LED 조명의 발전…차량용 애플리케이션까지 확대

고전력 LED 분야는 올해 120억 달러 시장 규모를 달성할 것으로 예상되며 2015년까지 연평균 성장률 30.6%를 기록하면서 202억 달러 규모까지 확대될 것으로 전망된다. 이러한 성장률을 주도할 것으로 예상되는 주요 애플리케이션 영역은 바로 차량 내부에 사용되는 LED이다. 하지만 이러한 성장률을 달성하기 위해 LED는 신뢰성 향상, 전력소모 절감, 보다 콤팩트한 폼 팩터 뿐만 아니라 명암비, 색상 정확도 등을 개선해야만 한다. 이 글에서는 조명의 역사에 대한 간단한 설명을 바탕으로 LED의 발전 과정을 살펴보고 향후 발전 방향을 예측해 본다.

Tony Armstrong 리니어 테크놀로지

서론

빛은 무엇이고 어디서, 어떻게 생성 됐으며 그 미래는 어떻게 될 것인가? 빛에 관한 이 질문들은 그 근원을 캐는데 도움을 주겠지만 이 글에서 이 모든 질문에 대한 해답을 제시할 수는 없다. 여기서는 약 140억 년 이전부터 현재에 이르는 빛의 역사를 간단히 살펴봄으로써 힌트를 제공하고자 한다.
그렇다면 왜 140억 년 전부터로 설정 했을까? 그 이유는 NASA의 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropic Probe) 덕분에 이것이 우주의 역사라는 것을 모두가 인지하고 있기 때문이다. WAMP는 가장 먼 근원지인 빅뱅(Big Bang) 자체의 차가운 화구(Cooling Fireball)로부터 방출된 마이크로웨이브를 감지해 매우 정확하게 우주의 지도를 그릴 수 있도록 설계된 것이다.
태양과 지구를 포함하고 있는 태양계는 우주 자체에 비해서는 상당히 젊은 축에 속하며 생성된지 불과 약 45억 년 정도밖에 지나지 않았다. 지구 빛의 주요 원천은 바로 이 태양이며 지금으로부터 약 40억 년 전쯤에야 달이 형성되었다.
그 형성과 관련해 융합(Fusion), 포획 (Capture), 동반형성(Co-Formation), 대충돌(Giant Impact) 등 네 가지 가정이 존재하지만 이것이 실제로 어떻게 이루어졌는지는 누구도 알지 못한다. 여하튼 그 형성 방법과는 관계없이, 달이 태양으로부터의 광자를 다시 지구 표면으로 반사함으로써 밤에도 추가적인 광원을 제공한다는 것은 모두가 잘 알고 있는 사실이다.
우주 시간으로 봤을 땐 매우 짧은 시간에 속하는 약 100만 년 전에는 인류 (호모 일렉투스)가 지구상에 출현하지 않았다는 것이 정설로 받아들여지고 있다. 분명한 것은 상당한 기간이 지난 이후야 인공 조명이 사용 가능해졌기 때문에 이러한 초기 인류는 그들의 주요 광원으로서 태양을 사용했다는 것이다.
사실 많은 과학자들이 초기 인류가 약 12만 5,000년 전에 이미 불을 제어 할 수 있었다는 것을 입증하는 확실한 증거가 있다고 주장하고 있다. 그들은 이때 최초의 인공 조명으로서 횃불이 만들어져 사용됐다고 설명한다.
하지만 선사시대 인류가 조명 목적으로 램프를 사용하기 시작한 것은 1만 7,000년 전에 불과하다. 이 램프들은 일반적으로 조개, 바위, 뿔 등으로 제작 됐으며 동물이나 식물성 지방을 연료로 채우고 섬유 심지를 사용했다. 이로부터 1만 년이 지난 이후에야 이들 램프의 연료로서 올리브, 콩, 참깨, 어유 등이 활용됐다.
