ROHM′s Automotive Lighting Solutions
로옴의 자동차 라이팅용 솔루션
2020년 05월호 지면기사  /  글|로옴(ROHM)

 
로옴은 차량용 소형, 고신뢰성 LED와 더불어 LED의 점등을 제어하기 위해 꼭 필요한 LED 드라이버 IC를 개발해 차량용 라이팅에 최적인 솔루션을 제안하고 있다. 이 글에서는 로옴이 보유한 특징 있는 기술과 제품에 대해 소개한다.

글|로옴(ROHM)



자동차 기술은 커다란 변혁을 맞이하고 있다. 자동운전 기술에 필요한 안전 및 센싱 기능의 진화를 많은 전자부품이 뒷받침하고 있다는 것은 잘 알려져 있는 사실이다.
헤드 램프 및 리어 램프로 대표되는 외장 램프에 있어서도 기존의 벌브(Bulb) 타입에서 LED (Light Emitting Diode) 램프로 광원의 기술 진화가 계속되고 있다. 최근에는 LED를 점등시키는 것뿐만 아니라, 빛을 제어함으로써 안전성을 높인 제품도 보급되고 있다. 또 2륜 자동차에서도 기술 및 제품이 진화함에 따라 자동차와 동등한 품질이 요구되고 있다.

로옴은 차량용 소형, 고신뢰성 LED와 더불어 LED의 점등을 제어하기 위해 꼭 필요한 LED 드라이버 IC를 개발해 차량용 라이팅에 최적인 솔루션을 제안하고 있다. 이 글에서는 로옴이 보유한 특징 있는 기술과 제품에 대해 소개한다.


LED 드라이버 IC에 대한 시장 요구     

LED 램프에 대한 시장 요구   
외장 램프가 벌브 타입에서 LED 램프로 변화함에 따라, 광원의 소형화, 박형화(薄型化)가 가능해 디자인성이 뛰어난 램프를 개발하는 메이커가 증가하고 있다.

램프의 디자인성을 향상시키기 위해서는 LED의 고출력화, LED를 구동하는 제어회로의 저소비 전력화, 소형화가 요구된다. 또 긴수명도 중요시된다. 벌브의 경우 일정 수명 이상에서는 단선이 발생해 교체를 전제로 하는 반면, LED 램프는 LED와 제어회로가 일체화된 모듈화 제품이 많아 교체가 어렵다. 또, 자동차용 제품으로서 고장이 발생해서는 안 된다는 전제가 있어 부품 레벨에서의 신뢰성 확보도 요구된다. 
비용 억제에 대한 요구도 무시할 수 없다. 예를 들어 2륜 자동차가 이동수단의 주류인 ASEAN이나 인도에서는 매우 부담 없는 가격에 판매되고 있다. 따라서 그에 사용되는 여러 모듈의 가격에 대한 요구도 까다로운데 LED 램프 역시 예외는 아니다.
 
저항회로와 LED 드라이버 IC 회로의 차이점 
지금까지 LED를 제어하는 회로로는, 비용 면에서 저항으로 전류를 제어하는 저항회로가 주류였다. 저항회로는 기존의 벌브와 마찬가지로 심플한 구성으로 LED를 점등시킬 수 있어 비용 절감을 실현할 수 있다. 그러나 회로의 열 손실로 인한 효율 저하나 LED의 고장을 검출할 수 없다는 과제가 있었다.
반면에, 최근 주목받고 있는 LED 드라이버 IC를 사용한 회로(이하, LED 드라이버 IC 회로)는 저소비 전력이 가능하며, 보호 기능을 내장함으로써 LED의 고장 검출이 가능해 신뢰성을 확보할 수 있다는 메리트가 있지만, 부품 비용이 높아진다는 과제가 있었다. 그러면, 각각의 차이점에 대해 구체적으로 설명한다.

