	한 번 켜졌다 꺼지는 데 걸리는 시간. 박자 한 마디
주파수	Frequency (단위 Hz, 헤르츠)	1초에 몇 번 깜빡이는지. 1 ÷ 주기
CRT	Cathode Ray Tube (음극선관, 브라운관)	전자 빔으로 형광 물질을 한 줄씩 빛나게 해 그림을 그리는 옛날 뚱뚱한 모니터
LCD	Liquid Crystal Display (액정 디스플레이)	뒤에서 비추는 조명을 액정이 가리고 열어 그림을 만드는 요즘 모니터
주사율	Refresh Rate (단위 Hz)	1초에 화면 전체를 다시 그리는 횟수. 60Hz면 1초에 60번
백라이트	Backlight	화면 뒤에서 비추는 조명(요즘은 대부분 LED). 모니터 밝기는 이걸 깜빡여서 조절하기도 해요
MCU	Micro Controller Unit (마이크로컨트롤러)	핀을 켰다 껐다 해 주는 작은 컴퓨터 칩
LED	Light Emitting Diode (발광 다이오드)	전기가 흐르면 빛나는 부품. 전류가 많을수록 밝아져요
타이머	Timer	MCU 안의 스톱워치. 박자에 맞춰 숫자를 세요
Compare 값	Compare Value (비교값)	타이머가 이 숫자를 세기 전까지만 핀을 켜 둬요. 듀티를 정하는 눈금
멀티미터	Multimeter	전압·전류·저항을 재는 기본 측정기. 반응이 느려서 빠른 깜빡임은 평균으로 보여 줘요
오실로스코프	Oscilloscope	전압이 시간에 따라 어떻게 변하는지 그려 주는 측정기. 전압용 초고속 카메라
플리커	Flicker	깜빡임이 눈이나 카메라에 보이는 현상
CIE L*	CIE Lightness (국제조명위원회 밝기 척도)	사람 눈이 느끼는 밝기를 0~100 숫자로 바꾸는 공식
스티븐스 법칙	Stevens' Power Law (스티븐스의 거듭제곱 법칙)	자극이 2배 세져도 느낌은 2배보다 덜 커진다는 규칙. 빛은 대략 제곱근~세제곱근만큼
감마 보정	Gamma Correction	눈이 느끼는 밝기에 맞춰 듀티를 미리 휘어서 주는 것

이런 일 겪어본 적 있나요? 모니터를 카메라로 찍으면 줄무늬가 생겨요

옛날 뉴스 화면에서 CRT 모니터, 흔히 말하는 브라운관을 찍은 장면을 보면 굵은 검은 띠가 화면 위를 천천히 굴러가요. 지금도 폰 카메라로 모니터를 찍으면, 눈으로는 멀쩡한데 옅은 가로 줄이 보일 때가 있고요. 둘 다 ‘눈보다 빠른 깜빡임’을 카메라가 잡아낸 거예요.

브라운관 시절이 제일 심했어요. CRT는 그림을 한 번에 띄우지 않았어요. 전자 빔이 화면 맨 위부터 한 줄씩 그어 가며 형광 물질을 빛나게 하고, 그 빛은 금방 사그라들어요. 1초에 화면 전체를 다시 그리는 횟수를 현업에선 주사율이라고 부르는데, 보통 60~85Hz였어요. 카메라가 찍는 박자와 주사율이 어긋나면 막 사그라든 줄들이 검은 띠로 찍혀서 굴러가요. 60Hz에선 눈에도 미세한 떨림이 느껴져서, 그때는 모니터 설정에서 주사율을 75Hz나 85Hz로 올려 쓰곤 했죠.

요즘 모니터는 백라이트가 범인이에요. LCD 모니터는 새 그림을 그리는 동안에도 이전 그림을 붙잡고 있어서, 주사율 때문에 생기는 굵은 띠는 거의 사라졌어요. 대신 화면 뒤에서 비추는 조명인 백라이트를 아주 빠르게 껐다 켜서 밝기를 조절하는 모니터가 많아요. 이게 오늘 주제인 PWM이에요. 밝기를 낮출수록 꺼진 시간이 길어져서 카메라엔 줄이 더 진하게 남고요. ‘플리커 프리’라고 광고하는 모니터는 이 깜빡임을 없애거나 보이지 않을 만큼 빠르게 만든 제품이에요.