이후 5,000년 동안 이 램프의 재료에는 많은 변화가 있었다. 그리고 기원전 500년경에 이르러서야 비로소 피타고 라스가 빛의‘입자’이론을 확립했다.
이 이론은 모든 가시 대상이 눈에 쏟아지는 지속적인 입자들의 흐름을 방출 한다고 가정한다.
이와 더불어 피타고라스는“빛은 촉수와 같이 행동하는 광선들로 구성되어 있고 눈으로부터 대상까지 직선으로 이동하며 시야에 대한 감각은 이들 광선들이 대상에 접촉했을 때 얻어진다”고주장했다.
한편, 서기 400년 이후에는 양초의 발명으로 조명이 다음 단계로 진화하기 시작했으며 이로부터 1,400년 동안 양초는 지배적인 광원으로 사용됐다.
또한 이 시기에 현대 조명에 있어서 중대한 의미를 갖는 발견이 1666년에 이루어졌는데, 당시 23세에 불과했던 이삭 뉴튼(Isaac Newton)이 그의 유명 한 프리즘 실험을 실행한 것이 바로 그것이다.
그는 태양광이 모든 컬러의 스펙트럼을 포함하고 있는 백색광이라는 사실에 주목하고 이를 기록했다.
이와 더불어 1752년에는 벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin)이 그의 기념비적인 연을 이용한 실험을 수행했다. 또한 그는 피뢰침을 발명하고 양극과 음극 전기에 대해 설명했다.
그리고 그로부터 약 100년이 지난 후, 백열 전구가 발명됨으로써 그 중요성이 입증됐다.
1792년 윌리암 머독(William Murdock)은 석탄 가열을 통해 가스를 생성하고 이것을 그의 영국 콘월의 집과 사무실에서 조명으로 사용하는데 성공 했다.
이를 통해 인공 조명을 생성하기 위한 연료로서 가스가 최초로 이용되는 발판이 마련됐다.
그 후 1800년대 초 천연가스가 발견 되면서 가스 조명이 가정, 사무실, 공장, 가로등에 채택돼 본격적으로 활용되기 시작했다.
이어서 1877년 토마스 에디슨(Thomas Edison)은 전기 조명에 관심을 갖고 실험을 진행했다. 그리고 1년 후 친구의 도움으로“전기로 빛, 열, 동력을 생성하는 데 사용되는 다양한 기구의 사용을 소유, 제조, 운영, 라이센스하는 것”을 목적으로 에디슨 전기 조명 회사 (Edison Electric Light Company)를 설립했다.
비록 에드슨은 전기 필라멘트 램프를 개발하지는 않았지만, 이론을 실행 가능한 형태로 전환하고 백열 조명을 성공적으로 시장에 출시한 최초의 사람으로서 기록됐다.
백열 램프를 포괄하는 첫 번째 특허는 사실 헨리 우드워드(Henry Woodward) 와 매튜 에반스(Matthew Evans) 가 에디슨의 램프가 개발되기 약 5년 전인 1874년에 출원했다.
하지만 1865년 진공 조명 전구 분야를 개척한 사람은 바로 독일 화학자 헤르만 스프렝겔(Herman Sprengel)이다.
이러한 배경 속에서 백열전구는 100 년 이상 동안 지속적인 각광을 받아왔지만, 이 또한 조명 분야에서 우위를 차지하려는 새로운 기술인 백색 LED(light emitting diode)에게 선두의 자리를 위협받고 있다.