▶소비전력
저항회로와 LED 드라이버 IC 회로는, 구동회로의 전원 입력인 배터리 전압 상승 시에 제어되는 LED 전류 특성이 크게 다르다. 저항회로의 경우, 배터리 전압의 상승에 따라 LED 전류가 증가한다. 반면에 LED 드라이버 IC 회로는 배터리 전압이 상승해도 미리 설정해 놓은 전압치로 정전류 구동이 가능하다. 예를 들어, 배터리 전압 13 V 시의 전류치를 각각의 회로로 비교한 경우, LED 드라이버 IC 회로는 저항회로에 비해 소비전력이 50% 적어진다. 따라서 저소비 전력의 면에서는 LED 드라이버 IC 회로가 유리하다는 것을 알 수 있다(그림 1).



그림 1|소비 전력면에서의 특성 비교


▶신뢰성
신뢰성 면에서도 LED 드라이버 IC 회로가 유리하다. 실장하는 부품 수가 적어, 제어기판 내의 부품이 고장을 일으킬 가능성이 낮아지기 때문이다. 또한, LED 램프의 쇼트/오픈 고장에 대해, LED 드라이버 IC가 LED의 이상 상태를 검지해 이상 신호를 외부로 통지할 수 있다. 이에 따라, LED의 불량으로 인한 LED 램프의 휘도 저하 등, 불안전한 상태를 조기에 발견해 대책을 강구할 수 있다.

▶비용
비용 면에서는 저항회로가 유리하다. 그림 1은 9개(LED 3열×직렬 3단, 약 150 mA/열)의 LED를 구동하는 예이다. 이 경우, 저항회로에서는 적어도 10개의 1 W 제품의 저항기가 필요하다. 반면에 LED 드라이버 IC 회로에서는 패키지에 따라 달라지기는 하지만 4개 정도의 IC가 필요하다. 저항회로 쪽이 부품수가 많아 비용도 높아질 것 같지만, IC에 비해 저렴한 고전력 저항기를 다수 사용함으로써 비용 절감을 실현할 수 있다. 반면에 LED 드라이버 IC 회로는 점등시키는 LED가 늘어날수록 IC가 필요하게 돼, 저항회로에 비해 비용이 증가하게 된다.
이와 같이 기존의 저항회로 및 LED 드라이버 IC 회로는 시장에서 요구되는 “저소비 전력”, “고신뢰성”, “비용 절감”을 모두 만족할 수는 없었다. 앞으로 LED 램프가 한층 더 보급되기 위해서는 이러한 3가지 요구사항을 균형 있게 만족하는 LED 드라이버 IC의 개발이 요구된다.


로옴의 새로운 LED 드라이버 IC 
 
로옴은 스피드미터의 인디케이터 광원용 LED 드라이버 IC, CID(Center Information Display), LCD 미터기 패널의 백색 백라이트용 LED 드라이버 IC 뿐만 아니라, 헤드 램프용 LED 드라이버 IC 및 리어 램프용 LED 드라이버 IC 등 자동차 및 2륜차에서 사용되는 모든 LED에 대응하는 기술 및 제품을 다수 보유하고 있다.

앞서 기술한 최근의 시장 요구에 대응해, 소비전력을 LED 드라이버 IC의 내부에서 외부의 저항으로 분산시키는 「Energy Sharing」이라는 새로운 제어 방식을 확립하고, 이 방식을 사용한 MOSFET 내장 4채널 리니어 LED 드라이버 IC 「BD183x7EFV-M」 (BD18337EFV-M / BD18347EFV-M)을 개발했다. 2륜, 4륜 자동차에 있어서 채용이 추진되는 LED 램프(스톱 램프, 테일 램프, FOG 램프, 방향 지시등 등)에 최적인 제품이다.
다음은 Energy Sharing 제어 방식에 대한 설명이다.
 
LED 드라이버 IC의
저소비 전력화에 대한 과제
 
먼저, 일반적인 LED 드라이버 IC를 그림 2로 나타냈다. LED 드라이버 IC 내부에는 LED에 전류를 공급하는 정전류 회로가 있으며, IC의 입력에는 배터리 전원, 출력에는 LED가 각각 접속된다. 배터리 전원의 입력전압이 접속되는 전원 A가 어느 정도 상승하면, LED 드라이버 IC 내부의 정전류 회로는 LED 전류를 일정하게 출력할 수 있다. 따라서 출력 단자의 전압은 접속되는 LED의 순방향 전압 특성과 같이 일정해진다.