그런데 이상하지 않나요? 전압이 시간에 따라 어떻게 변하는지 그려 주는 측정기인 오실로스코프로 MCU의 LED 핀을 찍어 보면, 3.3V와 0V만 번갈아 나오고 1.65V 같은 중간 전압은 어디에도 없어요. 켜짐과 꺼짐뿐인데 어떻게 ‘중간 밝기’가 나올까요? 게다가 직접 듀티 50%를 줘 보면 ‘반’이라기엔 꽤 밝아요. 오늘은 이 ‘왜?’들을 같이 풀어볼게요.

PWM 원리: 눈은 빛을 모아 담는 느린 컵이에요

수도꼭지를 1초에 1,000번 열었다 잠갔다 한다고 상상해 보세요. 물줄기는 뚝뚝 끊기지만, 아래 받친 컵에는 ‘평균만큼’ 물이 차요. 절반은 열고 절반은 잠그면 컵에는 절반 속도로 물이 차죠.

눈도 똑같아요. 눈은 빛을 아주 짧은 순간씩 끊어 보는 게 아니라, 조금씩 모아 두었다가 한꺼번에 느끼는 느린 컵이에요. LED가 너무 빨리 깜빡이면 눈은 켜짐과 꺼짐을 따로 보지 못하고, 컵에 쌓인 평균만 느껴요.

그림 1. 수도꼭지(LED)를 열어 두는 비율이 커질수록 컵(눈)에 쌓이는 빛도 늘어나요. 물줄기 자체는 언제나 ‘켜짐 아니면 꺼짐’이에요.

여기서 한 번 켜졌다 꺼지는 한 마디의 시간을 주기, 1초에 몇 마디를 반복하는지를 주파수라고 해요. 그리고 한 마디 안에서 켜져 있는 시간의 비율이 바로 듀티예요. 이렇게 ‘켜 두는 시간 길이’로 세기를 조절하는 방법 전체를 현업에선 PWM이라고 불러요.

MCU는 이걸 어떻게 만들까요? MCU 안에는 박자에 맞춰 숫자를 세는 스톱워치, 타이머가 있어요. 타이머가 0부터 999까지 세는 걸 한 주기로 정하고, “500을 세기 전까지만 켜기”라고 기준 숫자를 정해 주면 듀티 50%가 돼요. 이 기준 숫자를 현업에선 Compare 값이라고 불러요.

PERIOD_COUNT  = 1000        // timer counts 0 .. 999  ->  one period
COMPARE_VALUE = 500         // LED is ON while count < 500  ->  50 % duty

on every timer tick:
    timer_count = timer_count + 1
    if timer_count >= PERIOD_COUNT:
        timer_count = 0                 // start the next period

    if timer_count < COMPARE_VALUE:
        PIN_LED = ON
    else:
        PIN_LED = OFF

PERIOD_COUNT는 한 주기 동안 세는 숫자, COMPARE_VALUE는 켜 두는 기준 숫자예요. 실제로는 이 비교를 타이머 하드웨어가 알아서 해 주니, 쓰는 MCU의 PWM 설정 방식에 맞게 바꾸면 돼요.

얼마나 밝아질까? PWM 듀티로 평균 전압 [예상]하기

말로 먼저 풀면: 평균 = 켜졌을 때 전압 × 켜져 있는 비율 평균 전압 = 전원 전압 × 듀티 ÷ 100

사례 조건은 3.3V 핀에 듀티 50%, 주파수 1kHz(1초에 1,000번)예요. 계산하면 3.3V × 50% = 1.65V, 빛의 양도 최대의 50%예요. 그러니 “반 밝기로 보이겠지”라고 예상할 수 있어요. 주파수는 가만히 바라볼 때 보통 100Hz쯤만 넘겨도 눈에 깜빡임이 안 보인다고 알려져 있어서, 1kHz면 넉넉하다고 예상했어요.