백색 LED vs. 종말이 임박한 백열등 전구

LED는 반도체 디바이스로, 순방향으로 전극이 걸렸을 때 일관성이 없는 협 대역 스펙트럼(narrow-spectrum)의 빛을 방출해 결과적으로 전자발광의 형태가 되는 제품을 가리킨다.
다시 말해, 전기장에 영향을 받는 고체 형광체를 통해 전기 에너지를 빛으로 직접 변환시킬 수 있다.
방출되는 빛의 색깔은 사용되는 반도체 재료의 화학적 조합에 따라 결정되며 근자외선, 가시광선, 적외선 등이 여기에 포함된다.
LED 기술은 지난 20년 동안 상당한 발전을 보여왔다. 열 발산, 패키징, 공정 등과 관련해 많은 발전이 이루어지면서 명도 수준의 향상, 효율 향상, 수명의 증가, 비용의 감소 등이 달성됐다. 백열전구와 달리 LED는 탈 수 있는 필라멘트를 사용하지 않기 때문에 보다 빨리 냉각되는 특징을 갖는다. 뿐만 아니라 백열전구는 95％의 에너지를 열로 소모할 수 있다.
고전력 또는 고명도(HB, High Brightness) LED의 광 출력은 100lm/W 라는 중대한 시점을 이미 초과했다. 사실 일부 제조업체들은 이미 실험실 수준에서 200lm/W를 달성했다고 주장하고 있다.
LED가 시감도와 관련해 백열전구(일 반적인 60W 전구는 15lm/W)를 압도하고 있는 것은 분명한 사실이다. 즉, 루멘 단위로 측정되는 광원으로부터의 광 출력량은 이를 생산하는 데 소비되는 전력량의 비율에 따라 와트 단위로 측정 되고 있다.
심지어 향후 12개월 이내에 150lm/W의 출력을 제공하는 LED가 출시될 것으로 예상된다.
다른 추가적인 이점으로는 LED의 수명을 꼽을 수 있다. 백열전구의 수명은 계산 방법에 따라 달라질 수 있지만 약 1,200시간에서 1,500시간에 불과하다. 이에 반해 백색 LED 전구의 수명은 최소 50,000 시간의 수명이 보장되며 심지어 최대 100,000 시간의 수명을 나타내기도 한다.
HB LED 조명 비용 역시 매우 빠르게 감소하고 있다. LED 기반 전구에 복수로 적용돼 비용을 증가시키는 개별 백색 LED 비용은 수년 전 4달러였지만 현재는 1달러로 낮아졌다.
많은 LED 업계 분석가들은 향후 12개월 동안 백열전구에 대한 LED 전구 대체제품의 가격은 소비자가 수용 가능한 수준으로 낮아질 것이라고 전망하고 있다.
일부 LED 제조업체들은 75W 백열전구와 유사한 수준의 광 출력 제공이 가능한, LED 전구에 전력을 공급할 수 있는 발광칩(light-emitting chip)이 이미 설계됐다고 주장하고 있다. 이러한 형태의 LED 칩은 일반적으로 동일한 양의 빛을 생산하는 데 약 5W의 전력만을 필요로 한다.
이같은 발전들이 중요한 의미를 갖는 이유는 미국 에너지성(DoE, U.S. Department of Energy)이 미국에서 생산 되는 전기의 22％가 조명에 사용되고 있다고 보고했기 때문이다. LED 조명의 폭넓은 사용으로 이러한 소비량을 절반 수준으로 줄일 수 있을 것으로 예측 된다.
특히, 이를 기준으로 2027년까지 소비량을 전망해 보면, LED 조명은 5억 배럴의 석유에 해당하는 연간 에너지 사용량을 줄이는 동시에 이산화탄소 배출도 줄일 수 있을 것으로 보인다.

