과거 백열전구에서 전자 조명으로 대체된 것은 현재 자동차 산업에서 자동차 조명에 일어나고 있는 변화와 유사해 보인다. 적색 LED가 십여 년 이상 미등에 한정적으로 사용되었지만, 최근 들어 LED 채택률이 주목할 만한 수준으로 늘어난 차량 실내등과 전방 조명 시스템에서도 사용되고 있다. 이 글에서는 최근 괄목할만한 성장을 거듭하고 있는 LED 헤드램프에 대해 알아본다.
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미국에서는 2013년 말에 대다수 가정에서 흔히 사용되던 40W와 60W 백열전구의 생산과 수입이 금지되었으며(구매는 가능), 75W와 100W 전구는 2012년에 이미 퇴출되었다. 이러한 변화는 EPA가 보다 높은 전기-빛 전환 출력 효율을 요구한 데 따른 것이다.
물론 이에 앞서 일차적 목적은 전력 소모의 14% 가량을 차지하는 가정용 조명의 전기 소비와 그에 따른 전력 생산을 줄이기 위한 것이다(출처 : 미국 EIA). 이후 동일한 양의 루멘 출력을 생성하는 데 기존 전력의 1/8만 소요하는 LED 조명이 백열전구를 대신해 우리 주변에 광범위하게 자리 잡고 있다.
과거 백열전구에서 전자 조명으로 대체된 것은 현재 자동차 산업에서 자동차 조명에 일어나고 있는 변화와 유사해 보인다. 적색 LED가 십여 년 이상 미등에 사용되었지만, 최근 들어 LED 채택률이 주목할 만한 수준으로 늘어난 차량 실내등과 전방 조명 시스템에서도 사용되고 있다. 예를 들어 LED는 차량 내부 표시등에 70% 이상, 계기판 디스플레이 백라이트용으로 45% 이상 채택되고 있다.
이와 대조적으로 주간 주행등(DRL)은 55% 이상 채택되고 있지만, 현재 헤드램프의 채택률은 약 5%에 머물러 있다. 헤드램프(하향등, 상향등, 안개등)가 단일 규모로 가장 큰 부분을 차지하고 있음에도 가장 낮은 채택율을 보이는 이러한 현상은, 개인적으로 모순처럼 보인다. 이러한 명백한 모순을 설명해주는 주요한 이유 중 하나는 자동차 업체가 이를 도입하는 데 따르는 비용이 소비자의 가격 부담으로 이어지기 때문이다.
자동차 헤드램프의 LED 조명 솔루션
헤드램프의 채택률이 낮은 배경을 살펴보기에 앞서 많은 운전자를 포함한 OEM이 LED 조명 솔루션을 선호하는 이유를 알아보는 것이 선행되어야 한다. 여기에는 다음과 같은 주요 특징들이 포함된다.
• 성능과 설계 유연성 : LED는 소형 폼팩터로 인해 설계 유연성이 높아 넓은 디밍 범위를 제공할 수 있다. 사람의 눈은 광 출력의 작은 변화에도 매우 민감하다.
• 에너지 절감과 낮은 CO2 배출 : LED는 구동에 필요한 에너지가 적어 전력 효율이 높을 뿐 아니라 훨씬 긴 수명 주기를 갖는다.
• 비용 : 헤드램프 이외의 애플리케이션에서는 그렇지 않겠지만, 자동차 헤드램프에서는 반대로 느껴질 수 있을 것이다. 하지만, 장기적 비용 감소, 내구성 및 탁월한 품질은 LED가 더 우수하다는 것을 보여준다.
• 규제 : DRL(주간 주행등, daytime running lights) 및 헤드램프뿐 아니라 기타 조명 애플리케이션 요건을 지정하는 정부 규정은 LED 조명 수요를 증가시키고 있다.
LED 분야에서 남보다 앞선 리더로 아우디를 꼽는다면, 누구도 이의를 제기하지 않을 것 같다. 아우디는 거의 모든 외장 자동차 조명 애플리케이션에 LED를 도입했다. 아우디의 유명한 눈썹 모양의 DRL은 백미러에서 보면 누구라도 쉽게 알아볼 수 있다. 뿐만 아니라 아우디는 2004년 아우디 R8 모델에 최초로 LED 헤드램프를 채택한 바 있다.