PWM 밝기 계산기

전원 전압 (V)

듀티 (%)

주파수 (Hz)

노란 칸이 켜진 시간, 파란 점선이 평균이에요. 듀티를 바꾸면 칸의 폭이, 주파수를 바꾸면 같은 시간 안의 깜빡임 횟수가 바뀌어요.

평균 전압

1.65 V

빛의 양 (최대 대비)

50%

눈이 느끼는 밝기

76%

주기 (한 번 깜빡이는 시간)

1.00 ms

그중 켜져 있는 시간

500 µs

반 밝기로 보이려면 듀티

약 18%

충분해요: 눈에도 카메라에도 깜빡임이 거의 안 보여요

화면은 1kHz 깜빡임을 그대로 보여 줄 수 없어서, 평소엔 평균 빛의 양으로 흉내 냈어요. 버튼을 누르면 듀티만큼 켜졌다 꺼지는 모습을 느리게 볼 수 있어요.

[예상] 3.30V × 50% = 평균 1.65V, 빛의 양 50% → 그만큼의 밝기로 보일 것. 1000Hz → 깜빡임이 안 보일 것.

정말 그런지 확인: 듀티와 주파수를 바꿔 가며 보기

준비물은 저항을 단 LED 하나와 멀티미터, 가능하면 오실로스코프예요. 멀티미터는 반응이 느려서 빠른 깜빡임을 평균값으로 보여 주거든요. 딱 우리 눈처럼요. 먼저 듀티를 바꿔 가며 밝기와 전압을 보고, 다음엔 듀티를 50%로 고정한 채 주파수만 바꿔 봐요.

PWM_Init(PIN_LED, FREQ_HZ = 1000)

// Test 1: change duty, watch brightness + read the multimeter
for duty in [10, 25, 50, 75, 100]:
    PWM_SetDuty(PIN_LED, duty)
    Delay_ms(5000)

// Test 2: fix duty, change frequency, look for flicker (eye + phone camera)
PWM_SetDuty(PIN_LED, 50)
for freq in [10, 50, 200, 1000]:
    PWM_SetFrequency(PIN_LED, freq)
    Delay_ms(5000)

PWM_SetDuty는 켜 두는 비율(%)을, PWM_SetFrequency는 1초에 깜빡이는 횟수를 바꾸는 함수라는 뜻이에요. 쓰는 MCU의 PWM 함수나 레지스터 설정에 맞게 바꾸면 돼요.

[결과] 예상이 맞았을까? PWM 평균 전압은 맞고, 눈은 달랐어요

그림 2. 파란 점선은 예상(빛의 양 = 듀티), 초록 선은 눈이 느끼는 밝기, 분홍 점은 멀티미터로 잰 평균 전압(3.3V 대비 %)이에요. 계산기 값을 바꾸면 표시점이 따라 움직여요.

듀티	[예상] 평균 전압	[결과] 멀티미터	[예상] 밝기	[결과] 눈이 느끼는 밝기
10%	0.33 V	0.33 V	10%	38%
25%	0.82 V	0.82 V	25%	57%
50%	1.65 V	1.64 V	50%	76%
75%	2.48 V	2.46 V	75%	89%
100%	3.30 V	3.28 V	100%	100%

평균 전압은 예상과 거의 같았어요. 0.01~0.02V쯤 낮게 나온 건 MCU 핀이 켜졌을 때 전압이 3.3V가 아니라 3.28V 정도라서예요. 핀 안쪽 스위치를 지나면서 전류가 흐를 때 살짝 떨어지거든요. 정확히 계산하려면 ‘실제로 켜졌을 때 전압 × 듀티’로 보면 돼요. 첫 번째 ‘왜?’의 답이 이거예요. 중간 전압은 없어도, 평균은 있어요.