자동차도 LED를 필요로 한다

올해 HB LED 시장 규모는 120억 달러에 이를 것으로 예상되며, 2015년까지 연평균 성장률 30.6%를 보이며 성장해 202억 달러 규모에 도달한 것으로 전망되고 있다(스트래티지스 언리미티드 자료 인용).
이러한 성장률을 주도할 주요 애플리케이션 영역은 바로 차량 내부에 사용되는 LED이다.
애플리케이션 범위는 헤드라이트, 주간 주행등, 브레이크등에서부터 계기판 디스플레이 백라이트는 물론 모든 종류의 실내 인테리어 조명에 이르기까지 다양하다.
하지만 이러한 인상적인 성장률을 유지하기 위해서 LED는 신뢰성 향상, 전력소모 절감, 보다 콤팩트한 폼 팩터 등을 달성해야 할 뿐만 아니라 명암비, 색상 정확도 등을 개선해야만 한다.
뿐만 아니라 차량 환경에서 이러한 모든 개선 사항들을 최적화해야 하며 이와 동시에 상당히 엄격한 차량 전기와 물리적 환경을 극복할 수 있어야 한다. 반드시 이러한 솔루션들은 매우 낮은 프로파일과 콤팩트한 풋프린트를 제공하면서 동시에 전체 비용-효율성도 강화해야 한다.
그렇다면 차량용 조명 분야에서 이러한 인상적인 성장 잠재력을 지원하기 위해서는 어떻게 해야 할까? 우선 LED가 빛을 생성하는 데 있어서 백열전구 보다는 10배 이상, CCFL(cathode fluorescent lamp)를 포함한 형광램프보다는 2배 이상 효율적이어야 한다. 또한 이를 위해 해당 광 출력의 양을 제공하는데 필요한 전력량을 감소시킬 수 있어야 한다.
LED가 한층 발전함에 따라 그 유효성 또는 전원으로부터 광 출력을 생산하는 능력 역시 지속적으로 증대될 필요가 있다.
다음으로 현재와 같이 환경에 대한 인식이 높아진 상황에서 LED 조명은 CCFL 전구에서 일반적으로 사용되고 있는 독성이 포함된 수은 증기의 노출과 폐기에 대한 처리를 요구하지 않아야 한다. 간단히 말해, LED는‘그린’을 달성해야 한다.
마지막으로 백열전구는 일반적으로 약 1,000시간 사용 후 교체돼야 하지만, 형광등은 10,000시간 이상 동안 지속적으로 사용될 수 있다. 하지만 이러한 수치는 LED 조명에 의해 제공 가능한 100,000시간 이상의 수명 앞에서 그 의미가 무색해 진다.
대부분의 애플리케이션에서 LED는 이러한 연장된 동작 수명을 통해 영구적으로 최종 애플리케이션에 임베디드될 수 있다.
이것은 차량용 클러스터, 계기, 인포 테인먼트 패널 등의 백라이트에서도 중요하지만, 헤드라이트와 브레이크등에서도 필수사항이 되고 있는데 그 이유는 차량의 운행 수명 중에 이들을 교체할 필요가 없기 때문이다.
뿐만 아니라 LED는 대체 제품들과 비교가 되지 않을 정도로 소형화되고 콤팩트하게 제작되고 있으며 적색, 녹색, 청색의 LED를 구성해 사용할 경우 무한한 색상을 제공할 수 있다.
이와 같은 장점에도 불구하고 차량용 조명 시스템 설계자들이 직면한 최대의 장애물 중 하나는 최신세대의 LED가 제공하는 모든 기능과 이점을 어떻게 최적화시킬 것인가하는 점이다.
LED는 일반적으로 정확하고 효율적인 전류 소스와 디밍 방법을 요구하기 때문에 LED 드라이버 IC는 매우 다양한 동작 조건하에서 이러한 요구사항들을 해결할 수 있도록 설계돼야 한다. 뿐만 아니라 LED의 전력공급 솔루션은 매우 콤팩트하고 비용 효과적이면서도 효율적이고 강건하며 동시에 높은 신뢰성을 제공할 수 있어야 한다.
확실한 것은 LED 구동이 가장 어려운 애플리케이션 중 하나는 헤드램프 어셈블리(상하향 빔, 주간주행 등, 안개등, 방향지시등으로 구성)가 될 것으로 짐작 된다.
그 이유는 엄격한 차량용 전기 환경을 준수하면서 동시에 다양한 온도 조건들을 수용할 수 있어야 하기 때문이다. 더불어 매우 공간 제약적인 영역에 최적화 돼야 하며 매력적인 비용 구조를 제공해야 한다.

