LED 시대 서막, 자동차와 LED의 결합

2016.02.03 10:04:14
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범용 발광다이오드(LED) 조명 시장은 여러 분야로 나뉘어져 있다는 점에서 아날로그 IC 시장과 비슷하다. 이 시장은 교체용 램프, 스트립 및 스트링, 옥외용, 산업용, 상업용, 주거용, 컨슈머 휴대기기, 엔터테인먼트, 소매점 디스플레이, 오프-그리드(전력망으로 연결되지 않은 용도), 안전/보안 용도로 세분화되어 있다.

범용 LED 조명 시장은 오는 2018년 예상되는 LED 전체 시장 규모 249억달러(약 29조1300억원) 가운데 57% 이상을 차지할 것으로 전망된다는 점에 특히 주목할 필요가 있다. LED 조명 시장 외에 그 밖의 LED가 사용되는 분야들은 사이니지, 자동차용 조명, 모바일 기기, 디스플레이 백라이팅, 모니터 등이 있다.

▲글로벌 LED 조명시장[자료 수출입은행]

범용 조명 LED 애플리케이션은 상업용과 주거용 두 시장에서 지속적으로 성장하고 있는 분야이며 더욱 높은 성장률이 기대되고 있다. 시장조사업체 트렌드포스의 사업부인 LED인사이드 보고서에 따르면 상업용도를 위한 고휘도 LED 조명 시스템은 경이적인 성장세를 나타냈다.

그 이유로 대부분의 소비자에게 가정용 LED 조명은 너무 비쌌기 때문이다. 장기적 관점에서의 장점, 에너지 절감, 친환경적 특성, 관련 세제 혜택 등에 힘입어서 주차장, 사무실, 공장 설비, 창고 같은 상업용 분야에서 LED 조명의 사용이 대폭적으로 늘어날 것으로 전망된다.

LED 조명은 고압 나트륨 램프, 할로겐 램프, 백열등뿐만 아니라 일부 분야에서 콤팩트 형광전구(Compact Fluorescent Light Bulb, CFL)와 형광등까지도 대체할 수 있다. 상업용 LED 조명이 급속히 성장하고 일반화되기 시작한 것은 2011년부터이고 LED가 가정용 조명으로 사용된 시기는 2012년이 되어서야 사용되기 시작했다.

▲LED 조명은 전통적인 조명과 비교해 밝기와 전력소비량에서 우위를 가진다. 급속한 대중화에 접어든 상태다.

상업용/산업용 애플리케이션이 LED로의 전환을 이끌고 있는 것은 어떻게 보면 당연하다. 상업용 빌딩에서는 대체적으로 조명이 총 에너지 사용의 25~40%를 차지한다. 이들 애플리케이션은 긴 시간 동안 강도 높은 조명을 필요로 하므로 실질적으로 경비 면에서 짧은 기간 안에 전기를 절약하는 효과를 체감할 수 있기 때문이다.

또한 LED 설비는 수명이 길기 때문에 전구를 교체하기 위한 비용을 현저히 줄일 수 있다. 이러한 교체 비용은 전구 자체의 가격만 포함하는 것이 아니고 전구를 교체하기 위한 인건비도 포함한다. 높은 천장에 달린 조명을 교체해야 하는 경우에는 이러한 인건비가 아주 비쌀 수 있다.

LED 조명의 높은 성장률을 이끌고 있는 가장 큰 동력은, LED 조명이 전통적인 조명에 비해서 전력 소모를 대폭적으로 낮출 수 있다는 것이다. 백열등 조명과 비교해서 LED는 동일한 수준의 빛(루멘)을 제공하기 위해서 20% 미만의 전기 전력만을 필요로 한다. 하지만 표1에서 보는 것처럼 LED 조명은 그 밖에 여러 가지 장점도 있고 해결해야 할 과제 또한 존재한다.

LED의 장점을 들자면 수명이 백열등보다 수십 배 더 길어 교체 비용을 대대적으로 줄일 수 있다는 것이다. 기존에 설치되어 있는 트라이액 디머(TRIAC dimmer)를 사용해서 LED를 디밍할 수 있다는 것도 큰 장점이다.

특히 주거용에서 이러한 특징을 살펴 볼 수 있다. 즉시 켜지는(턴온) 성능은 CFL에서 같은 웜업 시간을 필요로 하지 않으며, LED는 CFL 같이 전력 사이클링에 민감하지 않다. 여기에 LED 조명 설비는 유독성 물질을 포함하지 않으므로 이를 다루거나 처분해야 할 필요가 없다. 반면에 CFL은 유독성 수은 가스를 사용해서 작동한다. 끝으로 LED는 여타 기술이 할 수 없는 극히 얇은 두께의 폼팩터가 가능하다.


LED 조명을 가정용으로 전환하도록 권장하는 또 다른 이유도 있다. 그것은 대부분의 미국 가정에서 통상적으로 사용되던 40와트(W) 및 60W 백열등이 2013년 말을 기한으로 미국에서 제조하거나 수입하는 것이 금지되었다는 것이다(다만 구입하는 것은 지금도 가능하다). 75W 및 100W 전구는 2012년을 기한으로 단계적으로 사용이 금지됐다. 이렇게 사용이 금지된 가장 큰 이유는 환경 보호 당국(EPA)의 규정에 따라서 더 우수한 ‘전기-대-광’ 출력 효능이 요구되었기 때문이다.

이것은 전체 전기 전력 소모의 약 14%를 차지하는 가정용 주거용 조명의 전력 소모를 낮추고자 하는 취지(전력 소모를 낮춤으로써 전력 생산도 함께 낮출 수 있다.)에서 시행된 것이다(출처: 미국 에너지 정보국). 따라서 솔리드스테이트(반도체) LED 조명이 동일한 수준의 루멘 출력을 발생시키기 위해서 약 1/8의 전력만을 요구한다는 점이 오늘날 이처럼 LED 조명에 대한 각광을 받게 하는 원동력이 됐다.