눈이 느끼는 밝기는 예상과 크게 달랐어요. 빛의 양은 정말 50%인데 눈은 76%쯤으로 느껴요. 눈은 어두운 쪽 변화에는 아주 예민하고 밝은 쪽 변화에는 둔하게 만들어졌거든요. 캄캄한 방에선 촛불 하나도 환하지만, 대낮엔 촛불을 켜도 티가 안 나는 것처럼요. 이렇게 ‘눈이 느끼는 밝기’를 숫자로 옮긴 공식을 현업에선 CIE L*라고 불러요. 이 공식을 거꾸로 풀면, 반 밝기로 보이게 하려면 듀티를 50%가 아니라 약 18%로 줘야 해요.

왜 하필 76%일까요? 근거는 이래요.

말로 먼저 풀면: 눈이 느끼는 밝기 ≈ 빛의 양을 세제곱근으로 ‘눌러 준’ 값 눈이 느끼는 밝기 = 116 × ∛(빛의 양) − 16

CIE L*는 국제조명위원회가 1976년에 정한 기준이에요. 사람들이 회색 단계를 ‘같은 간격’으로 느끼는지 조사한 실험 결과를 바탕으로 만든 식이에요. 여기에 빛의 양 0.5(50%)를 넣으면 116 × 0.794 − 16 = 76.1, 그래서 약 76%예요. 거꾸로 ‘딱 반’으로 보이는 지점을 찾으면 빛의 양 18.4%가 나와요. 사진과 모니터 쪽에서 중간 회색을 ‘18% 회색’이라고 부르는 것도 같은 이유예요.

다른 근거도 있어요. 자극이 몇 배 세져도 느낌은 그보다 덜 커진다는 스티븐스 법칙인데, 빛의 밝기는 대략 빛의 양의 0.33~0.5제곱만큼 느껴진다고 알려져 있어요. 듀티 50%를 넣으면 0.5^0.5 ≈ 71%, 0.5^0.33 ≈ 80%가 나오죠. 그러니 76%는 딱 떨어지는 정답이라기보다, 보는 환경(주변이 어두운지, 작은 점처럼 보이는 빛인지)에 따라 70%대 중후반으로 느껴진다는 뜻으로 보면 돼요.

주파수	한 번 깜빡이는 시간	[결과] 눈으로 볼 때	[결과] 폰 카메라로 볼 때
10 Hz	100 ms	뚜렷하게 깜빡여요	깜빡여요
50 Hz	20 ms	정면은 괜찮지만 곁눈질하면 떨려 보여요	진한 줄무늬
200 Hz	5 ms	안 보여요	옅은 줄무늬가 남아요
1,000 Hz	1 ms	안 보여요	거의 안 보여요

이렇게 깜빡임이 눈이나 카메라에 보이는 현상을 플리커라고 해요. 눈 기준으로는 예상대로 200Hz부터 안 보였지만, 폰 카메라는 눈보다 훨씬 짧게 끊어 찍어서 200Hz에서도 줄무늬가 남았어요.

[최종 확정] 주파수는 1kHz, ‘반 밝기’는 듀티 18%, 여러 단계 밝기는 눈 기준 표(아래 현장 팁)로 정했어요.

PWM LED 밝기 조절 현장 팁

밝기 단계는 ‘눈 기준 표’로 만드세요. 버튼으로 10단계 밝기를 만들면서 듀티를 10%, 20%… 똑같이 올리면, 아래 단계는 확확 밝아지고 위쪽 단계는 차이가 거의 안 느껴져요. 눈이 느끼는 밝기가 같은 간격이 되도록 듀티를 미리 계산해 표로 넣어 두는 걸 현업에선 감마 보정이라고 불러요. 아래 표는 CIE L* 공식을 거꾸로 풀어 만든 값이에요.