LED 드라이버 IC의 소비전력은 정전류 회로의 입출력 전압차와 LED 전류를 곱한 값이 되므로, 배터리 입력전압의 상승에 따라 소비전력도 증가하게 된다. LED 드라이버 IC의 소비전력을 저감시키기 위해서는, 정전류 회로의 입출력 전압차와 LED 전류 중 어느 한쪽을 저감시켜야 한다. LED 전류의 경우, 고객 요구 등을 바탕으로 결정되므로 변경이 어렵다. 따라서 로옴은 정전류 회로의 입출력 전압을 제어하는 방식을 개발했다.



그림 2|일반적인 LED 드라이버 IC와 그 특성

 
IC의 저소비 전력화를 통해
비용 절감 실현하는 「Energy Sharing」
 
다음으로, LED 드라이버 IC의 소비전력 삭감을 통해 비용 절감을 실현하기 위해 로옴이 새롭게 개발한 제어 방식 「Energy Sharing」을 그림 3으로 나타냈다. LED 드라이버 IC 외부의 저항 R에 LED 전류의 일부를 공급함으로써, 정전류 회로의 입출력 전압을 제어하여, LED 드라이버 IC의 발열을 억제한다. 새롭게 추가한 블록으로 출력 단자 전압을 모니터링함으로써 전원 A를 일정 전압으로 제어한다. 저항에 흐르는 전류는 저항의 양끝에 발생하는 배터리 전압과 전원 A 전압의 전압차(배터리 전압 - 전원 A 전압), 그리고 외장 저항 R로 나타낸다. 배터리 전압의 증가에 따라 저항 전류를 증가시킴으로써 전원 A 전압을 일정하게 제어한다. 이 제어를 통해, 기존 LED 드라이버 IC 단품에서 소비하던 전력의 대부분을 외장 저항 R에서 소비시킬 수 있어 LED 드라이버 IC의 소비전력을 기존 대비 약 75% 삭감할 수 있다. 이와 같이 LED 드라이버 IC와 외장 저항 R 각각에서 전력 소비를 공유하도록 구성함으로써 기존에는 IC 4개로 실현했던 전력을 IC 1개와 고전력 저항만으로도 대응할 수 있게 됐다.



그림 3|로옴의 LED 드라이버 IC와 그 특성


신제품 LED 드라이버 IC를 탑재한 회로는 저항 회로에 비해 비용이 조금 높아지기는 하지만, 기존의 LED 드라이버 IC 회로와 비교하면 40% 정도 비용을 억제할 수 있다. “저소비 전력”, “고신뢰성”과 더불어, 외장 저항과의 조합으로 저항회로의 “비용 절감”도 실현할 수 있게 됐다. 로옴은 기존의 LED 드라이버 IC에서 입력 단자를 1PIN 추가하는 것만으로 이러한 기능을 실현했다. 또한 2륜 자동차 특유의 점등/소등 모드에도 대응해 IC만으로 필요한 기능의 대부분을 구현할 수 있다.
 
자동차에 최적인 로옴의 LED 
 
마지막으로 로옴의 차량용 LED에 대해 소개한다.
로옴은 1973년에 포탄형(shell-type) LED를 생산한 이래, 45년에 걸쳐 업계를 리드하는 제품을 개발해왔다. 최대 강점으로는 철저한 품질 관리와 소자의 제조 단계부터 고품질을 실현하는 일관 생산체제를 통해 독자적인 제품 개발이 가능하다는 점이다. 또한, 조립 공정에서 제조가 용이한 칩 설계 및 초소형 제품에 대한 생산이력 관리 도입, 자동차 품질에 대응하는 공정관리 등을 통해, 고품질 제품을 제공할 수 있다는 것도 강점이다.
 