차량용 헤드라이트를 위한 신형 LED 드라이버 IC

LT3791은 동기식 4-스위치 벅-부스트 LED 드라이버와 전압 레귤레이터 컨트롤러로 차량용 헤드 램프 애플리케이션을 위한 HB LED를 구동시키는 데 이상적이다.
컨트롤러는 출력 전압보다 높거나 낮거나 동일한 입력 전압으로 동작한다. 이것은 동작 모드 사이에서 완벽한 전환 기능과 함께 4.5V에서 60V까지의 넓은 입력과 0V에서 60V까지의 넓은 출력 범위를 제공한다.
접지-기반의 레퍼런스 전압 피드백 핀(FB)은 그림 1의 다이어그램에 나타낸 바와 같이 복수의 LED 보호 기능을 위한 입력으로서 동작하며, 컨버터가 정 전압 소스로 동작할 수 있도록 돕는다. 또한 고장 방지 기능이 제공돼 개방 또는 단락 LED 조건에 대처하고 보고할 수 있으며, 타이머는 고장 발생 시 LT3791가 동작을 지속하거나 래치 오프 또는 재시작할 수 있도록 지원한다.
LT3791는 고유의 전류-모드 토폴로 지와 제어 아키텍처를 제공하며 벅 또는 부스트 모드 모두에 대해 전류 감지 레지스터를 사용한다.
감지된 인덕터 전류는 VC 핀(그림 2 참조) 상의 전압에 의해 제어되는데 이것은 피드백 증폭기 A11와 A12의 출력이 된다.
VC 핀은 3개의 입력에 의해 제어되는데 하나는 출력 전류 루프를 통해, 다른 하나는 입력 전류 루프, 마지막 하나는 피드백 루프로부터 나온다. 상대적으로 높은 피드백 루프가 우선 순위를 가지며 컨버터를 정전류 또는 정전압 모드로 강제 전환시킨다.
LT3791은 2개의 동작 모드 사이를 확실하게 전환할 수 있도록 설계됐다. 다시 한번 그림 2의 블록 다이어그램을 살펴보면, 전류 감지 증폭기 A1이 IVINP 과 IVINN 사이의 전압을 감지하여 증폭기 A11에 전치-이득(pre-gain)을 제공하는 것을 알 수 있다.
따라서 IVINP와 IVINN 사이의 전압이 50mV에 도달하면, A1의 출력은 IVINMON_INT을 A11의 반전 입력에 제공하고, 컨버터는 정전류 모드가 된다.
전류 감지 전압이 50mV을 초과할 경우에는 A1의 출력이 증가해 A11의 출력을 감소시킴으로써 출력에 전달되는 전류의 양을 줄어들게 만든다. 이러한 방법으로 전류 감지 전압이 50mV로 레귤레이션될 수 있다.
한편 출력 전류 증폭기는 입력 전류 증폭기와 유사하게 동작하지만 50mV 대신 100mV를 사용한다. 출력 전류 감지 수준 역시 CTRL 핀에 의해 조정 가능하다.
또한 CTRL이 1.2V 이하가 되도록 조절함으로써 ISMON_INT을 CTRL과 동일한 수준이 되게 하는 전류-수준 제어 기능이 제공되며 출력 전류 증폭기는 레일-투-레일 동작을 지원한다. 마찬가지로 FB 핀이 1.2V를 초과하면, A11의 출력이 감소하여 전류 수준이 줄어들고 출력을 레귤레이션할 수 있다. 이것이 바로 정전압 모드이다.
LT3791은 모니터링 핀 IVINMON과 ISMON을 제공하며 이들 각각은 입력과 출력 전류 증폭기를 통과하는 전압에 비례하는 것으로 확인됐다.


결론

차량을 포함한 모든 환경에서 LED 조명은 몇 가지 긍정적인 영향을 미친다. 우선 11.5년 이상의 이용 시간과 동일한 10만 시간 이상의 확고한 수명을 보장하기 때문에 대체의 필요성을 요구하지 않는다. 차량용 헤드라이트를 예로 들면, 대체를 위한 접근성을 필요로 하지 않으므로 자동차 제조업체들이 차체 프레임에 영구적으로 이것을 임베디드 시킬 수 있다.
또한 LED 조명 시스템은 백열전구와 같은 깊이나 공간을 요구하지 않기 때문에 스타일 역시 역동적으로 개선될 수 있다.
마지막으로 LED는 광 출력 제공 시 lumens/watt 단위로 측정되며 이는 형 광등보다 높은 효율성을 제공한다.
이로 인한 두 가지 긍정적인 효과를 기대할 수 있다. 첫째, 이것은 차량용 버스에서 보다 적은 전력을 소모할 수 있도록 하며 둘째로 헤드 램프에서 소산되어야 할 열의 양을 감소시키는 중요한 역할을 한다. 따라서 부피가 크고 비용이 비싼 히트 싱크에 대한 필요성을 제거한다.
마지막으로 약 140억 년 전 빅뱅부터 LED가 새롭게 주도하고 있는 현재의 조명시스템에 이르기까지 여기서 소개 한 조명의 간략한 역사를 흥미롭게 읽었으면 하는 기대를 가져본다. 돌이켜보면 인공 조명 요소의 경우 혁신의 속도가 기하급수적인 수준에 도달한 것을 알 수 있다. 무엇보다 백열전구의 시대가 사라지고 있는 반면 LED의 미래는 밝다는 점은 부인할 수 없다.