그렇다면 LED 헤드램프가 다른 형태의 자동차 LED 조명처럼 확산되지 못한 이유는 무엇일까?
짐작하겠지만, 가장 큰 이유는 비용이다. 헤드램프에서 LED 사용을 대신할 수 있는 조명에는 백열전구, 할로겐전구 또는 HID(high-intensity discharge) 제논 전구가 있다.
LED는 할로겐 헤드램프(1962년 유럽에 최초로 도입되었으며, 미국은 1978년이 지나서야 채택)보다 최대 100%, HID 제논 전구보다 1.5배 더 많은 비용이 들 수 있다. HID 제논 헤드램프와 비교 가능한 성능을 달성하려면 저성능 할로겐 램프의 경우보다 훨씬 더 비싼 LED 솔루션을 필요로 한다. 최초의 HID 제논 헤드램프는 1991년 BMW 7 시리즈에 등장했다.
일반적으로 LED 헤드라이트는 발광 면에서 할로겐과 HID 램프 사이이지만, 수렴성이 뛰어난 광선을 제공하고 다양한 형태를 생성하도록 제어할 수 있다는 장점이 있다. 또한 작은 크기 덕분에 조작이 자유로워 자동차 제조업체들은 자신들의 모델과 일치하는 모든 종류의 형태의 어셈블리를 제작할 수 있다.
LED는 빛을 낼 때 열을 발산하지 않지만, 전기가 통과할 때 이미터 바닥에서 일정한 양의 발열이 생성되므로 인접한 어셈블리와 연결 케이블에 잠재적 위험을 초래할 수 있다. 이러한 이유로 LED 헤드램프는 인접 부위가 녹는 것을 방지하기 위해 히트 싱크나 팬과 같은 쿨링 시스템을 필요로 한다.
더욱이 이러한 쿨링 시스템은 엔진 기관실 안에 위치하게 되는데, 이 영역은 일부 다른 시스템들이 적절한 온도를 유지하기 위해 만들어진 곳이므로 온도가 그리 낮지 않다. 이는 자동차에서 LED 헤드라이트의 설계와 구현을 어렵게 만들고, HID보다 더 비싸게 만드는 또 다른 원인이다(그림 1).
그림 1. 매트릭스 LED 헤드램프가 어떻게 빛을 분산시키는지를 보여주는 예
그러나 이것이 전부가 아니다. 최근 미국 경제 통상 언론 보도를 통해 아우디가 현재 고성능 R8에 옵션으로 레이저 상향등을 제공한다는 기사가 나왔다.
이 시스템은 앞의 차량에 직접 빛을 조사하지 않으면서 상향등을 작동한 상태로 전방에 8대나 되는 차량이 있어도 자체적 조절이 가능한 탁월한 성능을 갖추고 있다. 아우디의 레이저 라이트는 LED 상향등에 비해 2배 더 먼 거리(500피트 이상)를 비출 수 있어 운전자가 더 넓은 거리 가시성을 확보할 수 있게 한다.
LED 채택을 용이하게 하는 새로운 IC
전기 전류가 필라멘트를 통과하도록 광 출력을 생성하기만 하면 되는 백열전구와 달리 LED는 구동을 위한 전문적인 집적 회로를 필요로 한다(그림 2).
그림 2. I2C 8스위치 매트릭스 디머 LED 드라이버 IC
오늘날 LED 드라이버 IC가 반드시 갖춰야 하는 하나의 핵심적인 성능 특성은 적절한 LED 디밍 기능이다. LED는 정전류로 구동되며, DC 전류 레벨은 LED 밝기에 비례한다. LED 밝기를 다르게 하기 위해 LED 전류를 제어하는 두 종류의 광 디밍 방법이 있다.
