차량용 고효율 HID램프와 LED 실내조명
자동차 전조등은 야간 주행 시 안전 운전을 위한 필수 부품으로서 광원으로는 주로 할로겐(Halogen)램프, HID(고휘도 방전)램프, LED(발광다이오드)가 사용되고 있다. 이러한 램프 중 최근에는 수명이 길고 발광효율이 좋은 HID 램프의 개발․보급이 확대되고 있다. 또한, 환경문제로 수은이 함유되지 않은 무 수은(Hg-free) HID램프도 개발되고 있다. 또한, 실내외 조명에는 효율․수명이 우수한 LED 적용도 크게 확대되고 있다. 무 수은 저전압 HID램프와 실내외 조명용 LED램프, 그리고 이에 대한 요소기술에 대해 일본 Harison Toshiba Lighting Corp의 사례를 소개한다.
전조등용 HID램프는 할로겐램프에 비해 효율이 높고 수명이 길어 1990년대부터 사용됐고, 전기절약을 유도하기 위해 고효율 HID램프 규격화도 진행되고 있다. HID램프는 밸러스트를 통해 차량 전력을 공급받는데, 종래의 무 수은 HID램프에서는 밸러스트 투입 전력 44 W 중 35 W가 램프에 공급된다. 반면 고효율 무 수은 HID램프는 밸러스트 공급 전력 31 W 중 25 W를 HID램프로 보낸다.
이때 전력감소에 의해 밝기를 나타내는 전광속(luminous flux)은 적어지지만 예상 규격 2,000 lm을 만족하면 할로겐램프 이상의 전광속이 확보돼 적용할 수 있다.
무 수은 HID램프는 한 쌍의 전극 간 전압에 의해 발생된 아크방전에 의해 발광관 온도가 상승, 발광관 내의 메탈할라이드가 기화되며 발광한다. 전력이 감소되면 발광관 온도가 낮아져 메탈할라이드가 충분히 기화되지 않아 발광효율도 낮아진다. 종래의 무 수은 HID램프는 25 W 점등 시 소비전력이 낮아 전광속과 발광효율이 각각 1,500 lm, 60 lm/W가 된다. 따라서 규격인 2,000 lm을 만족하려면 80 lm/W의 발광효율이 필요하다. 따라서 전력감소에 따른 발광관 온도감소를 20℃ 이내로 억제하는 것이 요구된다.
발광관 온도 상승은 발광관 내경 축소로 내용적을 줄여 방전 공간 내의 전력부하를 증가시키는 방법과 유리두께를 조절, 발광관 방열을 억제하는 방법
이 있다. 두 방법을 최적화하여 발광관 온도감소를 20℃ 이내로 억제해 전광속, 발광효율을 각각 2,000 lm, 80 lm/W를 실현했다. 진행 중인 2,000시간이 경과된 수명 평가에서 현재 양호한 전광속과 발광효율이 유지되고 있고 양산 준비 단계에 있다.실내조명은 기본 조명 외에 실내에서 동작을 감지해 작업을 지원하는 조명, 손님 환영 조명 등의 부가기능과 실내 디자인과의 융합이 중요하다. 수명․효율이 우수한 LED 실내조명은 다수의 LED를 배치한 직하식이 주류를 이룬다.
이 방식은 LED의 지향성으로 발광 면에 명암차가 생기고, 명암차를 줄이기 위해 다이아몬드 커팅이나 브라스트 가공된 외측 커버 적용 시 색 분할과 휘선발생으로 조도가 불균일하게 된다. 따라서 반사판을 이용, 넓은 범위에 대해 균일 조명이 가능한 반사형 LED 유닛이 개발됐다. 부드럽고 우아한 실내조명뿐 아니라 본체의 발광 면 밝기도 균일하고 가볍고 단순한 구조로 된다.
개발품은 기구 내 측면에 배치한 LED로부터 빛이 방출되는 간접조명을 적용하고 액정디스플레이의 백라이트 등에 사용하는 도광 판은 사용하지 않는다. LED로부터 방출된 빛은 반사판에서 반사, 확산되고 전면의 외측 커버에서 재 확산됨으로써 평면 광을 만든다. 또한, 흔히 발생되는 그림자가 축소되어 최적의 조명 상태를 얻을 수 있다.
스폿 조명(spot lighting)에 있어서 볼록렌즈에 의한 집광 시 보다 섬세한 밝기 분포 조정이 중요하다. 누설 광을 줄이고 조명 목표 영역으로의 고효율 집광을 위해서는 발광 측 렌즈의 곡률을 최적화할 필요가 있다. 그리고 목표영역 내의 밝기 분포를 균일하게 하기 위해 LED 광이 입사하는 렌즈 평면을 가공하여 광축부근의 강한 빛은 목표 영역의 외주부근을 비치고, 약한 빛은 중앙부근을 비춰 균일하게 분산시킨다.