홈디포에서 판매되고 있는 LED 조명업체 크리(Cree)의 60W급 LED 조명의 가격이 7.97달러로 떨어졌다. 이 전구는 수명이 2만5000시간에 달하고 전통적인 백열등과 비교해 84%의 전기 에너지를 절약할 수 있다. 가정에서 가장 많이 사용하는 다섯 군데의 조명을 백열등에서 LED 전구로 교체하면 소비자가 전기요금을 평균적으로 연간 약 60달러 정도 절약할 수 있다고 한다.

여전히 대부분의 소비자는 60W급 LED 전구를 사기 위해서 8달러의 가격을 부담스러워하지만 백열등은 더 이상 구입할 수 없게 되었다. 다행히 필립스와 같은 업체가 판매를 유도하기 위해 평균적으로 개당 3달러 미만의 특별 가격으로 제품을 내놓고 있다.

가정에서 이렇게 백열등 전구에서 솔리드스테이트 LED 조명으로 조명의 진화가 일어나고 있는 것과 마찬가지로 자동차용 조명 분야에서도 전환이 일어나고 있다. 자동차 미등에는 십여 년 전부터 적색 LED가 사용되어 왔으나, 자동차 내부 및 전방 조명 시스템으로는 최근 들어서야 LED가 보편적으로 사용되기 시작하면서 변화가 일고 있다. 예컨대 자동차 내부지시등의 70% 이상에서 LED가 사용되고 있으며 계기판 디스플레이 백라이트의 45% 이상에서 LED가 쓰인다. 또한 주간주행등(DRL)의 55%와 전조등의 약 5%에 LED가 적용됐다.

▲자동차 전조등도 할로겐을 벗어나 LED가 조금씩 입지를 넓히고 있다. 무엇보다 다양한 형태로 제작할 수 있다는 점에서 매력적이다.

왜 LED 전조등은 자동차의 다른 부분에서 사용되고 있는 LED 조명만큼 많이 사용하지 않는 것일까? 이에 대한 대답은 역시나 비용 때문이다. 전조등에서 LED의 대안으로는 백열등, 할로겐전구, HID 크세논 전구 등을 사용할 수 있다. 할로겐 전조등과 비교해서 동급의 LED를 사용하려면 비용이 최대 100%까지 높아질 수 있으며(할로겐램프는 원래 1962년에 유럽에서 등장했으며 미국에서는 1978년이 되어서야 도입됨), HID 크세논 전구와 비교해서는 최대 1.5배까지 높아질 수 있다(HID 크세논 전조등과 같은 성능 수준을 달성하려면 성능이 떨어지는 할로겐에 비해서 훨씬 더 비싼 LED 솔루션을 필요로 한다).

일반적으로 말하자면 LED 전조등은 조도(luminescence) 측면에서 할로겐램프와 HID 크세논램프 사이에 있다. 하지만 LED는 훨씬 더 집중된 광선을 발생시키며 다양한 형태로 제작할 수 있다. LED는 크기가 작기 때문에 훨씬 더 자유로운 조작이 가능하므로 자동차 업체가 자사 모델에 따라서 적합하게 다양한 형태와 어셈블리를 제작할 수 있다.

LED 자체는 빛을 내기 위해서 열을 발생시키지 않으나 이미터 하단에서 전기가 통과할 때 어느 정도 양의 열을 발생시키므로 인접한 어셈블리와 접속 케이블로 문제를 일으킬 수 있는 위험성이 있다. 그러므로 LED 전조등은 이들 장치의 영향을 받지 않게 하기 위해서 방열판이나 쿨러와 같은 형태로 냉각 시스템을 필요로 한다.

그런데다 이러한 냉각 시스템을 엔진 베이안에 탑재해야 한다. 그런데 엔진 베이는 다른 시스템용도로 적당한 온도를 유지할 수 있을 만큼 그렇게 시원한 공간이 아니다. 바로 이 점이 자동차 안에서 LED 전조등을 설계하고 구현하기가 어렵고 HID보다 훨씬 비싸게 되는 한 가지 이유다.

최근 아우디는 고성능 R8 자동차에 선택적인 레이저 상향등을 도입한다고 밝혔다. 이 시스템은 전방의 자동차 운전자가 눈부심 현상을 일으키지 않는다는 점에서 매우 뛰어나다. 그러므로 상향등을 계속해서 켜고 있을 수 있으며 전방으로 많게는 8대 자동차에 대해서 스스로 조절을 할 수 있다. LED 상향등과 비교해서 아우디의 레이저 스포트라이트는 두 배까지 긴 거리를 비출 수 있으므로(500피트(152.4미터) 이상) 운전자가 훨씬 더 먼 거리까지 볼 수 있다.

▲아우디 R8의 레이저 전조등 구성. 차세대 자동차는 DRL로 LED가 필수적으로 쓰이며 전조등은 조금 더 시간이 필요할 것으로 보인다.

조명으로 주로 백열등을 사용하던 시대가 막을 내리고 있다. 시간이 조금 걸리기는 했어도 지난 5년여의 기간에 걸쳐서 LED 하면 ‘비싸다’라는 인식도 점점 줄어들고 있다. 이제는 LED의 가격대가 일반 소비자들이 수용할 수 있을 정도가 됐으며 자동차 시장을 비롯한 다양한 산업 분야에서 LED의 사용이 더욱 확산되고 있다. 바야흐로 LED의 시대가 열리고 있는 것이다.

<리니어테크놀로지 토니 암스트롱 이사> tarmstrong@linear.com

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