첫 번째 방법은 일정한 LED 전류 레벨을 낮춤으로써, 그와 비례해 LED DC 전류 레벨을 낮추는 아날로그 디밍이다. LED 전류를 낮추면 LED 컬러가 변화한다. 그렇지 않으면 LED 전류가 부정확하게 제어된 경우이다.
두 번째 방법은 디지털 또는 펄스 폭 변조(PWM) 디밍이다. PWM 디밍은 100Hz 또는 그보다 높은 주파수에서 LED를 온/오프 전환하며, 이는 사람의 눈에는 인식되지 않는다. PWM 디밍 듀티 사이클은 LED 밝기에 비례하며, 온-시간 LED 전류는 LED 드라이버 IC에 의해 설정된 동일한 레벨로 유지되므로, 높은 디밍 비에서도 일정한 LED 컬러를 유지할 수 있다. 이 PWM 디밍 방법은 일부 애플리케이션에서 3,000:1 비율로 사용할 수 있다.
특히 고휘도 LED를 구동하는 경우 리니어 테크놀로지의 LED 드라이버 IC는 입력 전압 범위와 필요한 출력 전압 및 전류 요건을 모두 만족하는 변환 토폴로지로 다양한 종류의 많은 LED 구성에 적합한 충분한 전류와 전압을 공급할 수 있다.
리니어 테크놀로지의 고휘도 LED 드라이버 IC는 일반적으로 다음과 같은 장점을 갖고 있다.
• 넓은 입력 전압 범위
• 넓은 출력 전압 범위
• 고효율 변환
• 엄격하게 레귤레이트된 LED 전류 정합
• 낮은 잡음, 정주파수 동작
• 독립적인 전류 및 디밍 제어
• 넓은 디밍 범위 비
• 초소형 풋프린트 및 외부 부품 최소화
리니어 테크놀로지는 자동차 헤드램프에 주로 사용되는 LED 구동을 위한 특정 설계 요구를 만족하는 광범위한 제품을 갖추고 있다. 예를 들어 최근 출시된 신제품 LT3965는 80V 입력 및 출력 전압 지원, 정전류, 정전압 컨버터이다. 이 토폴로지는 고전류 LED를 구동할 수 있게 한다(그림 3).
그림 3. 직렬 LED 스트링을 구동하는 LT3956 회로도
또한 3.3A에서 84V로 정격 지정된 내부 로우 사이드 N-채널 전력 MOSFET을 탑재하고 있으며, MOSFET은 레귤레이트된 내부 7.15V 전원으로 구동된다.
고정 주파수, 전류 모드 아키텍처는 넓은 범위의 전원과 출력 전압에서 안정적인 동작을 제공한다. 접지 기준 전압 FB 핀은 다양한 LED 보호 기능을 위한 입력으로 사용할 수 있으며, 컨버터가 정전압 소스로서 생성할 수 있게 한다. 주파수 조정 핀은 사용자가 100kHz~1MHz 범위에서 주파수를 프로그래밍하면서 효율, 성능 또는 외부 부품 크기를 최적화할 수 있게 한다.
더불어 LED 스트링의 하이 사이드에서 출력 전류를 감지한다. 이는 통상 하이 사이드 전류 감지라고 하며, LED 구동을 위한 가장 유연한 구조이므로 부스트, 벅 모드 또는 벅 부스트 모드 구성이 모두 가능하다.
아직까지 LED 헤드램프 채택률은 낮은 수준이지만, 성능의 발전이 빠르게 이루어지고 있기 때문에 자동차 제조업체들이 더 이상 LED 헤드램프 채택을 미룰 수 없으리라고 확신한다.
이러한 이유에는 향상된 운전자 안전, 바디 스타일링 유연성, 에너지 절감은 물론이고 깨끗하고 유려한 외관이 포함된다. 앞으로 도로를 달릴 때 매트릭스 조명이 없는지 주의 깊게 살펴보자. 이제 곧 자주 눈에 띄는 매트릭스 조명과 백미러를 통해 LED 헤드램프의 사용을 목격하게 될 것이다.
토니 암스트롱 _ 리니어 테크놀로지