고효율 무 수은 HID램프는 소비전력이 할로겐램프의 약 절반이지만 전광속과 수명은 동등 이상이다. 또한, LED 조명은 광역 확산 및 스폿 조명 기술을 결합, 다양한 조명을 제공해 자동차의 고급 실내조명으로도 이용 가능하다. 향후 조명기술 개발 확대로 자동차의 환경․안전성․쾌적성이 개선되기를 기대한다.
출처 : 出口誠, 沖雅博, 白石寬光, “車載用低電力HgフリーHIDランプとLED室內照明”, 「東芝レビュー(日本)」, 66(2), 2011, pp.38~41
전 문 연 구 위 원 이 홍 원(hongwlee@reseat.re.kr)
UV LED를 이용한 SiC 사이리스터의 광트리거링
SiC는 매우 높은 전력과 펄스 전력전자용으로 대단히 높은 관심을 갖는 소재이다. 이 분야에서 사이리스터(thyristor)는 양극 전도, 낮은 전도손실 및 높은 전류용량 때문에 선택되는 소자이다. 기타 SiC 소재 사용은 소자와 직렬 또는 병렬로 결합하여 펄스 전력전자 계통의 취급전력을 증가할 수 있지만 심각한 구동문제를 야기하기도 한다. 사이리스터의 직접적인 광 동기 트리거는 전자기적 간섭 원을 제거하고, 고전압소자 스택을 더욱 용이하게 제어할 수 있게 한다. SiC 사이리스터의 광 스위치는 337 ㎚ 펄스레이저로 이미 시연되었다. 이 글에서는 UV LED에 의한 SiC 사이리스터의 광 트리거에 대하여 기술한다.
두 개의 4H-SiC(1 ㎝ × 1 ㎝)를 처리하는 데 각 샘플은 약 20개의 사이리스터(유효면적 0.18~1.5 ㎟)로 구성된다. 4(P/P-/N/P+) 에피층(epilayer)으로 덮인 n-type 4H-SiC 기판은 SiC 사이리스터용과 동일한 것이다. 이 소재의 최대 이론적 절연파괴 전압은 약 5.7 kV이다. 5.5 ㎛ 메사(mesa)는 니켈 마스크를 써서 RIE(Reactive-Ion Etching) 공법으로 처음 식각(etch)하였다. 이 메사 사이리스터 구조의 모의 절연파괴전압은 약 1,400 V이다. 한 샘플은 두 번째 식각하여 게이트 층을 오픈한다. P+ 상층은 두 번째 샘플의 게이트 면적상에 그대로 있다.
애노드 및 캐소드용 Al/Ti/Ni 및 Ti/Ni 금속층은 리프트오프(lift-off)로 형성되고 1,000℃로 어닐링 하여 저항 접촉(ohmic contact)을 얻는다. 애노드 접촉(Ti/Ni/Au)은 500 ㎚ 두께로 증착 도금하였다. 모든 도금은 전자빔 증착(electron beam evaporation)에 의해 실현되었다. TLM(Transfer Length Method)으로 측정한 결과 애노드 접촉 비저항은 3~9×10-4 Ω㎠이었다. 부동화층(passivation layer)은 가하지 않아 UV와 상호작용을 피하였다. 두 개의 샘플은 실버페이스트로 Al 기판에 부착하여 50 ㎛ 직경 금선으로 결선하였다.
1 ㎂ 누설전류의 순방향 블록전압을 진공에서 측정하였고, 어떤 소자는 1,100 V이상에서 견딜 수 있었다. 피크파장 330 ㎚ 및 340 ㎚의 UV LED를 사용하여 사이리스터를 온(on)하는 데 사용하였다. 이 LED의 출력전력이 매우 낮아서 4개의 LED를 조심스럽게 초점에 맞추었다. 이때 스폿직경은 2~3 ㎚이고, LED를 통한 전류펄스는 20 ㎲이고 디바이스 당 0.5~1 A 범위에 있었다. UV 다이오드가 0.2 A 펄스전류에 대하여서만 정격으로 되어 있기 때문에 단일 샷 측정(single shot measurement)이 필수가 된다.
모든 특성화 디바이스에 대하여 전류상승시간은 100 ㎱보다 작아서 보고된 값의 범위에 속하였다. LED 광원은 식각 게이트와 비 식각 게이트 모두에서 사이리스터를 턴온(turn on) 하는 데 충분하였다. 4H-Sic에서 UV 침투 깊이는 7.5~35 ㎛이었다. 이것은 비 식각 게이트소자가 동일하게 턴온 되는 이유를 설명해준다. 이런 구조는 새로운 LTT(Light-Triggered Thyristor) 설계에 선호될 것이다. 지연시간은 LED 당 전류가 0.56에서 0.92 A까지 증가할 때 16에서 2.5 ㎂까지 감소하였다. 동일한 소재로 제작한 ETT(Electrically Triggered Thyristor)는 지연시간이 게이트 전류에 따라서 0.2~2 ㎲이다 .