클러스터 인디케이터 광원용 LED 
최근 클러스터의 인디케이터 광원용으로 소형 타입 LED의 채용이 증가하고 있다. 그러나 자동차 사용 환경의 까다로운 온도 변화에 대응하기 위해 차광벽과 기판이 접촉되지 않도록 하는 공간이 있어 이 부분으로부터 LED의 빛이 인접부로 새어 나가는 「광 누설」이 과제였다. 또한, 모든 애플리케이션에서 소형 LED의 채용이 추진됨에 따라, 특히 사용 환경이 까다로운 자동차 분야에서 환경 스트레스로 인한 경년열화에 대한 대책이 실시된 고신뢰성 제품이 요구되고 있다.

이런 상황에서 로옴은 가혹한 환경에서 사용되는 자동차 클러스터의 인디케이터 광원용으로 소형, 고출력의 면실장 렌즈 타입 LED 「CSL0901/0902 시리즈」를 개발했다. 광원의 위치를 0.49 mm까지 높임으로써 광 누설에 대한 우려를 해소해 소형 LED 사용이 가능해졌다. 이에 따라, 기존의 리플렉터 타입 LED 대비 체적을 약 1/18로 소형화해 애플리케이션의 공간 절약에 기여할 수 있게 됐다. 또, 새롭게 개발한 몰드 수지 적용으로 단파장 고휘도 제품에서도 고온 통전 시의 광도 열화를 대폭 개선하는데 성공했다. 예를 들어, 청색 타입의 고온 통전 가속도 시험(Ta=85℃, IF=20mA, 1000Hr 통전 시험)에서 광도 잔존율을 기존품 대비 약 80% 개선했다. 또한, 자동차 기기의 경년열화 원인 중 하나인 내황화(anti-sulfur) 대책도 실시했다.
 
인테리어 일루미네이션 광원용 LED 
세트의 다기능화에 따라, 클러스터를 비롯한 자동차 인테리어 기기에서는 아이콘 표시와 더불어 카 내비게이션 등의 패널 전체를 발광시키는 일루미네이션 광원용 LED에서도 소형화가 요구되고 있다.

로옴은 이런 시장 요구에 대응해 패키지 형상, 리플렉터 재질, 소자 및 표면 도금 등을 개선함으로써 소형 및 고휘도의 LED 개발을 추진하고 있다. 또한 소자와 형광체를 세밀하게 조정함으로써 색도의 편차를 기존품 대비 대폭 저감했다. 이에 따라, 1608 사이즈의 소형 패키지로 기존의 대형 패키지와 동등한 밝기를 지닌 제품을 실현했다.



그림 4|인테리어 일루미네이션 광원 LED의 트렌드


익스테리어 램프 광원용 LED 
익스테리어의 램프 광원에 있어서는, 디자인성의 관점에서 LED의 소형화, 박형화와 더불어 탑재 수를 줄이기 위해 하이파워화에 대한 요구가 나날이 높아지고 있다. 또한, 스톱 램프 등은 가혹한 환경에서 사용되는 케이스가 많아 신뢰성을 확보하기 위해 황화 대책이 꼭 필요하다. 따라서 현재 로옴에서는 고광도를 유지함과 동시에 내황화 특성이 우수한 하이파워 LED 제품 개발을 추진하고 있다. 이같은 제품과 앞서 기술한 LED 드라이버 IC를 조합함으로써 익스테리어에 최적인 퍼포먼스를 실현할 수 있다.

 
향후 전개 

로옴은 기업 목적인 “품질 제일”을 바탕으로, 지금까지 차량용 라이팅에 최적인, 업계 최첨단 제품을 개발해왔다. 본 기고에서는 풍부한 라인업 중에서도, 3가지 시장 요구를 모두 실현하는 LED 드라이버 IC와 소형, 고신뢰성을 실현한 독자적인 LED를 소개했다.

향후 자동운전의 보급 등에 따라 자동차 라이팅은 야간에 전방을 비추거나 브레이크 시 후방에 주의를 환기하는 것뿐만 아니라 차량의 상태 등을 외부에 알리는 역할도 담당하게 될 것이다. 따라서 LED는 고출력화에 대응해야 하며, LED 드라이버 IC는 광원을 동적으로 제어해 정보를 외부에 전달하는 제어 방식에 대응해야 한다. 로옴은 이런 사회의 변화를 발 빠르게 파악함으로써 고객과 사회 요구에 대응하는 제품을 끊임없이 제공해 나가고자 한다.

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