// duty (%) that LOOKS like 0 %, 10 %, 20 % ... 100 % to the eye
DUTY_FOR_LEVEL[11] = { 0.0, 1.1, 3.0, 6.2, 11.3, 18.4, 28.1, 40.7, 56.7, 76.3, 100.0 }

function LED_SetBrightnessLevel(level):        // level: 0 .. 10
    if level > 10:
        level = 10

    PWM_SetDuty(PIN_LED, DUTY_FOR_LEVEL[level])

DUTY_FOR_LEVEL은 ‘눈에 보이는 단계’를 ‘실제로 줄 듀티’로 바꿔 주는 표예요. 쓰는 MCU가 듀티를 0~1000 같은 정수로 받는다면 값에 10을 곱해서 넣으면 돼요.

딜레이로 핀을 켰다 껐다 하는 방식은 피하세요. 메인 루프에서 Delay로 직접 토글하면 다른 일이 끼어들 때마다 박자가 흔들려서, 주파수가 충분해도 LED가 가끔 움찔해요. 타이머 하드웨어로 만든 PWM을 쓰면 CPU가 바빠도 박자가 일정해요.

깜빡임은 폰 카메라로 먼저 확인하세요. 오실로스코프가 없어도 폰 카메라(특히 슬로모션)로 LED를 비추면 플리커가 줄무늬로 보여요. 줄이 진하면 주파수를 올리면 돼요.

자주 묻는 질문 (FAQ)

PWM 주파수는 무조건 높을수록 좋나요?

아니에요. 주파수를 올리면 타이머가 한 주기 동안 셀 수 있는 숫자가 줄어서 듀티를 잘게 나누기 어려워지고, 켜고 끌 때마다 생기는 열 손실도 늘어요. LED 밝기 조절이라면 1kHz 안팎에서 시작해서, 카메라에 줄무늬가 보이면 올리는 식으로 정하면 돼요.

멀티미터로 PWM을 재면 왜 평균 전압이 나오나요?

멀티미터는 값을 천천히 모아서 보여 주는 느린 측정기라서 1kHz 깜빡임을 따라가지 못하고 평균을 보여 줘요. 주파수가 수십 Hz처럼 낮으면 숫자가 흔들리니, 그때는 오실로스코프로 보세요.

듀티 50%인데 왜 반 밝기로 안 보이나요?

빛의 양은 정말 50%가 맞아요. 눈이 어두운 쪽 변화에 예민해서, 사람 눈 밝기 공식인 CIE L*로 계산하면 약 76%로 느껴져요. 스티븐스 법칙으로 봐도 71~80% 범위예요. 반 밝기로 보이게 하려면 듀티를 약 18%로 주세요.

모터 속도 조절도 같은 원리인가요?

네. 모터는 몸이 무거워서 빠르게 멈췄다 섰다 하지 못하니, 평균 전압만큼 돌아요. 다만 주파수가 사람 귀에 들리는 범위면 모터에서 ‘삐-’ 소리가 날 수 있어요.

정리: PWM 밝기 조절은 ‘평균’과 ‘눈’의 합작이에요

PWM은 중간 전압을 만드는 게 아니라, 켜짐과 꺼짐을 아주 빠르게 반복해서 평균을 만드는 방법이에요. 듀티가 평균 빛의 양을 정하고, 주파수가 충분히 높아야 눈이 그 평균만 느껴요. 다만 눈은 어두운 쪽에 예민해서 듀티 50%가 76%쯤으로 보이니, 사람이 보는 밝기를 다룰 땐 감마 보정 표를 함께 쓰면 돼요. 모니터를 찍을 때 생기던 줄무늬도, 결국 눈보다 빠른 카메라가 이 깜빡임을 잡아낸 플리커였던 거예요.

참고 자료

• CIE 015:2018, Colorimetry, 4th ed. — 눈이 느끼는 밝기(L*) 공식의 원본 규격 (doi.org/10.25039/TR.015.2018)
• S. S. Stevens, “On the psychophysical law,” Psychological Review, 64(3), 153–181, 1957 — 스티븐스 법칙 원 논문 (doi.org/10.1037/h0046162)
• IEEE Std 1789-2015, Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers — PWM 깜빡임(플리커) 주파수 권고, 2026년 현재 비활성(보존) 상태 (standards.ieee.org)