4H-SiC 사이리스터는 UV LED로 성공적으로 트리거할 수 있다. 턴온 성능은 SiC ETT와 대등하다. 스펙을 초과하여 UV 다이오드를 사용하였지만 UV LED 기술은 SiC 사이리스터의 직접적인 광 트리거를 위한 콤팩트한 광원구축이 가능한 디바이스를 제공해주는 것을 보여주었다. 구동계통을 가진 LTT는 SiC 디바이스에 기반한 고전압계통을 위해 더 개발돼야 함을 보여 준다.
출처 : N. Dheilly, S. Scharnholz, P. Bevilacqua, C. Raynaud, D.-M. Nguyen, R.W. De Doncker, D. Planson, "Optical triggering of SiC thyristors using UV LEDs", ELECTRONICS LETTERS, 47(7), 2011, pp.459~460
전 문 연 구 위 원 박 석 준(jhonpark@reseat.re.kr)
LED의 효율을 고려한 밝기조절
최근 LED 개발이 급속히 증가하고 있고, 앞으로 이러한 LED가 다른 조명원을 대체할 것이다. LED의 장점은 수은이 없는 친환경성, 진동 및 압력에 견디는 소형, 고속응답성 등이다. 단일 LED 스트링(string) 용 선형전류조절기는 하나의 연산증폭기(operational amplifier), 하나의 MOSFET 및 하나의 전류제한 저항기(RS)로 구성되는데, 이것은 확장하여 다중 스트링에 적용할 수 있다. 연산증폭의 가상 접지를 통해 RS 전압은 설정 기준전압과 같아서 LED 스트링을 통한 전류는 이 전압으로 조정할 수 있다.
그러나 밝기조정(dimming) 동안에 LED 스트링을 통한 전류가 작을수록 MOSFET 전압은 더 커지고 전 계통 효율은 악화된다. 이 문제를 극복하기 위해 피드백 전압은 주어진 기준전압에서 제하고 상응하는 최대 오차를 선택하여 관련 다이오드를 적절한 전압으로 온(on) 시킨다. LED 스트링에 공급할 전력단계를 위해 KY변환기(voltage-boosting converter)를 채택한다. 이 변환기는 낮은 전력에 적당하고 항상 계속전도상태(Continuous Conduction Mode : CCM)로 운전되어 출력 유도전류(inductor current)가 맥동이 없어 출력전압 리플(ripple)을 줄일 뿐 아니라 출력커패시터의 수명을 연장한다.
제안된 계통 구조는 N개 LED 스트링 전압제공에 사용된 KY 변환기, N 밝기조절 회로(dimming circuit)로 구성되고 각 밝기조절 회로는 저주파 Butterworth 필터, 연산증폭기, MOSFET 스위치, 전류제한저항기로 구성된다.
LED 밝기조정은 400 Hz, 밝기조절명령은 FPGA(Field Programmable Gate Array)에서 생성되어 밝기조절 회로로 보내지어 선형전류 조절기 뒤 LED스트링 밝기를 조정하는 데 사용된다. 반면 N 스트링 전압과 기준전압의 차 중 최대오차가 다이오드회로에서 결정된다.
최대오차 선택 : ADC의 입력전압범위는 0~5.2 V이기 때문에 만일 스트링 1에서 5까지 전압(VD1~VD5)이 ADC에 직접 보내지면 ADC는 파손된다. 그러나 기준전압을 6.5 V로 설정하면 스트링전압과 기준전압과 차이는 0.51과 3.67 V 사이에 위치하여 ADC는 파손되지 않는다. 전술한 오차 중에서 최대 오차가 결정된 후 이 값이 FPGA에 설정되고 기준전압, 6.5 V와 차가 FPGA 내부의 PI(Proportional and Integration)제어기의 명령 값인 2.7 V에서 제하게 된다. 이에 따른 전압오차는 PI제어기에 설정되어 PWM 제어신호를 생성하고, KY변환기의 주 스위치를 제어하여 요구하는 출력전압을 얻는다.
제안된 토폴로지를 기존 토폴로지와 비교한 결과, KY 변환기의 출력전압은 감소되어 밝기조절 동안에 선형전류조절기 전압은 감소하였다. 또한, 제안된 토폴로지가 특별히 낮은 부하에서 기존 토폴로지보다 모든 부하범위에서 높은 효율을 보여주었다. 무엇보다 제안된 최대오차 선택방법은 밝기조절 기간에 낮은 전압으로 다이오드를 턴온 하기 때문에 잡음방해를 피할 수 있게 한다.
출처 : K.I. Hwu, W.C. Tu, "LED dimming with efficiency considered", ELECTRONICS LETTERS, 47(7), 2011, pp.457~459
전 문 연 구 위 원 박 석 준(jhonpark@reseat.re.kr)
Source : KISTI Reseat.
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